CN110318807A - 确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统及其使用方法，属于煤矿开采技术领域，可解决煤矿巷道顶板岩层强度低、松散破碎，会产生较多、较大的裂隙，在现场窥视作业时，防爆主机会显示光电探头所观察到的裂隙，但无法确定裂隙的方位角、倾角，即裂隙的产状要素，会对后期围岩控制造成影响的问题，包括用于测量窥视仪定向系统在静态情况下与真北方向之间的倾角和夹角的寻北系统和用于测量窥视仪定向系统寻北后的测量数据在动态情况下随时间变化而变化的跟踪系统，所述窥视仪定向系统放置于光电探头内与摄像头平行的同一轴线，通过信号线传输。本发明很好的解决了原先窥视钻孔时不能确定所观察裂隙的产状要素的问题。

Description

确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统及其使用方法。

背景技术

井工矿井进行巷道围岩控制时，需要精确探明巷道顶板岩层的组合特征（包括岩性、厚度、裂隙发育程度等），并对围岩进行分类，根据不同的顶板类型给出相应的支护参数，以提高巷道支护效果。

窥视仪可以用来窥视钻孔内岩性、裂隙、各岩层厚度变化及赋存情况，尤其在巷道顶板岩层构造的探测，围岩注浆效果方面应用频繁。窥视仪不仅能实时直观地观测到钻孔内的各种结构构造，而且能将整个钻孔进行视频成像，并可现场成钻孔展开图和后期三维柱状图可以生动直观地再现孔内结构体并进行定量分析，是煤矿巷道围岩控制的一项基础方法。

钻孔窥视仪一般由防爆主机、光电探头、信号线、深度计数器及连接杆主要部件构成，可以在主机显示屏上实时显示窥视画面并生成彩色柱状图。

窥视仪特别适合于无法取得实际岩芯的破碎带地层，观测和定量分析煤层走向、厚度、倾向、倾角，层内夹矸及顶板岩层的离层裂缝程度、围岩注浆的效果，为巷道支护以及煤矿顶板管理提供技术支撑。

对顶板进行钻孔窥视的基本步骤：

第一步：用锚索钻机从顶板向上打最大深度20m的钻孔，钻孔直径φ₂为42mm，然后用水对钻孔冲洗干净；

第二步：开启钻孔窥视仪，用连接杆把连接有信号线的光电探头推入钻孔，输送过程中进行录像并存储；

第三步：窥视工作完成后，回退连接杆，直至探头完全退出钻孔。

但是由于大部分煤矿巷道顶板岩层强度低、松散破碎，会产生较多、较大的裂隙，在现场窥视作业时，防爆主机会显示光电探头所观察到的裂隙，但无法确定裂隙的方位角、倾角，即裂隙的产状要素，会对后期围岩控制造成影响。

发明内容

本发明针对煤矿巷道顶板岩层强度低、松散破碎，会产生较多、较大的裂隙，在现场窥视作业时，防爆主机会显示光电探头所观察到的裂隙，但无法确定裂隙的方位角、倾角，即裂隙的产状要素，会对后期围岩控制造成影响的问题，提供一种基于MEMS陀螺的定向系统，进行所观察裂隙方向的定位。

本发明采用如下技术方案：

确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统，包括用于测量窥视仪定向系统在静态情况下与真北方向之间的倾角和夹角的寻北系统和用于测量窥视仪定向系统寻北后的测量数据在动态情况下随时间变化而变化的跟踪系统，所述窥视仪定向系统放置于光电探头内与摄像头平行的同一轴线，通过信号线传输；

所述寻北系统由MEMS陀螺构成，所述跟踪系统包括惯性传感器、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度、数据采集和导航处理软件。

确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统的使用方法，包括如下步骤：

第一步，用锚杆钻机从巷道顶板向上打直径φ₂为42mm的钻孔，然后用水对钻孔内部进行冲洗；

第二步，将所述定向系统放置于光电探头内与摄像头平行的同一轴线上，开机，先用第一根连接杆顶端的外螺纹与窥视仪的光电探头连接，把第二根连接杆顶端的外螺纹与第一根连接杆底端的内螺纹连接并拧紧；

