CN107367728B - 一种地下空间三维信息的测量装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下空间三维信息的测量装置及其探测方法，其包括传感器系统、动力系统、外壳保护系统和传导系统；外壳保护系统包括密封的上部金属外壳和下部金属外壳两个组成部分；动力系统包括马达、信号发射器、磁力计、陀螺仪和电路板；传感器系统包括超声波传感器、温度传感器和视频传感器；传导系统包括金属插针、齿轮和上部连接起吊电缆的上端帽；金属插针设置在金属外壳的顶端。它可以实现高温高压状态下地下洞室三维形状的监测，所得的腔体形状信息对地下结构稳定性评价具有重要意义。本探测方法借助本探测装置完成，其方法操作简便，能在高温高压状态下有效地探测地下溶洞的三维空间信息。

Description

一种地下空间三维信息的测量装置及其探测方法

技术领域

本发明属于地下空间探测技术领域，尤其是涉及一种地下溶洞腔室尺寸、形状和空间位置的测量装置及探测方法，主要适用于地下采空区三维信息探测。

背景技术

地下深部盐穴洞室可以作为石油天然气的储备场所，它是通过水溶开采的方式进行造腔的，因而地下腔体的形态是很难控制的。为了获得理想的地下溶腔形状，需要在造腔过程中多次探明腔体的三维信息，以便采取下一步控制措施，优化腔体形状。腔体建成之后，需要获得腔体的三维空间信息，从而对其进行稳定性分析与评价。由于这类地下空间人员无法进入，现有技术手段是通过地面雷达探测地下空间形状，这种方式耗能高、误差大，无法满足工程现场需求，因此，开发一种能够深入地下进行腔体三维信息探测的设备具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有检测手段的不足，提供一种地下溶腔尺寸、形状、空间位置的探测装置及其探测方法，其结构简单，测试方法简便，能在高温高压状态下有效地探测地下溶洞的三维空间信息。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种地下空间三维信息的测量装置，其关键技术在于：其包括传感器系统、动力系统、外壳保护系统和传导系统；

所述外壳保护系统包括密封的上部金属外壳和下部金属外壳两个组成部分，上、下两部分外壳中间通过传力轴承连接，所述传力轴承的内部设置导线通道；所述下部金属外壳的下部中间位置开口布设用于平衡所述测量装置内外的压力差的补偿器；所述上部金属外壳的上部从下至上依次设有马达、信号发射器、磁力计、陀螺仪和电路板；下部金属外壳的下部设置触地防护端头；

所述动力系统具体包括连接传力轴承的马达、用来发射超声波传感器信号的信号发射器、用来实现整个装置的寻北功能的磁力计、用来控制下部外壳转动的陀螺仪和用于控制所述测量装置的工作状态的电路板；

所述传感器系统包括设置于下部金属外壳内的用于发射和接收超声波信号的超声波传感器、用于监测装置所处环境的温度传感器和视频传感器；

所述传导系统包括用于实现本测量装置内部与外部连接的金属插针、用于实现金属插针、电路板以及所述传感器连接的导线、齿轮和上部连接起吊电缆的上端帽；所述金属插针设置在金属外壳的顶端；所述齿轮设置在马达的出力端，同时连接传力轴承，马达工作后带动齿轮和传力轴承转动，实现下部外壳的360度转动；所述上端帽下部连接金属外壳的上端。

优选的，所述补偿器由橡胶制成，所述补偿器的外部设置金属密封环和销钉；在设备工作时，所述下部外壳的下部充满润滑油，当内部润滑油压力大于外部液体压力时，补偿器呈现外“凸”特征，当内部润滑油压力小于外部液体压力时，补偿器呈现内“凹”特征。

