一种深部地层跟管随钻内窥探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及深部岩层的地质钻探技术领域，具体涉及一种深部地层跟管随钻内窥探测的方法。

背景技术

煤矿是一种对国家生产发展至关重要的自然资源。但如果过度开采，将会形成煤矿采空区及采空积水区，从而引起地质灾害，导致地面沉降、塌陷等，给上方公路、房屋等建设造成隐患，对作业人员的生命安全带来影响。

现有的煤矿采空区探测技术可以分为间接法和直接法两类。其中，间接法主要是重、磁、电、震等地球物理勘探方法，而直接法则包括钻孔事后探测、随钻探测、目标空区扫描等依托于地质钻探的相关技术。

目前，关于地球物理勘探的技术及装备已经比较成熟，但由于深部地下采空区地质条件复杂、井下环境及空区形态未知，要准确获取目标空区的基本情况，仅仅通过间接的地球物理探测还远远不够，还需要研究如何直接进入到空区内实现直观窥视与测量。

发明内容

有鉴于此，针对现有的研究情况，本发明提出的一种深部地层跟管随钻内窥探测装置及探测方法，该方法采用结合视频-激光-声呐相协同的智能探杆，搭载于通用地质钻机钻头后方，以跟管钻进方式进入目标空区，实现“钻+探”一体化实时内窥操作。通过激光扫描和声呐联合作业，对目标空区内部结构进行重构成像，同时能实现目标空区生命探测、井上井下实时通讯。本发明的一种深部地层跟管随钻内窥探测装置，智能钻杆、通缆钻杆、信号放大短节、地面控制器以及地面控制终端；

所述智能钻杆下端连接于跟管钻头上端，智能探杆上端连接所述通缆钻杆，通缆钻杆相互连接至地面；所述信号放大短节间隔设置在通缆钻杆之间；所述通缆钻杆最上端连接地质钻机，地质钻机用于驱动跟管钻头以及上述智能钻杆、通缆钻杆、信号放大短节形成的组合转动，使智能钻杆钻入目标空区；

所述智能钻杆内设有仪器舱，所述仪器舱内设有音频传感器、传感器视频传感器、三维激光雷达传感器、声呐传感器，所述音视频传感器、三维激光雷达传感器、声呐传感器均与所述信号放大短节相连，所述通缆钻杆内设有通讯电缆，所述通讯电缆与地面控制器和地面控制终端依次相连。

进一步地，所述仪器舱内还设有数据采集电路，所述数据采集电路同时与音频传感器、传感器视频传感器、三维激光雷达传感器、声呐传感器相连以及信号放大短节相连，所述数据采集电路用于将音视频传感器、三维激光雷达传感器、声呐传感器采集到的数据保存后传递至地面控制终端。

进一步地，所述仪器舱由透明材质制成，所述仪器舱内还设有雨刷组件，所述雨刷组件用于对仪器舱内壁进行清理，防止仪器舱内壁起雾。

进一步地，所述三维激光雷达传感器对地下空腔内壁发射面阵探测激光，获取地下空腔内壁每一探测点与三维激光雷达传感器距离，从而获取地下空腔三维图像。

进一步地，所述音频传感器为麦克风和扬声器、传感器视频传感器包括具有高清红外线感光功能的摄像头的CDD相机。

进一步地，所述声呐传感器对目标空区内水域发射探测声波，并接收反射回来反射回的声波，计算目标空区内壁各点的距离，从而获取三维图像。

本发明的一种深部地层跟管随钻内窥探测方法，用于上述的深部地层跟管随钻内窥探测装置，该方法包括如下步骤：

S1:将地质钻机移动至目标空区上方；组装好整个探测装置；

S2:地质钻机驱动钻杆，使钻杆钻入至目标空区顶部；

S3:判断目标空区是否充水；并根据目标空区是否充水，选用不同的传感器，探测目标空区的三维图像数据，并将获取的三维图像数据回传至地面控制终端；

S4:地面控制终端通过步骤S3中获取的三维图像数据重构目标空区的三维空间形态。

进一步地，步骤S3中判断目标空区是否充水的过程为：钻杆在钻入目标空区后，钻杆内视频传感器中实时开启，拍摄目标空区图片，并将目标空区图片数据实时发送至地面控制终端，地面控制终端根据音视频传感器拍摄的图片判断目标空区是否充水。

