CN114338975B - 一种井下钻孔孔壁图像展布仪器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于对钻孔孔壁的精细观察。包括套筒、孔壁图像采集摄像头、居中器、数据处理台等。本发明通过3个以三角阵型布置于套筒前段的孔壁图像采集摄像头对钻孔内壁进行360°垂直观测和记录，套筒中段安设居中器使套筒稳定于钻孔中心轴，所述孔壁图像采集摄像头随着套筒整体向钻孔深处推进而实时采集的画面通过数据传输线传输至数据处理台，采用特征匹配和图像融合技术经过软件处理得到长边与钻孔深度相同的矩形图像，将3个孔壁图像采集摄像头采集的3组矩形图像沿短边依序拼接形成钻孔孔壁360°全长平面展布图。本发明可对钻孔孔壁进行垂直观察和记录，对钻孔孔壁观测效果较端头窥视仪具有较大提升，可对钻孔孔壁信息的精细观察。

Description

一种井下钻孔孔壁图像展布仪器及使用方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻探领域，特别是一种井下钻孔孔壁图像展布仪器及使用方法。

背景技术

钻孔窥视技术已经广泛应用于地质构造复杂条件下的煤矿井下地质条件勘探及评估中，尤其可对矿井围岩地质构造、顶板离层、煤体断层裂隙产状、裂隙发育情况、水力压裂效果等做出探测。

现有的钻孔窥视仪将摄像头设置于探头正前方，可实现对钻孔内探头前方的垂直观测和对钻孔侧壁的倾斜观测，其形成的图像呈现出中央黑洞四周过曝的不协调现象，在探头伸入钻孔过程中容易起雾导致摄像头看不清孔壁情况，丢失了对孔壁的矿井围岩地质构造、顶板离层、煤体断层裂隙产状等关键观测信息，导致在判定矿井围岩地质构造、顶板离层、煤体断层裂隙产状、裂隙发育情况、水力压裂效果时准确性不佳，大幅弱化钻探工作的总体效益。

基于此，本发明提供一种井下钻孔孔壁图像展布仪器及方法，对孔壁进行垂直观测，并通过软件处理形成孔壁360°全长平面展布图，具有孔壁观测效果精细、易于操作和定位精准的特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，为了解决目前井下钻探中对孔壁观测效果不佳，识别孔壁裂隙等特征效果差的问题，本发明提供一种井下钻孔孔壁图像展布仪器及使用方法，对孔壁进行垂直观测，并通过软件处理形成孔壁360°全长平面展布图，实现对孔壁的精细观测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，包括套筒、孔壁图像采集摄像头、数据传输线、加热防雾片和数据处理台；套筒竖直设置且内部中空，套筒由上至下依次分为套筒顶段、套筒前段、套筒中段和套筒后段；多个孔壁图像采集摄像头均匀设置于套筒前段内一周，套筒前段为透明材质，套筒前段内设置有加热防雾片，孔壁图像采集摄像头通过数据传输线与数据处理台连接，套筒后段底部开设有通孔用于数据传输线的穿出。

作为本发明进一步优选，所述套筒前段内设置有三边架，三边架将套筒前段的横截面平均分为三个区域，孔壁图像采集摄像头为三个，一个孔壁图像采集摄像头设置于一个区域内，三个孔壁图像采集摄像头呈正三角阵型布置，每个孔壁图像采集摄像头的水平可视角度为120°，每个孔壁图像采集摄像头连接一根数据传输线。

作为本发明进一步优选，所述三边架的外周和孔壁图像采集摄像头的外周均设置有LED补光灯。

作为本发明进一步优选，所述加热防雾片设置于三边架上。

作为本发明进一步优选，所述加热防雾片包括金属电热丝和加热电源，金属电热丝缠绕于三边架上，金属电热丝与加热电源连接。

作为本发明进一步优选，还包括居中器，居中器设置于外壁四周，所述居中器包括滑槽、推移斜杆、水平平衡杆推移弹簧和行走滚轮；套筒中段四周各滑槽中部并排设置5个推移弹簧，推移弹簧的顶端连接有水平平衡杆，水平平衡杆的表面设置有行走滚轮，套筒中段的外壁上开设有滑槽，推移斜杆为两根，两根推移斜杆对称连接于水平平衡杆两端，推移斜杆一端连接于水平平衡杆的一端，推移斜杆的另一端连接与滑槽中。

