CN109973076A - 煤矿井下钻孔内可视探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测装置及方法，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种煤矿井下钻孔内可视探测装置及方法。包括：通缆钻杆、摄像钻头、监测显示设备和检测仪器；通过通缆钻杆和摄像钻头将检测仪器送入孔内指定位置，采用通缆钻杆作为通信载体将检测数据上传，在孔口监测设备上可同时观测图像、自然伽马与电阻率等信息，再经过对图像、伽马和电阻率等信息的综合评估辨识孔内情况，提高现场技术人员对钻孔内复杂情况判断的准确度，为进一步施工或处理事故等打下基础。

Description

煤矿井下钻孔内可视探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种探测装置及方法，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种煤矿井下钻孔内可视探测装置及方法。

背景技术

目前煤矿井下由于瓦斯抽采、防治水和地质信息采集等方面的原因，每天都在进行大量的钻孔施工，但由于地层构造的复杂性、地质信息的不确定性、钻孔施工事故和施工目的不同等因素，需要对钻孔内的复杂情况有一个直观清晰的认识。

目前市场上能够探测煤矿井下钻孔内情况的仪器，都是在提钻后通过手持推送杆送入孔内，很难达到较深的位置，最深位置不超过200m，不能满足现阶段定向钻孔施工终孔500m至800m的钻孔探测要求；通缆钻杆作为目前实现煤矿井下定向钻探的关键设备，既能配合钻机和钻头传输扭矩和推力，又能传输电信号实现孔底仪器和孔口仪器的交互，其传输信号是低频信号和开关信号，若直接用于传输高频信号，如视频信号，其误码率较高，难于满足现场需求。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种煤矿井下钻孔内可视探测装置及方法。该装置及方法能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作，其具有实用性强、实现难度小、集成度高和便于推广。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种煤矿井下钻孔内可视探测装置，包括：

通缆钻杆，其前端设置有摄像钻头，内部设置有检测仪器，所述检测仪器通过夹子通信线与监测显示设备连接。

其中，所述摄像钻头前方设置有切削齿以及摄像头冲洗水眼，其前部中间设置有中心通孔，其后部通过连接螺纹与通缆钻杆连接。

其中，所述检测仪器包括：电源模块、测斜模块、摄像模块、自然伽马模块、电阻率模块和通信控制模块；其中，电源模块为其它五个模块提供电源，摄像模块、自然伽马模块和电阻率模块都带有加速度计可以检测自身高低边；测斜模块采用三轴加速度计和三轴磁通门传感器实现钻孔轨迹精确测量；通信控制模块，按照孔口监测显示设备指令将测斜、自然伽马、电阻率和摄像数据分别打包采用调制通信技术通过通缆钻杆发送到孔口设备。

其中，所述检测仪器根据命令控制测斜模块、摄像模块、自然伽马模块、电阻率块单独或同时工作，并将测斜数据、伽马值、电阻率、视频单独或同时实时上传至孔口监测显示设备，所述摄像模块和自然伽马模模块自带加速度计，单独工作时能实时测量当前工具面向角。

其中，根据钻孔轨迹、伽马曲线及视频图像判断分析地层结构、层位、裂隙发育等地质信息的方法，首先，通过视频图像对钻孔类型进行分类，其分类的几个特点有：成孔几率、孔壁裂隙大小和孔壁光滑程度等，然后，再结合钻孔内各个位置视频图像、自然伽马和电阻率等参数的共同表现，综合判断钻孔内情况。

其中，所述监测显示设备结合钻孔内各个位置视频图像、自然伽马和电阻率等参数的共同表现，综合判断钻孔内情况，具体为：将钻孔各个位置点的一维轨迹参数、伽马参数及视频图像加载到同一坐标系中，形成各个位置点的三维参数，前期测孔时根据专家经验赋予各个点识别结果，当测孔数据积累到预定阈值后，通过系统自学习识别地层信息。