优选的，在所述传力轴承位置设置密封圈。

优选的，所述超声波传感器、温度传感器和视频传感器的安装处均设置密封圈。

优选的，所述超声波传感器设置两个，分别为位于下部金属外壳的底端的用于探测溶腔的高度信息的超声波传感器和位于下部外壳的侧面的用于探测溶腔的半径信息的超声波传感器；所述温度传感器设置在下部外壳的底端；所述视频传感器设置两个，分别为位于下部外壳底端的用于探测溶腔的底面特征的视频传感器和位于下部外壳的侧面的用于探测设备所处环境的侧面信息的视频传感器。

优选的，所述金属插针设置六个，六个金属插针首先通过导线连接电路板，然后通过传力轴承内部通道分别连通底端的超声波传感器、侧面的超声波传感器、底端的视频传感器、侧面的视频传感器、温度传感器和马达。

本发明提供的上述地下空间三维信息的测量装置的探测方法，其包括如下步骤：

（a）利用地面绞车和电缆将该测量装置通过钻井套管放置入地下溶腔中，下降过程中记录电缆的刻度，下降速度不应该超过3000m/h；在测量装置下降过程中，通过侧面和底部的视频传感器；探测装置所在位置的周围环境情况，通过装置的底面温度传感器；探测装置所在位置的环境温度；

（b）在测量装置下降过程中，启动底面的超声波传感器主动发射超声波，在测量装置距离溶腔底面80m范围内，超声波传感器主动发射的超声波将会被接收到，利用超声波在介质中的传播速度和时间，即可求得该测量装置距离溶腔底面的距离；

（c）缓缓下降测量装置，至装置距离溶腔底面0.5m时停止下降，通过电缆刻度得到装置所在位置的埋深信息；

（d）启动磁力计将装置“寻北”，然后启动测量装置侧面的超声波传感器1-1主动发射超声波，利用超声波的发射、接收时间差和超声波在介质中的传播速度，计算得出该方向上腔体的半径信息；

（e）启动马达和陀螺仪，装置将定向旋转360°，在此过程中，利用侧面的超声波传感器即可得到该埋深处各个方向的溶腔半径信息，得出该埋深处溶腔形状平面图；

（f）将测量装置埋深向上1m，重复过程d~e，即可得到该埋深情况下溶腔的二维信息；

（g）重复过程f，至到测试至溶腔顶端，此时得到地下溶腔不同埋深处地下腔体的二维信息特征，对其进行积分加和处理，即可得出溶腔的三维特征；

（h）探测结束后，对测量装置进行提升回收，提升速度不应该超过2500m/h，当测量装置接近溶洞洞顶时，提升速度降到50m/h。

采用上述技术方案所产生的技术效果在于：

本发明测量装置设置了传感器系统、动力系统、外壳保护系统和传导系统，其结构简单，使用方便。设置的超声波传感器可以探测地下尺寸信息（垂直方向、水平方向），设置的视频传感器可以探测周围的环境信息，设置的温度传感器可以探测环境的温度信息。它可以实现高温高压状态下地下洞室三维形状的监测，所得的腔体形状信息对地下结构稳定性评价具有重要意义。本探测方法借助本探测装置完成，其方法操作简便，能在高温高压状态下有效地探测地下溶洞的三维空间信息。

附图说明

图1为本测量装置的示意图；

图2为金属外壳上端金属插针布置示意图；

图3为某埋深情况下某腔体二维形状特征图；

图4为某腔体三维信息图；

其中， 1-1超声波传感器；1-2温度传感器；1-3视频传感器；2-1马达；2-2信号发射器；2-3磁力计；2-4陀螺仪；2-5电路板；3-1上部金属外壳；3-2传力轴承；3-3导线通道；3-4密封圈；3-5补偿器；3-6金属密封环；3-7销钉；3-8触底防护端头，3-9下部金属外壳；4-1金属插针；4-2导线；4-3齿轮；4-4上端帽。

具体实施方式

为使本发明的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图和具体实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1-附图4，本测量装置包括传感器系统、动力系统、外壳保护系统、传导系统四个部分。

