鉆孔內裂隙空間產狀的成像系統的制作方法

本實用新型屬于巖體物理參數測量技術領域，涉及一種新型鉆孔內裂隙空間產狀的成像系統。

背景技術：

煤炭是我國的主體能源，煤礦產業也是我國經濟發展中其他相關企業發展的基礎，在我國一直都有著重要的地位。近10年來，隨著資源利用的加劇，地球淺部資源日益減少，資源開采逐漸向深部拓展，國內外礦山逐步進入深部資源開采狀態。然而，我國煤礦地質條件極其復雜，隨著煤礦開采深度逐漸增大，深部煤層開采具有高應力、高井溫、高井深、瓦斯含量高、滲透性低、煤礦變化梯度大等特點，且隨著深度的增加，瓦斯突出、冒頂等重特大事故的概率也逐漸增大，而瓦斯主要通過煤層空隙或裂隙流動，因此煤巖體空隙和裂隙的空間產狀對瓦斯在煤層中的流動規律有決定性因素。為了探明瓦斯在煤層孔裂隙間的流動規律，現場實驗中通常采用鉆孔成像儀探測孔內裂隙空間產狀，探究工作面高強度開采條件下煤巖體裂隙網絡分布特征及演化規律，以避免井下瓦斯突出、冒頂及片方等災害事故的發生。

目前，廣泛運用的探測鉆孔裂隙空間產狀的鉆孔成像儀裝置，包括探頭、推桿、深度計數器、鉆孔成像儀主機、數據傳輸線。探測鉆孔裂隙時，首先利用數據傳輸線通過深度計數器將鉆孔成像儀與探頭連接好，打開主機，然后使用手持式推桿將探頭逐漸向孔底推進，測量鉆孔的裂隙空間產狀。然而，該方法存在以下不足：

1.每次進行監測時，鉆孔內采用有線方式連接使得儀器連接繁瑣，導致實驗效率低下；

2.進行探測時，數據傳輸線與孔壁摩擦容易導致數據線損壞，且探頭容易卡死在鉆孔孔內，在攜帶和實驗過程中容易損壞，降低實驗效率，且增大了實驗成本，影響監測進程，延誤整個實驗的時間；

3.深度計數器的原理是通過數據線與深度計數器帶動滾輪轉動記錄深度，這種深度記數方式人為影響因素大，測量精度低，增大監測數據的誤差；

4.采用的手持式推桿，不能保證緩慢勻速地推進探頭，導致記錄的圖像不完整或生成的圖片有黑線等缺點，影響監測結果。

因此，現在亟需一種高精度、高機械化且能夠使得探頭平穩推進的鉆孔內裂隙空間產狀的成像系統。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是為了克服現有技術中的鉆孔成像儀裝置采用數據線傳輸過程復雜、機械化程度低、測量結果精度低以及人工推送鉆桿導致攝取影像模糊或有黑線條等的缺點，提供一種鉆孔內裂隙空間產狀的成像系統。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：鉆孔內裂隙空間產狀的成像系統，包括鉆孔成像儀主機及與其無線連接的鉆孔成像儀探頭，鉆孔成像儀探頭設置于居中器中間，居中器用于使得鉆孔成像儀探頭的中心線與鉆孔中心線重合，居中器尾部與推桿的一端相連，推桿還與探頭推進裝置相連，在探頭推進裝置的作用下通過推桿推進鉆孔成像儀探頭，探頭推進裝置中還設置有深度計數器，深度計數器與鉆孔成像儀主機無線相連，將深度計數器測量的深度信號發送給鉆孔成像儀主機，還包括與鉆孔成像儀主機相連的計算機。

進一步的，鉆孔成像儀探頭依次包括玻璃透光管、照明及攝像單元、三維羅盤、信號板、無線傳輸單元，還包括電池，三維羅盤用于測量鉆孔的方位角、傾角以及鉆孔成像儀探頭的滾角，照明及攝像單元分別與信號板及電池相連，三維羅盤及無線傳輸單元分別與信號板相連，無線傳輸單元又與電池相連，信號板將三維羅盤測量的鉆孔方位角、傾角以及鉆孔成像儀探頭的滾角的數據信號與照明及攝像單元獲得的視頻信號整合，并通過無線傳輸單元無線傳輸給鉆孔成像儀主機。