其中，所述监测显示设备执行以下步骤进行图像识别：

步骤1，采用高斯滤波的方法对图像进行滤波；

步骤2，采用拉普拉斯-高斯算子对图像进行边缘提取；

步骤3，采用二值图像表示边缘部分；

步骤4，将二值图像上封闭区域填充，当封闭区域面积小于预定像素时，则作为是噪声，并删除该区域；

步骤5，找出每块封闭区域的长轴和短轴；

步骤6，每块区域的长轴与短轴长度之比作为孔隙和裂隙的判别依据，当长轴和短轴之比大于预定值时，则判定区域为裂隙，否则为孔隙。

其中，所述步骤4中，其中采用费雷特径直径来定义图像区域块的长度，短轴为长轴中心点的中垂线；短轴的长度计算过程：假设该封闭区域的面积等效为一个椭圆面积，其椭圆的长轴为在该区域的eret直径，短轴的长度由该等效的椭圆面积计算得到。

一种煤矿井下钻孔内可视探测方法，包括：

在通缆钻杆前端设置有摄像钻头，在内部设置有检测仪器，将所述检测仪器由通缆钻杆和摄像钻头送入孔内，采集孔内信息发送到孔口监测显示设备，将所述检测仪器通过夹子通信线与监测显示设备连接，由所述检测仪器按照孔口监测显示设备指令将测斜、自然伽马、电阻率和摄像数据分别打包采用调制通信技术通过通缆钻杆发送到孔口设备。

其中，所述摄像钻头前方设置有切削齿以及摄像头冲洗水眼，其前部中间设置有中心通孔，其后部通过连接螺纹与通缆钻杆连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明实现钻孔姿态、地层伽马和孔内图像综合探测，相比于目前市面上单一探测仪器，对钻孔复杂情况和地质信息探测更准确、应用范围更广阔。

2)本发明采用频分多路复用技术将数据和视频信号利用通缆钻杆同时传输，仪器用钻机推送，相比于目前市面上采用手持推送杆的孔内窥视仪器，更加省时省力且推送距离更远。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为本发明煤矿井下钻孔内复杂情况可视探测装置的工作原理示意图。

图2为本发明中检测仪器的电气框图。

图3-1至3-2为本发明中摄像钻头的结构图。

图4为本发明工作流程图。

图5探测信息综合辨识示意图。

图6-1至图6-4为检测仪器电源模块电路图，其中，图6-1为视频电源，图6-2为伽马电源，图6-3为测斜电源，图6-4为单片机电源。

图7-1、图7-2，图7-3为检测仪器通信控制模块电路图，图7-4、图7-5为钻孔内图像。

附图标记：1为通缆钻杆、2为摄像钻头、3为检测仪器、4为监测显示设备、5为通信夹子线、6为电源模块、7为通信控制模块、8为测斜模块、9为自然伽马模块、10为摄像模块、11为摄像头冲洗水眼、12为锁紧螺栓、13为钻头水眼、14为连接螺纹、15为钻头体、16为切削齿、17为中心通孔。

下面通过实施例，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

具体实施方式

实施例

参见图1，显示了本发明煤矿井下钻孔内复杂情况可视探测装置的工作原理，该装置包含通缆钻杆1、摄像钻头2、检测仪器3、监测显示设备4和夹子通信线5。

监测孔内情况前，先用通缆钻杆1和摄像钻头2配合将检测仪器3送入孔内指定位置，再用夹子通信线5连接监测显示设备4和通缆钻杆1，由监测显示设备4发出监测指令，通过夹子线5和通缆钻杆1双向传输信号控制检测仪器3采集孔内信息并上传至监测显示设备4显示和保存。

参见图2，显示了本发明中检测仪器3的电气框图，包括：电源模块6、通信控制模块7、测斜模块8、自然伽马模块9和摄像模块10。该电源模块6为通信模块7、测斜模块8、自然伽马模块9和摄像模块10供电；通信控制模块7接收监测显示设备4发出的指令控制测斜模块8、自然伽马模块9和摄像模块10采集和上传数据。