第三步，在接长连接杆的同时，向钻孔内推送光电探头，进行钻孔内窥视裂隙的作业，观察到的裂隙及其产状要素显示在主机上；

第四步，钻孔窥视结束后，退出连接杆及光电探头。

所述寻北系统由MEMS陀螺构成，陀螺是一种测量围绕其敏感轴方向角速率的传感器。理想情况下，将陀螺垂直安装在水平面上，使其敏感轴Y_g的方向在水平面内与地理坐标系中的真北方向平行，则陀螺敏感轴的角速度ω₀即为地球自转角速率ω_e在水平方向的分量ω_N。当陀螺的敏感轴Y_g在水平面内逆时针与真北方向存在一个α的夹角时，则此时陀螺的输出ω₀为ω_e的水平分量在陀螺敏感轴上的投影ω_g，即ω₀=ω_Ncosα；

测得陀螺在相应方位的输出后，根据下式即可计算出该位置陀螺敏感轴与真北方向的夹角，并显示在主机上：，式中，α为陀螺敏感轴与真北方向的夹角；ω_e为地球自转角速率；L为地球表面维度。

所述跟踪系统括惯性传感器、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度、数据采集和导航处理软件，可以提供运动载体的位置、速度和姿态信息。惯性传感器按照载体坐标系的3个正方向进行安装，三轴MEMS陀螺用来测量相对于惯性坐标系的载体运动在载体坐标系下的3个轴向上的角速度分量；三轴MEMS加速度用来测量载体坐标系下3个轴向上的线加速度分量。CPU处理器把沿载体坐标系下的3个轴向上的角速度分量转化为沿导航坐标系下3个轴向上的角速度分量，经过解算得到载体的姿态参数；把沿载体坐标系下的3个轴向上的线加速度转化为沿导航坐标系下的3个轴向上的线加速度，经过解算得到载体的速度和位置参数显示在主机上。

本发明的有益效果如下：

与现有技术相比，本发明采用的窥视钻孔内裂隙方向的定向系统，通过将该定向系统放置于光电探头内与摄像头平行的同一轴线上，通过信号线传输，即可在主机上同时显示所观察裂隙的产状要素，很好的解决了原先窥视钻孔时不能确定所观察裂隙的产状要素的问题。

附图说明

图1为本发明的窥视仪的连接杆的连接示意图；

图2为本发明的寻北系统的寻北原理示意图；

图3为本发明的光电探头窥视裂隙的产状要素示意图；

图4为本发明的窥视仪光电探头的定向系统、窥视仪的光电探头和信号线在钻孔内的连接示意图；

其中：1-钻孔；2-光电探头；3-定向系统；4-岩层；5-煤层；6-信号线；7-连接杆；8-裂隙；201-外螺纹；202-内螺纹。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明使用的窥视仪光电探头直径φ₁为25mm，钻孔直径φ₂为42mm，连接杆直径φ₃为16mm，连接杆材料为金属不锈钢管，连接长度1m，连接杆两端有内外螺纹，通过内外螺纹将连接杆连接。最大窥视深度20m，信号线直径φ₄为5mm，信号线内部有光电探头的电源线和向主机输送信号的数据线，内置电池可工作10小时。

所述寻北系统由MEMS陀螺构成，陀螺是一种测量围绕其敏感轴方向角速率的传感器。理想情况下，将陀螺垂直安装在水平面上，使其敏感轴Y_g的方向在水平面内与地理坐标系中的真北方向平行，则陀螺敏感轴的角速度ω₀即为地球自转角速率ω_e在水平方向的分量ω_N。当陀螺的敏感轴Y_g在水平面内逆时针与真北方向存在一个α的夹角时，则此时陀螺的输出ω₀为ω_e的水平分量在陀螺敏感轴上的投影ω_g，即ω₀=ω_Ncosα。

测得陀螺在相应方位的输出后，根据下式即可计算出该位置陀螺敏感轴与真北方向的夹角，并显示在主机上：，式中，α为陀螺敏感轴与真北方向的夹角；ω_e为地球自转角速率；L为地球表面维度。