優選的，鉆孔成像儀探頭還包括設置于其外部的保護殼，其材質為硬質塑料，照明及攝像單元包括照明模塊及攝像模塊，照明模塊為LED發光二極管，攝像模塊為防震高清針孔攝像頭，電池為電鎳氫井下專用防爆電池。

進一步的，居中器包括位于鉆孔成像儀探頭前端的前端導輪單元和后端的后端導輪單元，前端導輪單元包括相互垂直的第一滾輪和第二滾輪，第一滾輪位于第二滾輪前端，第二滾輪位于鉆孔成像儀探頭前端，后端導輪單元包括繞軸平行布置的第三滾輪和第四滾輪，第三滾輪的圓心和第四滾輪的圓心通過連接軸相連，第一滾輪的圓心、第二滾輪的圓心以及連接軸的中軸線與鉆孔成像儀探頭的中心線位于同一水平線上，各個滾輪的直徑與鉆孔孔徑相適配。

進一步的，推桿的數目為若干根，每一個推桿的前端設置有螺桿，后端設置有螺紋凹槽，所述螺桿與螺紋凹槽相適配，每兩根推桿之間通過前一推桿的螺紋凹槽和后一推桿的螺桿相互連接，推桿底側設置有底部凹槽，底部凹槽內設有齒槽。

優選的，探頭推進裝置包括底座，底座上設置有機箱，機箱內安裝有動力裝置，動力裝置與電源開關相連，動力裝置通過傳動機構與推桿箱相連，所述推桿箱中設置有用于放置推桿的推桿腔，還包括用于支撐推桿箱并能夠調節推桿箱角度的撐桿，推桿腔下方設置有用于推進推桿的推進齒輪，推進齒輪與齒槽相適配，推進齒輪還分別與深度計數器及壓力傳感器相連，壓力傳感器還與電源開關相連，當推桿卡死在鉆孔內，推進齒輪的壓力超過壓力傳感器的限值則會自動觸發電源開關關閉探頭推進裝置。

具體的，底座包括矩形框架和設置在矩形框架上的金屬墊板，撐桿為可伸縮的液壓撐桿，所述撐桿的長度方向與推桿腔長度方向所成角度的范圍為45-90°，推桿腔長度方向與水平方向所成角度的范圍為0-90°，推桿腔內設置有與推桿耦合的卡槽，動力裝置為轉速和轉向可調的馬達，推進齒輪個數為兩個，二者靠皮帶傳動連接。

優選的，深度計數器包括感應單元、數據轉換單元和無線發射單元，感應單元包括貼合在推進齒輪上的感應芯片，其精度為0.1mm，其計數原理如下：通過感應單元與齒輪上的感應芯片，測定齒輪轉數n，則鉆孔深度為l＝nπd，其中，d為齒輪直徑(mm)；轉換單元將測得數據轉化為電信號，通過無線發射單元傳輸給鉆孔成像儀主機。

進一步的，鉆孔成像儀主機包括主控制單元以及分別與主控制單元相連的圖像顯示單元、數據存儲單元及無線接收單元，無線接收單元與鉆孔成像儀探頭的無線傳輸單元和深度計數器的無線發射單元相連，圖像顯示單元用于顯示視頻圖像，數據存儲單元用于將鉆孔成像儀探頭攝取的視頻信號和深度計數器測量的深度信號整合轉換為數字信號，并轉換成圖像數據進行儲存。

進一步的，所述計算機通過數據線與鉆孔成像儀主機相連。

本實用新型的有益效果是：結構簡單，易于操作，測量精度高、機械化程度高、能夠實現高速無線傳輸，現場易于布置裝置，減少布線帶來的麻煩，鉆孔成像儀探頭攝取帶有探頭傾角和滾角參數的視頻信號，通過無線高速傳輸給鉆孔成像儀主機；同時通過探頭推進裝置可以保證平穩推進鉆孔成像儀探頭，確保視頻信號清晰可見，無需人工推送鉆桿，避免探頭攝取的影像模糊或有黑線條等，且利用深度計數器能夠實時測量鉆孔深度，可以提高鉆孔深度數據精度。本實用新型適用于測量巖體物理參數，可廣泛使用在礦山開采、土木、隧道施工過程中。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖；