参见图3-1至图3-2，显示了本发明中摄像钻头2的结构，包括：摄像头冲洗水眼11、锁紧螺栓12、钻头水眼13、为连接螺纹14、钻头体15、切削齿16和中心通孔17。其中钻头水眼13、连接螺纹14、钻头体15和切削齿16是常规钻头在工程应用中的主流结构；摄像头冲洗水眼11是为了清洗摄像头而设计，在打开泥浆泵时会在此处形成一股射流清洗摄像头；锁紧螺栓12和中心通孔17配合固定检测仪器3，确保检测仪器3固定在钻头中心位置，且能拍摄钻头前方孔内情况。

参见图4，显示了本发明工作流程图，现场技术人员通过监测显示设备下发工作指令给检测仪器，检测仪器根据命令控制测斜模块、摄像模块、自然伽马模块、电阻率块单独或同时工作，并将测斜数据、伽马值、电阻率、视频单独或同时实时上传至孔口监测显示设备，摄像模块和自然伽马模模块自带加速度计，单独工作时能实时测量当前工具面向角，便于技术人员分析。技术人员可以根据钻孔轨迹、伽马曲线、电阻率曲线及视频图像判断分析地层结构、层位、裂隙发育等地质信息。

参见图5，显示了基于视频图像、测斜信息和测井信息的多重辨识流程，有效提高地层识别精度。

具体的，本实施例中，采用图像识别步骤如下：

步骤1，采用高斯滤波的方法对图像进行滤波；

步骤2采用拉普拉斯-高斯算子对图像进行边缘提取；

步骤3采用二值图像表示边缘部分，边缘部分用白色表示(即像素值为255)，去其余部分用黑色表示(即像素值为0)。

步骤4将二值图像上封闭区域填充，当封闭区域面积小于40像素时，则作为是噪声，删除该区域；

步骤5找出每块封闭区域的长轴和短轴。此处长轴的定义为：采用Feret直径来定义图像区域块的长度。短轴为长轴中心点的中垂线。短轴的长度计算过程：假设该封闭区域的面积等效为一个椭圆面积，其椭圆的长轴为在该区域的eret直径，短轴的长度由该等效的椭圆面积计算得到。

步骤6每块区域的长轴与短轴长度之比作为孔隙和裂隙的判别依据。当长轴和短轴之比为1时，则该区域为圆形；比值越大表明该区域越狭长，由经验可得，故在此定义的比值大于8时，则区域为裂隙，小于8时，定义为孔隙。

图6-1至图6-4为检测仪器电源模块电路图。所述检测仪器电源模块电路主要由DC变换模块VRB1215S-6WR3、稳压芯片LT1963、稳压芯片TPS7133组成，具体的分为视频电源模块、伽马电源模块、测斜电源模块，单片机电源模块等四个模块。

其中，视频电源模块中，型号为VRB1215S-6WR3的逻辑单元DC1的1脚、7脚接地；2脚接电池正极，并通过电容CD3、CD4接地；6脚接U1、U2的8脚，并通过电容CD1、CD2接地。型号为LT1963的逻辑单元U1的1脚输出视频电源正极，并通过电容C1、C2接地，还通过电阻R1与2脚连接；U1的2脚还与电阻R3连接，R3的另一端接地；U1的3脚、6脚、7脚接地；U1的5脚与U6的14脚连接，并通过电阻R2接地。

其中，伽马电源模块中型号为LT1963的逻辑单元U2的1脚输出伽马电源正极，并通过电容C3、C4接地，还通过电阻R4与2脚连接；U2的2脚还与电阻R6连接，R6的另一端接地；U2的3脚、6脚、7脚接地；U2的5脚与U6的11脚连接，并通过电阻R5接地，U2的输入接DC1的6脚。

其中，测斜电源模块中型号为LT1963的逻辑单元U3的1脚与U4的8脚连接，通过电感L1与U5的3脚、4脚连接，并通过电容C5、C6、C9、C10接地，还通过电阻R9与2脚连接；U3的2脚还与电阻R11连接，R11的另一端接地；U3的3脚、6脚、7脚接地；U3的5脚、8脚与电池正极连接，U3的1脚为输出端Vout2，U4的输入接Vout2，型号为LT1963的逻辑单元U4的1脚输出测斜电源正极，并通过电容C7、C8接地，还通过电阻R7与2脚连接；U4的2脚还与电阻R10连接，R10的另一端接地；U4的3脚、6脚、7脚接地；U4的5脚与U6的15脚连接，并通过电阻R8接地。