作为本发明进一步优选，套筒底部设置接续螺纹母口，用于连接接续杆，每个接续杆顶端为螺纹公口，底端为螺纹母口，多个接续杆通过螺纹公口和螺纹母口连接。

作为本发明进一步优选，所述套筒顶段的形状为锥形，以减小套筒整体的前进阻力，套筒顶段8的材质为合金材质，套筒前段的材质为透明耐磨树脂材料。

作为本发明进一步优选，所述套筒直径为20mm，配合居中器可自由进出内径为38~52mm之间的钻孔；所述孔壁图像采集摄像头可调焦距范围适配38~52mm之间的钻孔，焦距通过数据处理台操控。

一种井下钻孔孔壁图像展布仪器的使用方法，

步骤（1）：将孔壁图像采集摄像头通过数据传输线连接至数据处理台，接通电源，开启孔壁图像采集摄像头、LED补光灯和加热防雾片，在数据处理台输入本次采集的钻孔内径，使孔壁图像采集摄像头调至相应焦距，调好后固定焦距不变；步骤（2）：将套筒前段深入钻孔中，将套筒以不大于0.2m/s的速度推入钻孔深处直至钻孔顶端；套筒中段通过居中器使套筒稳定于钻孔中心轴，推入套筒的同时在套筒后段不断增加接续杆，在套筒推入过程中，所述孔壁图像采集摄像头随着套筒整体向钻孔深处推进而实时采集的画面通过数据传输线传输至数据处理台，采用特征匹配和图像融合技术经过软件处理得到长边与钻孔深度相同的矩形图像，将3个孔壁图像采集摄像头采集的3组矩形图像沿短边依序拼接形成钻孔孔壁360°全长平面展布图；步骤（3）：将套筒顶段推入钻孔至钻孔顶端时，停止录像；步骤（4）：将套筒退出钻孔，同时不断拆卸接续杆；步骤（5）：保存录像，数据处理台处理和拼接后形成钻孔孔壁360°全长平面展布图，通过观察全长平面展布图上的断裂黑线的走势来确定裂隙产状，观察断裂黑线的方向和长度来确定确定裂隙发育情况或水力压裂等效果。

本发明具有如下有益效果：

1. 本发明内部安装了加热防雾片，防止孔壁图像采集摄像头起雾，通过多个布置于套筒前段的孔壁图像采集摄像头对钻孔内壁进行垂直观测和记录，将捕获的钻孔内壁图像采用特征匹配和图像融合技术对捕获的钻孔内壁图像进行处理形成长边与钻孔深度相同、短边与钻孔截面周长相同的钻孔孔壁360°全长平面展布图。

2.本发明观测效果精细、易于操作、定位精准、操作简单。

3.本发明内部设有LED补光灯，对钻孔内部充分补光，防止内部较暗不利于探测。

4.套筒中段还装有特制居中器使套筒稳定于钻孔中心轴，防止套筒在钻孔过程中发生偏移。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是居中器展开时示意图；