进一步地，步骤S3中选用不同的传感器，探测目标空区的三维图像数据的过程为：

若目标空区未充水，地质钻机带动钻杆转动；钻杆内视频传感器旋转拍摄多张目标空区内图片；所述三维激光雷达传感器旋转扫描，对地下空腔内壁发射面阵探测激光，获取地下空腔内壁每一探测点与三维激光雷达传感器距离，从而获取地多张扫描三维图像数据；

若目标空区未充水，地质钻机带动钻杆升降；所述声呐传感器逐层对目标空区内水域发射探测声波，并接收反射回来反射回的声波，计算目标空区内壁各点的距离，从而获取多张声呐三维图像数据。

进一步地，步骤S4z中地面控制终端重构目标空区的三维空间形态的过程为：

若目标空区未充水，地面控制终端将维激光雷达传感器获取的所有三维图像重构为地下空腔三维空间模型，并通过目标空区内图片的灰度计算出每个二维像素点对应地下空腔内壁到视频传感器的距离数据，利用该距离数据对建立的三维空间模型进行校核，获取高精度的三维空间模型。

若目标空区未充水，地面控制终端将所有声呐三维图像数据重构为地下空腔三维空间模型。

本发明的种深部地层跟管随钻内窥探测装置及探测方法的有益效果为：

(1)与间接探测的地球物理探测技术相比，该装置的探测传感器可跟管随钻内窥探测，能够更好地反映深部地下采空区的复杂地质条件、井下环境及空区形态等基本情况。

(2)该装置的智能钻杆设有多种传感器，可实现地层空区探测成像、井地通讯救援的效果，为应急救援提供了支撑，同时可揭示深部岩层采动运移机制，探明了深部煤矿动力灾害防控机理，为后续工程提供了便利。

(3)该装置传统测井工具比较，设置信号放大短节作为中继节，可进行更深地层的钻探成像，探测的工作范围更广，解决了深部地层测量数据的传输困难问题。

(4)该装置的钻杆上安置的传感器轻便、稳定，在成像技术方面，激光雷达和声呐联合扫描，所得探测数据丰富，探测适应能力强(无水和充水环境均可)，所形成的三维形态更完整、准确，能够更好地反映空区形态、位置，图像可靠性和质量方面也得到了更高保障。

附图说明

图1是本发明实施例一种深部地层跟管随钻内窥探测装置的整体结构示意图。

图2是图1中钻杆的结构示意图。

图3是图2中A处放大图。

图4是本发明一种深部地层跟管随钻内窥探测方法的流程图。

上述图中：1-地层；2-目标空区；3-地质钻机；4-智能钻杆；5-信号放大短节；6-通缆钻杆；7-地面控制器；8-地面控制终端；9-跟管钻头；10-通缆钻杆接头；11-视频传感器；12-三维激光雷达传感器；13-声呐传感器，14-音频传感器，15-仪器舱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图4，一种深部地层跟管随钻内窥探测装置，该装置用于对地层1内的目标空区2进行内窥探测，该装置包括地质钻机3、地面控制器7以及地面控制终端8；目标空区2在地层1内的大致位置预先勘探得知。所述地质钻机3位于所述目标空区2正上方，通缆钻杆6、信号放大短节5、智能钻杆4以及跟管钻头9构成钻杆组件；所述通缆钻杆6顶部设有通缆钻杆接头10，所述通缆钻杆6通过通缆钻杆接头10连接于地质钻机3上；所述智能钻4杆下端连接于跟管钻头上端，智能探杆4上端连接所述通缆钻杆6，通缆钻杆和信号放大短节5均可设置为多节，通缆钻杆相互连接至地面；通缆钻杆和信号放大短节5均可设置为多节时所述信号放大短节间隔设置在通缆钻杆之间；本实施例中，通缆钻杆和信号放大短节5均只有一节，所述智能钻杆4上端通过所述信号放大短节5连接于所述通缆钻杆6下端，所述地质钻机3用于驱动钻杆组件向下钻进，使钻杆组件下端钻入目标空区2。