圖2是本實用新型鉆孔成像儀探頭與居中器的前視圖；

圖3是本實用新型中鉆孔成像儀探頭與居中器的俯視圖；

圖4是本實用新型中推桿的結構示意圖；

圖5是本實用新型中探頭推進裝置的結構示意圖；

圖6是本實用新型中推桿箱的結構示意圖；

其中，1為居中器，2為鉆孔成像儀探頭，2-1為保護殼，2-2為玻璃透光管，2-3為照明及攝像單元，2-4為三維羅盤，2-5為信號板，2-6為無線傳輸單元，2-7為電池，3為推桿，3-1為螺桿，3-2為螺紋凹槽，3-3為齒槽，4為探頭推進裝置，4-1為底座，4-2為機箱，4-3為動力裝置，4-4為傳動機構，4-5為推桿箱，4-6為撐桿，5為鉆孔成像儀主機，6為數據線，7為計算機。

具體實施方式

下面結合附圖，詳細描述本實用新型的技術方案。

如圖1所示，本實用新型的鉆孔內裂隙空間產狀的成像系統，包括鉆孔成像儀主機5及與其無線連接的鉆孔成像儀探頭2，為了保證傳輸速率，設置其無線輸出速度高達10Mbps，鉆孔成像儀探頭2設置于居中器1中間，即鉆孔成像儀探頭兩端與居中器相連，居中器1用于使得鉆孔成像儀探頭2的中心線與鉆孔中心線重合，防止因鉆孔成像儀探頭2搖晃而導致攝取的視頻信號模糊，居中器1尾部與推桿3的一端相連，推桿3還與探頭推進裝置4相連，在探頭推進裝置4的作用下通過推桿3推進鉆孔成像儀探頭2，探頭推進裝置4中還設置有深度計數器4-7，深度計數器4-7與鉆孔成像儀主機5無線相連，將深度計數器4-7測量的深度信號發送給鉆孔成像儀主機5，還包括與鉆孔成像儀主機5相連的計算機7，所述計算機7可以通過數據線6與鉆孔成像儀主機5相連，也可以所述計算機7通過無線數據傳輸方式與鉆孔成像儀主機5。

如圖2和3所示，鉆孔成像儀探頭2依次包括玻璃透光管2-2、照明及攝像單元2-3、三維羅盤2-4、信號板2-5、無線傳輸單元2-6，還包括電池2-7，三維羅盤2-4用于測量鉆孔的方位角、傾角以及鉆孔成像儀探頭2的滾角。無線傳輸單元2-6即無線發射單元，可以將探測到的數據無線傳輸至鉆孔成像儀主機，其無線輸出速度高達10Mbps。鉆孔成像儀探頭2還包括設置于其外部的保護殼2-1，其材質為硬質塑料，成本低廉，且不會對數據傳輸造成信號衰減；照明及攝像單元2-3包括照明模塊及攝像模塊，照明模塊為LED發光二極管，用于孔內照明，光源照明度不小于30Lux距鏡頭3cm處；攝像模塊為防震高清針孔攝像頭，攝像頭參數：彩色低照度700Lines，0.1Lux，68萬像素；光源強度可連續可調，從而保證對各種探測鉆孔孔壁可清晰成像；寬視角：攝像頭視角寬，可實現水平360度全景成像，無需調焦；電池2-7為電鎳氫井下專用防爆電池，安全性高，且蓄電能力相對較好。照明及攝像單元2-3分別與信號板2-5及電池2-7相連，三維羅盤2-4及無線傳輸單元2-6分別與信號板2-5相連，無線傳輸單元2-6又與電池2-7相連，信號板2-5將三維羅盤2-4測量的鉆孔方位角、傾角以及鉆孔成像儀探頭的滾角的數據信號與照明及攝像單元2-3獲得的視頻信號整合，并通過無線傳輸單元2-6無線傳輸給鉆孔成像儀主機5。