图3是居中器挤压时示意图；

图4是本发明的三边架及孔壁图像采集摄像头剖面图；

图5是本发明的每个孔壁图像采集摄像头采集到的单个孔壁图像；

图6为本发明的360°全长展布图拼接后的图像。

其中有：1-孔壁图像采集摄像头；2-居中器；3-数据传输线；4-数据处理台；5-接续杆；6-套筒前段；7-套筒中段；8-套筒顶段；9-套筒后段；10-三边架；11-螺旋母口；12-接续方向；13-滑槽；14-推移斜杆；15-水平平衡杆；16-推移弹簧；17-行走滚轮；18-水平可视范围边界；19-水平可视角度；20- LED补光灯；21-加热防雾片；22-钻孔孔壁360°全长平面展布图；23-矩形图像；24-短边；25-长边；26-岩层分界面；27-岩壁裂隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1-6所示，一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，包括套筒、孔壁图像采集摄像头1、数据传输线3和数据处理台4；套筒竖直设置且内部中空，套筒由上至下依次分为套筒顶段8、套筒前段6、套筒中段7和套筒后段9；孔壁图像采集摄像头1设置于套筒前段6内，套筒前段6为透明材质，孔壁图像采集摄像头1通过数据传输线3与数据处理台4连接，套筒后段9底部开设有通孔用于数据传输线3的穿出。套筒后段9伸出数据传输线3，延伸出套筒保护范围内的数据传输线3汇成一股，并使用防水胶套包裹，长度不小于30m，并可在末端续接延长。

所述套筒前段6内设置有三边架10，三边架10将套筒前段6的横截面平均分为三个区域，孔壁图像采集摄像头1为三个，一个孔壁图像采集摄像头1设置于一个区域内，三个孔壁图像采集摄像头1呈正三角阵型布置，每个孔壁图像采集摄像头1的水平可视角度为120°，每个孔壁图像采集摄像头1连接一根数据传输线3。通过3个以三角阵型布置于套筒前段6的孔壁图像采集摄像头1对钻孔内壁进行360°垂直观测和记录。三边架10的中间部位开设有通孔，每个孔壁图像采集摄像头1后部连接的数据传输线3通过三边架10中部通孔通向套筒后段9。3个孔壁图像采集摄像头1的水平可视范围边界18相互连接，其水平可视角度19均为120°，以此来实现摄像范围不重叠。

所述三边架10的外周和孔壁图像采集摄像头1的外周均设置有LED补光灯20。对钻孔内部充分补光，保证孔壁图像采集摄像头1的录制效果。因为任意钻孔内均为相似无光环境，在该相似环境中使用相同LED光源产生的光强在孔壁图像采集摄像头1取景范围内近似相同，预设并锁定孔壁图像采集摄像头1的感光度等参数即可避免过曝。

所述三边架10上设置有加热防雾片21。所述加热防雾片21包括金属电热丝和加热电源，金属电热丝缠绕于三边架10上，金属电热丝与加热电源连接。在孔壁图像采集摄像头1工作时，加热防雾片21开始工作，使得套筒前段6空间内保持恒温50℃，防止套筒前段6透明耐磨树脂和孔壁图像采集摄像头1起雾。

还包括居中器2，居中器2设置于套筒中段7的外壁四周，所述居中器2包括滑槽13、推移斜杆14、水平平衡杆15推移弹簧16和行走滚轮17；套筒中段7的套筒中段7四周各滑槽13中部并排设置5个推移弹簧16，推移弹簧16的顶端连接有水平平衡杆15，水平平衡杆15的表面设置有行走滚轮17，套筒中段7的外壁上开设有滑槽13，推移斜杆14为两根，两根推移斜杆14对称连接于水平平衡杆15两端，推移斜杆14一端连接于水平平衡杆15的一端，推移斜杆14的另一端连接与滑槽13中。当居中器2跟随套筒中段7进入钻孔内部时，推移弹簧16受到压缩，使得推移斜杆14沿滑槽13向两侧推移，水平平衡杆15向套筒内侧移动，行走滚轮17贴合于钻孔内壁上，行走滚轮17随套筒推移而转动。

套筒底部外壁上套筒底部设置接续螺纹母口，用于连接接续杆5，每个接续杆5顶端为螺纹公口，底端为螺纹母口11，多个接续杆5通过螺纹公口和螺纹母口连接。根据图示接续方向12可不断首尾相接，以方便套筒的深入过程中的操作。