其中，单片机电源模块中型号为TPS7133的逻辑单元U5的1脚、2脚接地；5脚、6脚、7脚相互连接，并输出3.3V电源；3.3V电源通过电阻R12与U5的8脚连接，通过电容C11、C12接地。

所述检测仪器通信控制模块电路主要由单片机芯片U6、通信芯片U9、U10组成。

型号为STM32F103的逻辑单元U6的1脚、9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V电源，并通过电容C16、C17、C18、C19、C20、C21接地；U6的8脚、23脚、35脚、47脚接地；U6的5脚通过晶振Y1与6脚连接，晶振Y1两端分别通过电容C13、C14接地；U6的7脚与程序调试接口P1的RESET口连接，并通过R14接3.3V电源，通过C15接地；U6的12脚与U10的6脚连接；U6的13脚与U10的3脚连接；U6的18脚与U10的4脚、5脚连接；U6的19脚与U9的4脚、5脚连接；U6的30脚与U9的6脚连接；U6的31脚与U9的3脚连接；U6的34脚与程序调试接口P1的SWDIO口连接；U6的37脚与程序调试接口P1的SWCLK口连接；U6的45脚与U8的2脚连接；U6的46脚与U8的1脚连接；

型号为ADM2687的逻辑单元U9的1脚接地，2脚接3.3V电源，1脚与2脚间还通过电容C22、C23连接；U9的7脚接3.3V电源，8脚接地，7脚与8脚间还通过电容C26、C27连接；U9的9脚与16脚连接，并通过电容C24、C25、C28、C29与10脚、15脚连接；U9的11脚与14脚连接，并通过电阻R16与12脚、13脚连接，通过电阻R15与10脚、15脚连接，通过电阻R17与9脚、16脚连接。

型号为ADM2687的逻辑单元U10的1脚接地，2脚接3.3V电源，1脚与2脚间还通过电容C30、C31连接；U9的7脚接3.3V电源，8脚接地，7脚与8脚间还通过电容C34、C35连接；U9的9脚与16脚连接，并通过电容C32、C33、C36、C37与10脚、15脚连接；U9的11脚与14脚连接，并通过电阻R19与12脚、13脚连接，通过电阻R18与10脚、15脚连接，通过电阻R20与9脚、16脚连接。

本发明测量的结果能够反映钻头附近的地层情况，可以使工程和地质人员及时掌握井下地质参数，对于避免判断失误，准确钻达目的层具有重要意义，尤其适用于水平井。结合伽马和电阻率测量地质参数进行多方位测量，可以获得准确的地质资料，尤其适用于薄层勘探。方位伽马仪器一般采用两个或多个伽马探测器，同时测量同一点上不同方位的伽马数据，工程人员根据多组伽马数据及时准确掌握井眼轨迹，同时接收的测井数据经过极值方差进行分层之后，求解各个层段测井值，针对每一种测井曲线，采用该层段所有数据点平均值的方法。由于煤岩、泥岩、砂岩、灰岩具有不同响应特征，找出各个岩性之间的测井分界值，根据每个层段测井值所在的范围，确定每个层段的岩性。

在此采用图像识别的方法对钻头附近的地层情况是否出现裂隙和孔隙进行自适应判断。如图7-4和图7-5所示，图7-4为现场采集的孔隙图像样本，图7-5为现场采集的环状裂隙图像样本。

综上所述，采用图像识别的方法可以自适应的得到钻头附近的地层孔隙和裂隙基本情况。

通过以上描述可知，本实施例的监控处理装置逻辑先通过图像掩码对每一帧图像只提取目标区域边界线做处理，边界线上存在入侵异常再切换掩码，逐步衍生到整个监控目标内部区域，这时入侵异常依然存在，便完成告警动作。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，包括：