居中器1包括位于鉆孔成像儀探頭2前端的前端導輪單元和后端的后端導輪單元，前端導輪單元包括相互垂直的第一滾輪和第二滾輪，第一滾輪位于第二滾輪前端，第二滾輪位于鉆孔成像儀探頭2前端，后端導輪單元包括繞軸平行布置的第三滾輪和第四滾輪，后端導輪單元的滾輪可以繞軸旋轉，第三滾輪的圓心和第四滾輪的圓心通過連接軸相連，第一滾輪的圓心、第二滾輪的圓心以及連接軸的中軸線與鉆孔成像儀探頭2的中心線位于同一水平線上，各個滾輪的直徑與鉆孔孔徑相適配。具體而言，連接軸的長度為0.4m，前端導輪單元由兩個直徑65mm直徑視鉆孔孔徑而定的滾輪組成，每個重約0.2kg。居中器的滾輪直徑可以根據鉆孔孔徑選擇，前后導輪單元的滾輪直徑與鉆孔孔徑相當，使鉆孔成像儀探頭中心線與鉆孔中心線重合，保證鉆孔成像儀探頭在孔內平穩推送，防止因鉆孔成像儀探頭搖晃而導致攝取的視頻信號不清晰。

如圖4所示，推桿3的數目為若干根，每一個推桿3的前端設置有螺桿3-1，后端設置有螺紋凹槽3-2，所述螺桿3-1與螺紋凹槽3-2相適配，每兩根推桿之間通過前一推桿的螺紋凹槽3-2和后一推桿的螺桿3-1相互連接，具體而言，包括第一推桿與若干根后續推桿，第一推桿的前端的螺桿3-1與居中器相連，后續推桿依次與前一推桿的螺紋凹槽3-2中進行螺紋連接。推桿3底側設置有底部凹槽，底部凹槽內設有齒槽3-3，這樣能保護齒槽3-3，防止齒槽損壞，通過齒輪傳動將鉆孔成像儀探頭推入鉆孔內。齒槽與探頭推進裝置4中的推進齒輪相適配，通過探頭推進裝置4中的推進齒輪傳動將鉆孔成像儀探頭推入鉆孔內，而后通過逐漸推進推桿將鉆孔成像儀探頭推到鉆孔預定位置。考慮到推桿的耐用性及其承重力及支撐力，優選金屬材質的推桿，選用60根備用數量可根據孔深而定，尺寸為底面直徑×高：Φ18×1000mm，每根重約0.3kg。

如圖5及6所示，探頭推進裝置4包括底座4-1，底座優選為金屬材質，以便增強支撐力，底座4-1包括矩形框架和設置在矩形框架上的金屬墊板，底座4-1的墊板上可承壓石塊，可以保證推進裝置在推桿推進過程中不會因為推力過大而側翻；底座4-1上設置有機箱4-2，機箱4-2內安裝有動力裝置4-3，動力裝置4-3與電源開關相連，動力裝置4-3通過傳動機構4-4與推桿箱4-5相連，具體是與推桿箱4-5的推進齒輪相連，所述推桿箱4-5中設置有用于放置推桿3的推桿腔，推桿腔長度方向與水平方向所成角度的范圍為0-90°，還包括用于支撐推桿箱4-5并能夠調節推桿箱4-5角度的撐桿4-6，撐桿4-6為可伸縮的液壓撐桿，能夠根據鉆孔傾角調節推桿箱的仰角，所述撐桿4-6的長度方向與推桿腔長度方向所成角度的范圍為45-90°，推桿腔內設置有與推桿耦合的卡槽，可以防止推桿推動過程中脫落；推桿腔下方設置有用于推進推桿的推進齒輪，推進齒輪個數優選為兩個，即圖6中的兩個齒輪，用于推進推桿，二者靠皮帶傳動連接，以便使得運動轉動一致，保證推桿平穩推進，推進齒輪與齒槽相適配，推進齒輪還分別與深度計數器4-7及壓力傳感器相連，壓力傳感器還與電源開關相連，深度計數器只需要與圖中標明的一個推進齒輪相連，通過推進齒輪上貼一片壓力感應器與深度計數器感應，測量推進齒輪的轉速。壓力傳感器直接與推進齒輪相連，測試推進齒輪壓力。當推桿3卡死在鉆孔內，即無法推進探頭，但是齒輪還在運轉，所以會對齒輪產生壓力，其推進齒輪的壓力超過壓力傳感器的限值則會自動觸發電源開關關閉探頭推進裝置。