所述套筒顶段8的形状为锥形，以减小套筒整体的前进阻力，套筒顶段8的材质为合金材质。在钻孔中遇到碎石时利用耐磨锥形结构以减小套筒整体前进阻力。优选的，套筒前段6为透明耐磨树脂材料，内部安设三边架10以固定孔壁图像采集摄像头1，孔壁图像采集摄像头1在此处透过套筒前段6透明耐磨树脂壳对钻孔孔壁进行观测。

所述套筒直径为20mm，配合居中器2可自由进出内径为38~52mm之间的钻孔；所述孔壁图像采集摄像头1可调焦距范围适配38~52mm之间的钻孔，焦距通过数据处理台4操控。

一种井下钻孔孔壁图像展布仪器的使用方法：

步骤（1）：将孔壁图像采集摄像头1通过数据传输线3连接至数据处理台4，接通电源，开启孔壁图像采集摄像头1、LED补光灯20和加热防雾片21，在数据处理台4输入本次采集的钻孔内径，使孔壁图像采集摄像头1调至相应焦距，调好后固定焦距不变。

步骤（2）：将套筒前段6深入钻孔中，为保障成像稳定度和清晰度，将套筒以不大于0.2m/s的缓慢速度推入钻孔深处直至钻孔顶端。套筒中段7通过居中器2使套筒稳定于钻孔中心轴，推入套筒的同时在套筒后段9不断增加接续杆5，在套筒推入过程中，所述孔壁图像采集摄像头1随着套筒整体向钻孔深处推进而实时采集的画面通过数据传输线3传输至数据处理台4，采用特征匹配和图像融合技术经过软件处理得到长边与钻孔深度相同的矩形图像，将3个孔壁图像采集摄像头1采集的3组矩形图像沿短边依序拼接形成钻孔孔壁360°全长平面展布图。

步骤（3）：将套筒顶段推入钻孔至钻孔顶端时，停止录像。

步骤（4）：将套筒退出钻孔，同时不断拆卸接续杆5。

步骤（5）：保存录像，数据处理台4处理和拼接后形成钻孔孔壁360°全长平面展布图22，通过观察全长平面展布图上的断裂黑线的走势来确定裂隙产状，观察断裂黑线的方向和长度来确定确定裂隙发育情况或水力压裂等效果。

依据上述对本发明的说明，结合某煤矿井下钻孔的钻孔孔壁360°全长平面展布图示意，进行实施例的说明。该钻孔条件为：孔径52mm，即钻孔轴向断面周长为163.36mm，钻孔孔深约为1m。使用本发明的一种井下钻孔孔壁图像展布仪器及使用方法，将套筒伸入钻孔内部，按照前述步骤对钻孔内部图像进行录像，并通过数据处理台处理3个孔壁图像采集摄像头1捕获的3个矩形图像23，如图4所示，每个矩形图像的短边24为钻孔轴向断面圆周的1/3，长边25等于钻孔轴向长度，将3个矩形图像23沿短边方向拼接处理。所述拼接处理为现有技术，例如手机的全景照片拼接技术，平移一段距离，自动合成图像。得到完整的钻孔孔壁360°全长平面展布图22。在钻孔孔壁360°全长平面展布图22上可以明显识别岩层分界面26以及岩壁裂隙27等信息。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，其特征在于：包括套筒、孔壁图像采集摄像头（1）、数据传输线（3）、加热防雾片（21）和数据处理台（4）；套筒竖直设置且内部中空，套筒由上至下依次分为套筒顶段（8）、套筒前段（6）、套筒中段（7）和套筒后段（9）；多个孔壁图像采集摄像头（1）均匀设置于套筒前段（6）内，多个孔壁图像采集摄像头（1）的水平可视区域之合为钻孔内壁面一周，套筒前段（6）为透明材质，套筒前段（6）内设置有加热防雾片（21），孔壁图像采集摄像头（1）通过数据传输线（3）与数据处理台（4）连接，套筒后段（9）底部开设有通孔用于数据传输线（3）的穿出；所述套筒前段（6）内设置有三边架（10），三边架（10）将套筒前段（6）的横截面平均分为三个区域，孔壁图像采集摄像头（1）为三个，一个孔壁图像采集摄像头（1）设置于一个区域内，三个孔壁图像采集摄像头（1）呈正三角阵型布置，每个孔壁图像采集摄像头（1）的水平可视角度为120°，每个孔壁图像采集摄像头（1）连接一根数据传输线（3）；所述三边架（10）的外周和孔壁图像采集摄像头（1）的外周均设置有LED补光灯（20）；所述加热防雾片（21）设置于三边架（10）上；所述加热防雾片（21）包括金属电热丝和加热电源，金属电热丝缠绕于三边架（10）上，金属电热丝与加热电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，其特征在于：还包括居中器（2），居中器（2）设置于套筒中段（7）的外壁四周，所述居中器（2）包括滑槽（13）、推移斜杆（14）、水平平衡杆（15）推移弹簧（16）和行走滚轮（17）；套筒中段（7）四周各滑槽（13）中部并排设置5个推移弹簧（16），推移弹簧（16）的顶端连接有水平平衡杆（15），水平平衡杆（15）的表面设置有行走滚轮（17），套筒中段（7）的外壁上开设有滑槽（13），推移斜杆（14）为两根，两根推移斜杆（14）对称连接于水平平衡杆（15）两端，推移斜杆（14）一端连接于水平平衡杆（15）的一端，推移斜杆（14）的另一端连接于滑槽（13）中。