所述传感器系统包括超声波传感器1-1、温度传感器1-2、视频传感器1-3。超声波传感器1-1设置两个，1个在整个测量装置的底端和1个在外部外壳3-2的侧面，用于发射和接收超声波信号，其中装置底端的超声波传感器1-1用于探测溶腔的高度信息，装置侧面的超声波传感器1-1用于探测溶腔的半径信息；温度传感器1-2设置在装置的底端1个，用于监测装置所处环境的温度；视频传感器1-3设置2个，分别位于下部金属外壳3-9的底端和侧面，其中装置底端的视频传感器1-3用于探测溶腔的底面特征，装置侧端的视频传感器1-3用于探测设备所处环境的侧面信息。

所述动力系统包括马达2-1、信号发射器2-2、磁力计2-3、陀螺仪2-4和电路板2-5。马达2-1设置在外壳保护系统的上部，为外壳保护系统下部旋转提供动力。信号发射器2-2设置在外壳保护系统的上部，用来发射超声波传感器信号。磁力计2-3设置在外壳保护系统的上部，用来实现整个装置的“寻北”功能。陀螺仪2-4设置在外壳保护系统的上部，用来控制外壳保护系统的下部的转动。电路板2-5设置在外壳保护系统的上部，用于控制装置的工作状态。所述电路板可采用SEAMA（珠海市世马科技有限公司）品牌的，型号为: SMBL2410A的产品，当然也可采用其他类似产品。

所述外壳保护系统呈现密封特征，金属外壳包裹住整个装置，用于保护装置内部的电子元件，它包括上部的上部金属外壳3-1和下部金属外壳3-9两个组成部分，上部金属外壳3-1和下部金属外壳3-9中间通过传力轴承3-2连接，传力轴承3-2的内部设置导线通道3-3，用于外壳保护系统上部、下部的信号与电路连通。在传力轴承3-2位置设置密封圈3-4，用于保持装置内部封闭，防止外部环境液体进入装置内部。外壳保护系统的上部设置属于动力系统的马达2-1、信号发射器2-2、磁力计2-3、陀螺仪2-4和电路板2-5，电路板2-5用于控制装置的工作状态，马达2-1连接传力轴承3-2，给外壳保护系统的下部提供动力。外壳保护系统的下部中间位置开口布设补偿器3-5，补偿器3-5由橡胶制成，用于平衡装置内外的压力差；在设备工作时，外壳保护系统的下部充满润滑油，当内部润滑油压力大于外部液体压力时，补偿器呈现外“凸”特征，当内部润滑油压力小于外部液体压力时，补偿器呈现内“凹”特征。补偿器3-5的外部设置金属密封环3-6和销钉3-7，实现补偿器3-5与外壳保护系统下部连接处的密封。超声波传感器1-1、温度传感器1-2、视频传感器1-3设置在外壳保护系统的下部，超声波传感器1-1、温度传感器1-2、视频传感器1-3安装处设置密封圈3-4，用于保持装置内部封闭，防止外部环境液体进入装置内部。外壳保护系统的下部设置触地防护端头3-8，用来保护底端的超声波传感器1-1、温度传感器1-2、视频传感器1-3。

所述传导系统包括金属插针4-1、导线4-2、齿轮4-3和上端帽4-4。金属插针4-1设置在外壳保护系统的顶端，用于实现设备内部与外部的连接。金属插针4-1设置六个，六个金属插针4-1首先通过导线4-2连接电路板，然后通过传力轴承3-2内部通道分别连通底端的超声波传感器1-1、侧面的超声波传感器1-1、底端的视频传感器1-3、侧面的视频传感器1-3、温度传感器1-2和马达2-1。导线4-2用于实现金属插针4-1、电路板2-5、各类传感器的连接。齿轮4-3设置在马达2-1的出力端，同时连接传力轴承3-2，马达2-1工作后带动齿轮4-3和传力轴承3-2转动，实现外壳保护系统下端部分的360度转动。上端帽4-4连接下部外壳保护系统的上端，并设置密封圈3-4实现二者密封，上端帽4-4上部连接起吊电缆，实现整个装置的井下作业。