所述智能钻杆4中下部内设有仪器舱15，仪器舱15由透明材质制成，所述仪器舱15内还设有雨刷组件(雨刷组件未在图中画出)，所述雨刷组件用于对仪器舱内壁进行清理，防止仪器舱内壁起雾。所述仪器舱15内设有音频传感器14、视频传感器13、三维激光雷达传感器12、声呐传感器11，所述音频传感器14、视频传感器13、三维激光雷达传感器12、声呐传感器11均与所述信号放大短节5相连，所述通缆钻杆6内设有通讯电缆，所述通讯电缆与地面控制器7和地面控制终端8依次相连。具体地，所述仪器舱15内还设有数据采集电路，所述数据采集电路同时与述音频传感器14、视频传感器13、三维激光雷达传感器12、声呐传感器11以及信号放大短节5相连，所述数据采集电路用于将音频传感器14、视频传感器13、三维激光雷达传感器12、声呐传感器11采集到的数据保存后通过信号放大短节5传递至地面控制终端。所述信号放大短节5内设有信号放大器，信号放大短节5用于将数据采集电路的信号进行放大，从而使该装置进行更深地层的钻探成像，探测的工作范围更广。

所述音频传感器14为麦克风和扬声器；视频传感器包括具有高清红外线感光功能的摄像头的CDD相机。在该装置在进行地下救援时，所述音频传感器14使地面人员能与地下被困人员进行沟通。所述三维激光雷达传感器12、视频传感器13以及声呐传感器11用于对目标空区进行三维空间探测、获取目标空区的三维空间形态，进而得到目标空区的高精度的三维空间模型。

具体地，所述三维激光雷达传感器12用于目标空区未充水的情况，所述三维激光雷达传感器12对地下空腔内壁发射面阵探测激光，获取地下空腔内壁每一探测点与三维激光雷达传感器12距离，从而获取地下空腔三维图像。所述声呐传感器11用于目标空区充水的情况，所述声呐传感器11对目标空区内水域发射探测声波，并接收反射回来反射回的声波，计算目标空区内壁各点的距离，从而获取三维图像。

本发明还提供一种深部地层跟管随钻内窥探测方法，该方法用于上述的深部地层跟管随钻内窥探测装置，该方法包括如下步骤：

S1:将地质钻机3移动至目标空区2上方；组装好整个探测装置；

S2:地质钻机3驱动钻杆，使钻杆钻入至目标空区2顶部；

S3:判断目标空区是否充水；并根据目标空区是否充水，选用不同的传感器，探测目标空区的三维图像数据，并将获取的三维图像数据回传至地面控制终端；

S4:地面控制终端通过步骤S3中获取的三维图像数据重构目标空区的三维空间形态。

进一步地，步骤S3中判断目标空区是否充水的过程为：钻杆在钻入目标空区后，钻杆内视频传感器13实时开启，拍摄目标空区图片，并将目标空区图片数据实时发送至地面控制终端，工作人员根据地面控制终端8显示的音视频传感器拍摄的图片判断目标空区是否充水。

进一步地，步骤S3中选用不同的传感器，探测目标空区的三维图像数据的过程为：

若目标空区未充水，地质钻机3带动钻杆转动；钻杆内视频传感器13旋转拍摄多张目标空区内图片；所述三维激光雷达传感器12旋转扫描，对地下空腔内壁发射面阵探测激光，获取地下空腔内壁每一探测点与三维激光雷达传感器距离，从而获取地多张扫描三维图像数据；

若目标空区未充水，地质钻机3带动钻杆缓慢下降；所述声呐传感器11逐层对目标空区内水域发射探测声波，并接收反射回来反射回的声波，计算目标空区内壁各点的距离，从而获取多张声呐三维图像数据。

进一步地，步骤S4中地面控制终端重构目标空区的三维空间形态的过程为：

若目标空区未充水，地面控制终端8将维激光雷达传感器12获取的所有三维图像重构为地下空腔三维空间模型，并通过目标空区内图片的灰度计算出每个二维像素点对应地下空腔内壁到视频传感器的距离数据，利用该距离数据对建立的三维空间模型进行校核，获取高精度的三维空间模型。

若目标空区未充水，地面控制终端8将所有声呐三维图像数据重构为地下空腔三维空间模型。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。