通缆钻杆，其前端设置有摄像钻头，内部设置有检测仪器，所述检测仪器通过夹子通信线与监测显示设备连接。

2.如权利要求1所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，所述摄像钻头前方设置有切削齿(16)以及摄像头冲洗水眼(11)，其前部中间设置有中心通孔(17)，其后部通过连接螺纹与通缆钻杆连接。

3.如权利要求1所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，所述检测仪器包括：电源模块、测斜模块、摄像模块、自然伽马模块、电阻率模块和通信控制模块；其中，电源模块为其它五个模块提供电源，摄像模块、自然伽马模块和电阻率模块都带有加速度计可以检测自身高低边；测斜模块采用三轴加速度计和三轴磁通门传感器实现钻孔轨迹精确测量；通信控制模块，按照孔口监测显示设备指令将测斜、自然伽马、电阻率和摄像数据分别打包采用调制通信技术通过通缆钻杆发送到孔口设备。

4.如权利要求3所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，所述检测仪器根据命令控制测斜模块、摄像模块、自然伽马模块、电阻率块单独或同时工作，并将测斜数据、伽马值、电阻率、视频单独或同时实时上传至孔口监测显示设备，所述摄像模块和自然伽马模模块自带加速度计，单独工作时能实时测量当前工具面向角。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，根据钻孔轨迹、伽马曲线及视频图像判断分析地层结构、层位、裂隙发育等地质信息的方法，其特征在于，首先，通过视频图像对钻孔类型进行分类，其分类的几个特点有：成孔几率、孔壁裂隙大小和孔壁光滑程度等，然后，再结合钻孔内各个位置视频图像、自然伽马和电阻率等参数的共同表现，综合判断钻孔内情况。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，所述监测显示设备结合钻孔内各个位置视频图像、自然伽马和电阻率等参数的共同表现，综合判断钻孔内情况，具体为：将钻孔各个位置点的一维轨迹参数、伽马参数及视频图像加载到同一坐标系中，形成各个位置点的三维参数，前期测孔时根据专家经验赋予各个点识别结果，当测孔数据积累到预定阈值后，通过系统自学习识别地层信息。

7.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，所述监测显示设备执行以下步骤进行图像识别：

步骤1，采用高斯滤波的方法对图像进行滤波；

步骤2，采用拉普拉斯-高斯算子对图像进行边缘提取；

步骤3，采用二值图像表示边缘部分；

步骤4，将二值图像上封闭区域填充，当封闭区域面积小于预定像素时，则作为是噪声，并删除该区域；

步骤5，找出每块封闭区域的长轴和短轴；

步骤6，每块区域的长轴与短轴长度之比作为孔隙和裂隙的判别依据，当长轴和短轴之比大于预定值时，则判定区域为裂隙，否则为孔隙。

8.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔内可视探测装置，其特征在于，所述步骤4中，其中采用费雷特径直径来定义图像区域块的长度，短轴为长轴中心点的中垂线；短轴的长度计算过程：假设该封闭区域的面积等效为一个椭圆面积，其椭圆的长轴为在该区域的eret直径，短轴的长度由该等效的椭圆面积计算得到。

9.一种煤矿井下钻孔内可视探测方法，其特征在于，包括：

在通缆钻杆前端设置有摄像钻头，在内部设置有检测仪器，将所述检测仪器由通缆钻杆和摄像钻头送入孔内，采集孔内信息发送到孔口监测显示设备，将所述检测仪器通过夹子通信线与监测显示设备连接，由所述检测仪器按照孔口监测显示设备指令将测斜、自然伽马、电阻率和摄像数据分别打包采用调制通信技术通过通缆钻杆发送到孔口设备。

10.如权利要求9所述的煤矿井下钻孔内可视探测方法，其特征在于，所述摄像钻头前方设置有切削齿(16)以及摄像头冲洗水眼(11)，其前部中间设置有中心通孔(17)，其后部通过连接螺纹与通缆钻杆连接。