本地下空间三维信息的探测方法，包括如下步骤：

（a）利用地面绞车和电缆将该测量装置通过钻井套管放置入地下溶腔中，下降过程中记录电缆的刻度，下降速度不应该超过3000m/h。在测量装置下降过程中，通过侧面和底部的视频传感器1-3可以探测装置所在位置的周围环境情况，通过装置的底面温度传感器1-2可以探测装置所在位置的环境温度。

（b）在测量装置下降过程中，启动装置底面的超声波传感器1-1主动发射超声波，在测试装置距离溶腔底面80m范围内，超声波传感器1-1主动发射的超声波将会被接收到，利用超声波在介质中的传播速度和时间，即可求得该测量装置距离溶腔底面的距离。

（c）缓缓下降测量装置，至装置距离溶腔底面0.5m时停止下降，通过电缆刻度得到装置所在位置的埋深信息。

（d）启动磁力计2-3将装置“寻北”，然后启动装置侧面的超声波传感器1-1主动发射超声波，利用超声波的发射、接收时间差和超声波在介质中的传播速度，计算得出该方向上腔体的半径信息。

（e）启动马达2-1和陀螺仪2-4，装置将定向旋转360°，在此过程中，利用侧面的超声波传感器1-1即可得到该埋深处各个方向的溶腔半径信息，得出该埋深处溶腔形状平面图。

（f）将测量装置埋深向上1m，重复过程d~e，即可得到该埋深情况下溶腔的二维信息，见附图3。

（g）重复过程f，至到测试至溶腔顶端。此时得到地下溶腔不同埋深处地下腔体的二维信息特征，对其进行积分加和处理，即可得出溶腔的三维特征，见附图4。

（h）探测结束后，对探测仪器进行提升回收，提升速度不应该超过2500m/h，当仪器接近溶洞洞顶时，提升速度降到50m/h。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明创造。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明创造的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明创造将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种地下空间三维信息的测量装置，其特征在于：其包括传感器系统、动力系统、外壳保护系统和传导系统；

所述外壳保护系统包括密封的上部金属外壳（3-1）和下部金属外壳（3-9）两个组成部分，上、下两部分外壳中间通过传力轴承（3-2）连接，所述传力轴承（3-2）的内部设置导线通道（3-3）；所述下部金属外壳的下部中间位置开口布设用于平衡所述测量装置内外的压力差的补偿器（3-5）；所述上部金属外壳（3-1）的上部从下至上依次设有设置有动力系统中的马达（2-1）、信号发射器（2-2）、磁力计（2-3）、陀螺仪（2-4）和电路板（2-5）；下部金属外壳的下部设置触地防护端头（3-8）；

所述动力系统具体包括连接传力轴承（3-2）的马达（2-1）、用来发射超声波传感器信号的信号发射器（2-2）、用来实现整个装置的寻北功能的磁力计（2-3）、用来控制下部外壳转动的陀螺仪（2-4）和用于控制所述测量装置的工作状态的电路板（2-5）；

所述传感器系统包括设置于下部外壳内的用于发射和接收超声波信号的超声波传感器（1-1）、用于监测装置所处环境的温度传感器（1-2）和视频传感器（1-3）；

所述传导系统包括用于实现本测量装置内部与外部连接的金属插针（4-1）、用于实现金属插针（4-1）、电路板（2-5）以及所述传感器连接的导线（4-2）、齿轮（4-3）和上部连接起吊电缆的上端帽（4-4）；所述金属插针（4-1）设置在上部金属外壳（3-1）的顶端；所述齿轮（4-3）设置在马达（2-1）的出力端，同时连接传力轴承（3-2），马达（2-1）工作后带动齿轮（4-3）和传力轴承（3-2）转动，实现下部金属外壳（3-9）的360度转动；所述上端帽（4-4）下部连接上部金属外壳（3-1）的上端。