所述跟踪系统括惯性传感器、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度、数据采集和导航处理软件，可以提供运动载体的位置、速度和姿态信息。惯性传感器按照载体坐标系的3个正方向进行安装，三轴MEMS陀螺用来测量相对于惯性坐标系的载体运动在载体坐标系下的3个轴向上的角速度分量；三轴MEMS加速度用来测量载体坐标系下3个轴向上的线加速度分量。CPU处理器把沿载体坐标系下的3个轴向上的角速度分量转化为沿导航坐标系下3个轴向上的角速度分量，经过解算得到载体的姿态参数；把沿载体坐标系下的3个轴向上的线加速度转化为沿导航坐标系下的3个轴向上的线加速度，经过解算得到载体的速度和位置参数显示在主机上。

所述三轴MEMS陀螺仪型号为CRM100，是一种新型的高精度角速度陀螺，尺寸大小为：5.7mm×4.8mm×1.2mm，零位稳定性（°）/h，采用3.3V供电，功耗4mA。

所述三轴加速度型号为KXR94，测量范围为±2g（g为重力加速度），灵敏度系数为（560mv）/g，非线性度为0.1%，零加速度漂移为（±150×10^-3）g；2.8~3.3V均可工作；静态电流约1.1mA。

所述CPU处理器是以STM32单片机为核心的硬件平台。

所述的窥视仪窥视钻孔内裂隙方向的定向系统及方法包括以下步骤：

（1）用锚杆钻机从巷道顶板向上打直径φ2为42mm的钻孔1，然后用水对钻孔内部进行冲洗；

（2）将所述定向系统3放置于光电探头2内与摄像头平行的同一轴线上，并开机。连接杆用于钻孔窥视时，先用第一根连接杆7顶端的外螺纹201与窥视仪的光电探头2连接，然后把第二根连接杆7顶端的外螺纹201与第一根连接杆7底端的内螺纹202连接并拧紧；

（3）接在逐渐长连接杆的同时，慢慢向钻孔内推送光电探头，进行钻孔内窥视裂隙8的作业，所观察到的裂隙及其产状要素会一同显示在主机上；

（4）钻孔窥视结束后，向下拉动连接杆7，进行回退，一根连接杆7退出钻孔后，旋转该连接杆，使这根连接杆顶端的外螺纹201与上一根连接杆的内螺纹202脱离，同时缓慢的将光电探头拉出钻孔，避免损坏信号线6，依此类推，直至所有连接杆7、信号线6、光电探头2退出钻孔。

在窥视仪的光电探头进行钻孔内裂隙的窥视时，由于光电探头内定向系统的存在，光电探头所观察裂隙及其产状要素会一同显示在主机屏幕上，很好的解决了原先窥视仪在钻孔内窥视时无法确定裂隙产状要素的问题，对后期围岩控制有重要意义。

Claims (2)

1.确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统，其特征在于：包括用于测量窥视仪定向系统在静态情况下与真北方向之间的倾角和夹角的寻北系统和用于测量窥视仪定向系统寻北后的测量数据在动态情况下随时间变化而变化的跟踪系统，所述窥视仪定向系统放置于光电探头内与摄像头平行的同一轴线，通过信号线传输；

所述寻北系统由MEMS陀螺构成，所述跟踪系统包括惯性传感器、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度、数据采集和导航处理软件。

2.如权利要求1所述的确定钻孔内裂隙产状要素的窥视仪定向系统的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，用锚杆钻机从巷道顶板向上打直径φ₂为42mm的钻孔，然后用水对钻孔内部进行冲洗；

第二步，将所述定向系统放置于光电探头内与摄像头平行的同一轴线上，开机，先用第一根连接杆顶端的外螺纹与窥视仪的光电探头连接，把第二根连接杆顶端的外螺纹与第一根连接杆底端的内螺纹连接并拧紧；

第三步，在接长连接杆的同时，向钻孔内推送光电探头，进行钻孔内窥视裂隙的作业，观察到的裂隙及其产状要素显示在主机上；

第四步，钻孔窥视结束后，退出连接杆及光电探头；

MEMS陀螺的敏感轴Y_g在水平面内逆时针与真北方向存在一个α的夹角，则MEMS陀螺的输出ω₀为ω_e的水平分量在陀螺敏感轴上的投影ω_g，即ω₀=ω_Ncosα；

测得陀螺在相应方位的输出后，根据下式即可计算出该位置陀螺敏感轴与真北方向的夹角，并显示在主机上：，式中，α为陀螺敏感轴与真北方向的夹角；ω_e为地球自转角速率；L为地球表面维度。