3.根据权利要求1所述的一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，其特征在于：套筒底部设置接续螺纹母口，用于连接接续杆（5），每个接续杆（5）顶端为螺纹公口，底端为螺纹母口（11），多个接续杆（5）通过螺纹公口和螺纹母口连接。

4.根据权利要求1所述的一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，其特征在于：所述套筒顶段（8）的形状为锥形，以减小套筒整体的前进阻力，套筒顶段（8）的材质为合金材质，套筒前段（6）的材质为透明耐磨树脂材料。

5.根据权利要求1所述的一种井下钻孔孔壁图像展布仪器，其特征在于：所述套筒直径为20mm，配合居中器（2）可自由进出内径为38~52mm之间的钻孔；所述孔壁图像采集摄像头（1）可调焦距范围适配38~52mm之间的钻孔，焦距通过数据处理台（4）操控。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的一种井下钻孔孔壁图像展布仪器的使用方法，其特征在于：

步骤（1）：将孔壁图像采集摄像头（1）通过数据传输线（3）连接至数据处理台（4），接通电源，开启孔壁图像采集摄像头（1）、LED补光灯（20）和加热防雾片（21），在数据处理台（4）输入本次采集的钻孔内径，使孔壁图像采集摄像头（1）调至相应焦距，调好后固定焦距不变；

步骤（2）：将套筒前段（6）深入钻孔中，将套筒以不大于0.2m/s的速度推入钻孔深处直至钻孔顶端；套筒中段（7）通过居中器（2）使套筒稳定于钻孔中心轴，推入套筒的同时在套筒后段（9）不断增加接续杆（5），在套筒推入过程中，所述孔壁图像采集摄像头（1）随着套筒整体向钻孔深处推进而实时采集的画面通过数据传输线（3）传输至数据处理台（4），采用特征匹配和图像融合技术经过软件处理得到长边与钻孔深度相同的矩形图像，将3个孔壁图像采集摄像头（1）采集的3组矩形图像沿短边依序拼接形成钻孔孔壁360°全长平面展布图；

步骤（3）：将套筒顶段推入钻孔至钻孔顶端时，停止录像；

步骤（4）：将套筒退出钻孔，同时不断拆卸接续杆（5）；

步骤（5）：保存录像，数据处理台（4）处理和拼接后形成钻孔孔壁360°全长平面展布图（22），通过观察全长平面展布图上的断裂黑线的走势来确定裂隙产状，观察断裂黑线的方向和长度来确定裂隙发育情况或水力压裂效果。

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