2.根据权利要求1所述的地下空间三维信息的测量装置，其特征在于：所述补偿器（3-5）由橡胶制成，所述补偿器（3-5）的外部设置金属密封环（3-6）和销钉（3-7）；在设备工作时，所述下部金属外壳（3-9）的下部充满润滑油，当内部润滑油压力大于外部液体压力时，补偿器呈现外“凸”特征，当内部润滑油压力小于外部液体压力时，补偿器呈现内“凹”特征。

3.根据权利要求1所述的地下空间三维信息的测量装置，其特征在于：在所述传力轴承（3-2）位置设置密封圈（3-4）。

4.根据权利要求1所述的地下空间三维信息的测量装置，其特征在于：所述超声波传感器（1-1）、温度传感器（1-2）和视频传感器（1-3）的安装处均设置密封圈（3-4）。

5.根据权利要求1所述的地下空间三维信息的测量装置，其特征在于：所述超声波传感器（1-1）设置两个，分别为位于下部金属外壳（3-9）的底端的用于探测溶腔的高度信息的超声波传感器和位于下部金属外壳（3-9）的侧面的用于探测溶腔的半径信息的超声波传感器（1-1）；所述温度传感器（1-2）设置在下部金属外壳（3-9）的底端；所述视频传感器（1-3）设置两个，分别为位于下部金属外壳（3-9）底端的用于探测溶腔的底面特征的视频传感器和位于下部金属外壳（3-9）的侧面的用于探测设备所处环境的侧面信息的视频传感器（1-3）。

6.根据权利要求1所述的地下空间三维信息的测量装置，其特征在于：所述金属插针（4-1）设置六个，六个金属插针（4-1）首先通过导线（4-2）连接电路板，然后通过传力轴承（3-2）内部通道分别连通底端的超声波传感器（1-1）、侧面的超声波传感器（1-1）、底端的视频传感器（1-3）、侧面的视频传感器（1-3）、温度传感器（1-2）和马达（2-1）。

7.权利要求1所述的地下空间三维信息的测量装置的探测方法，其包括如下步骤：

（a）利用地面绞车和电缆将该测量装置通过钻井套管放置入地下溶腔中，下降过程中记录电缆的刻度，下降速度不应该超过3000m/h；在测量装置下降过程中，通过侧面和底部的视频传感器（1-3）；探测装置所在位置的周围环境情况，通过装置的底面温度传感器（1-2）；探测装置所在位置的环境温度；

（b）在测量装置下降过程中，启动底面的超声波传感器（1-1）主动发射超声波，在测量装置距离溶腔底面80m范围内，超声波传感器（1-1）主动发射的超声波将会被接收到，利用超声波在介质中的传播速度和时间，即可求得该测量装置距离溶腔底面的距离；

（c）缓缓下降测量装置，至装置距离溶腔底面0.5m时停止下降，通过电缆刻度得到装置所在位置的埋深信息；

（d）启动磁力计（2-3）将装置寻北，然后启动测量装置侧面的超声波传感器1-1主动发射超声波，利用超声波的发射、接收时间差和超声波在介质中的传播速度，计算得出该方向上腔体的半径信息；

（e）启动马达（2-1）和陀螺仪（2-4），装置将定向旋转360°，在此过程中，利用侧面的超声波传感器（1-1）即可得到该埋深处各个方向的溶腔半径信息，得出该埋深处溶腔形状平面图；

（f）将测量装置埋深向上1m，重复过程d~e，即可得到该埋深情况下溶腔的二维信息；

（g）重复过程f，至到测试至溶腔顶端，此时得到地下溶腔不同埋深处地下腔体的二维信息特征，对其进行积分加和处理，即可得出溶腔的三维特征；

（h）探测结束后，对测量装置进行提升回收，提升速度不应该超过2500m/h，当测量装置接近溶洞洞顶时，提升速度降到50m/h。

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