傳動機構4-4包括兩組分別有皮帶相連的齒輪組，其中的一個齒輪與一個推進齒輪同軸設置，具體包括皮帶傳動和齒輪傳動，其皮帶傳動設有保護殼體，防止裝置損壞及裝置對人員造成傷害。動力裝置4-3為轉速和轉向可調的馬達，馬達采用110V/0.13A的交流電。

深度計數器4-7的原理是通過測量齒輪的轉速從而來監測探頭實時推進深度；具體包括感應單元、數據轉換單元和無線發射單元，計數精度為0.1mm，感應單元包括貼合在推進齒輪上的感應芯片(未在圖上示出)。深度計數器原理如下：已知齒輪直徑d(mm)，通過感應單元與齒輪上的感應芯片，可以測定齒輪轉數n。則鉆孔深度：l＝nπd(mm)或l＝nπd×10^-3(m)，括號中的內容為單位；轉換單元將測得深度數據轉化為電信號，通過無線發射單元傳輸給鉆孔成像儀主機。

鉆孔成像儀主機5包括主控制單元以及分別與主控制單元相連的圖像顯示單元、數據存儲單元及無線接收單元，無線接收單元與鉆孔成像儀探頭2的無線傳輸單元2-6和深度計數器的無線發射單元相連，圖像顯示單元用于顯示圖像，數據存儲單元用于將鉆孔成像儀探頭2攝取的視頻信號和深度計數器測量的深度信號整合轉換為數字信號，并轉換成圖像數據進行儲存。

計算機7上的后處理軟件能夠根據鉆孔成像儀主機1整合的帶有鉆孔方位角和傾角以及鉆孔成像儀探頭2滾角圖像數據的前后兩張圖像進行自動匹配和拼接，得到連續完整的鉆孔孔壁平面圖和三維柱狀圖，即得到連續完整的鉆孔孔壁空間裂隙網絡圖。后處理軟件可顯示、輸出平面展開圖和立體柱狀圖，立體柱狀圖可360度連續旋轉，展開圖上可直接進行巖芯描述，裂縫的傾向、傾角和寬度可直接自動計算提取，寬度精度可達0.1mm，方位角度精度可達0.1度。圖像可轉換為JPG、BMP和PDF等多種格式文件。

本實用新型的使用方法包括以下步驟：

1.根據實驗要求，在巷道內合適位置鉆取上行鉆孔，孔徑為75mm，鉆孔孔深33m，方位角45°，傾角24°，清掃孔內碎屑，保證孔壁干凈。

2.將所有待使用的推桿、居中器、鉆孔成像儀探頭、鉆孔成像儀主機都擺放在孔正下方對應區域；并在巷道內布置好供探頭推進裝置使用的插線板。

3.將居中器分別接在鉆孔成像儀探頭兩端，在居中器下端接上穿過探頭推進裝置的推桿，且使得探頭推進裝置的推桿箱的方向與鉆孔的方位角保持一致，啟動探頭推進裝置，調節探頭推進裝置的液壓撐桿，將鉆孔成像儀探頭對準鉆孔，推送到孔口位置。

4.啟動深度計數器，同時打開鉆孔成像儀主機，正確設置采集參數，以0.01m/s的速度，勻速推進鉆孔成像儀探頭，開始實時監測。

5.手動給探頭推進裝置接1m長的推桿，當鉆孔成像儀推送到孔底時，其對探頭推進裝置施加壓力超過限制時，則探頭推進裝置就會自動停止，此時在鉆孔成像儀主機保存錄制的視頻圖像數據，關閉鉆孔成像儀主機，并啟動探頭推進裝置的反向退出開關，將推桿逐一退出孔內。

6.完成數據采集后，將所有設備都收拾整理好。

7.打開鉆孔成像儀主機，將其中整合的與鉆孔深度對應的視頻圖像數據通過數據線傳輸到計算機中，即視頻圖像數據是深度值與視頻信號整合得到的對應深度的視頻圖像數據，通過處理得到連續完整的鉆孔孔壁平面圖和三維柱狀圖以及裂隙產狀和分布。