一种钻孔轨迹测量与可视化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种钻孔轨迹测量与可视化系统与方法，该系统包括姿态数据采集设备、密封保护装置、测量设备推进机构、牵引装置和钻孔轨迹可视化软件；该方法包括以下步骤：一、将钻孔轨迹测量设备打开电源开关后塞入钻杆中的注水孔；二、将钻孔轨迹测量设备推入钻杆前端钻头附近；三、使用连接线拽出钻孔轨迹测量设备；步骤四、采用钻孔轨迹可视化软件分析处理数据得到钻孔轨迹；所述推进机构包括水力推进、高压气体推进和钛合金软杆推进这三种。本发明专利技术能准确测量钻孔轨迹，提高钻孔施工质量，保障矿山安全。

A system and method for borehole trajectory measurement and visualization

The invention discloses a borehole trajectory measurement and visualization system and method, which includes attitude data acquisition equipment, sealing protection device, propulsion mechanism of measuring equipment, traction device and visualization software of borehole trajectory. The method includes the following steps: first, the borehole trajectory measurement equipment is opened and plugged into the water injection hole in the drill pipe; second, the borehole trajectory measurement device is set up. Prepare to push into the vicinity of the drill bit at the front end of the drill pipe; 3. Drag out the drill hole trajectory measuring equipment by connecting wires; 4. Use the visualization software of drill hole trajectory to analyze and process the data to obtain the drill hole trajectory; The propulsion mechanism includes hydraulic propulsion, high-pressure gas propulsion and titanium alloy soft rod propulsion. The invention can accurately measure drilling trajectory, improve drilling construction quality and ensure mine safety.

【技术实现步骤摘要】
一种钻孔轨迹测量与可视化系统及方法
本专利技术属于钻孔轨迹测量及可视化
，尤其是涉及一种矿用防尘注水钻机钻孔轨迹测量与可视化系统及方法。
技术介绍
在煤炭采掘业中，钻进技术在煤层基础参数测定、瓦斯抽放、探放水、地质勘探等方面有着非常广泛的应用。实际钻进作业中，由于煤岩体的各向异性、受载状态的复杂性以及施工过程中钻机的操作不规范等问题，一方面容易造成钻头方向难以控制，钻孔轨迹曲率大，钻进阻力大，常常发生掉钻、钻杆折断等问题，另一方面钻孔轨迹偏离设计轨迹严重，达不到预期打钻目标，造成工期延误或探灾、防灾技术效果差。研究钻孔轨迹精确测量、分析及可视化技术，能够提高钻进作业质量，确保钻孔符合设计要求，对于提高煤矿中各类使用钻孔的探灾、防灾技术措施的效果，减少事故及保障煤矿的安全生产，都具有重要的意义。目前，矿井常用的随钻测斜的钻孔轨迹测量技术受钻杆快速旋转和井下磁环境的影响，使用条件苛刻、测量精度较低，难以满足现场钻孔轨迹的测量要求。因此，现如今缺少一种尺寸较小，精度较高，且能够将装置直接送入钻孔内部，并对钻孔轨迹直接进行测量并可视化的系统及方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种钻孔轨迹测量与可视化系统，其测量精度高、使用方便、尺寸较小、功耗较低，能够在钻孔完成后快速测量钻孔轨迹，从而评估钻孔质量，确保煤矿中各类使用钻孔的探灾、防灾技术措施的效果，保障煤矿安全生产。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种钻孔轨迹测量与可视化系统，包括姿态数据采集设备、密封保护装置、能够推动所述姿态数据采集设备在钻杆注水孔中运动的推进机构、能够将所述姿态数据采集设备由钻杆中拽出的牵引装置、对姿态数据进行分析并可视化的钻孔轨迹可视化软件。所述姿态数据采集设备包括电源模块、姿态数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块；所述电源模块包括能够对设备进行供电的电池及变压模块，所述姿态数据采集模块包括传感器和外部配合使用的一些阻容原件等接插件，所述数据处理模块为主处理器，所述数据存储模块为对姿态数据进行存储的存储设备；所述姿态数据采集模块中的传感器可以为9轴传感器，所述姿态数据采集模块将采集到的数据通过I2C接口传输到数据处理模块，所述数据处理模块通过自带的I2C接口接收姿态数据采集模块发送过来的数据，所述数据存储模块通过SPI接口将数据处理模块发出的姿态数据进行存储。所述密封保护装置包括能够将数据采集设备装入其中的金属保护筒，金属保护筒后端的金属尾翼，方便拽出数据采集设备的连接线，金属尾翼后端有便于固定连接线的连接孔，包裹在金属保护筒周围的橡胶保护套，用于固定橡胶保护套的固定键帽，用于密封的金属盖和橡胶保护盖。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述钻杆为矿用防尘注水钻机使用的钻杆。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述姿态数据采集设备中的传感器可能够分别输出3轴加速度信号、3轴陀螺仪角速度信号、以及3轴磁力信号。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述姿态数据采集设备中的姿态数据采集模块在进行传输时每一帧数据并不是实时传输的，这样可以降低设备的功耗。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述姿态数据采集设备各模块高度集成在宽度不大于20mm的电路板上，使得钻孔轨迹测量设备能够在钻杆中部的孔中运动。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述密封保护装置中的金属保护筒和姿态数据采集设备之间的缝隙可以填充减震橡胶，所述密封保护装置中的金属保护筒和金属盖之间采用螺纹连接，且连接处放置防水密封垫片。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述密封保护装置外观采用流线型设计，便于设备在钻杆中部的孔中运动。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述姿态数据采集设备的推进机构可以包括高压水力推进机构、高压气体推进机构或钛合金软杆这三种机构。上述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，所述姿态数据采集设备牵引装置可以为超高分子量聚乙烯纤维线。同时，本专利技术还公开了一种步骤简单、设计合理且实现方便、检测准确性高、使用效果好的钻孔轨迹测量与可视化方法，该方法包括以下步骤：步骤一、在钻孔施工完毕后，停止从钻杆中部孔洞中向煤层中注水，将钻孔轨迹测量设备打开电源开关后塞入钻杆中的注水孔，其中有金属盖和橡胶保护盖所在的部位在前，金属尾翼和连接孔所在的部位在后。步骤二、将钻孔轨迹测量设备推入钻杆前端钻头附近。步骤三、使用连接线拽出钻孔轨迹测量设备。步骤四、打开钻孔轨迹测量设备的橡胶保护盖和金属保护盖，用数据线将采集到的数据拷贝到电脑中，采用钻孔轨迹可视化软件分析处理数据得到钻孔轨迹。所述步骤二有三种实现方法：(1)采用高压水枪和为水枪提供高压水的高压水泵，通过高压水推动钻孔轨迹测量设备进入钻杆孔前段钻头附近，所述高压水泵通过耐压水管与水枪连接，所述耐压水管上设置有稳压阀；(2)采用高压气枪和为气枪提供压缩气的空气压缩机，通过高压气推动钻孔轨迹测量设备进入钻杆孔前段钻头附近，所述空气压缩机通过充气管与气枪连接，所述充气管上设置有稳压阀；(3)采用钛合金软杆推动钻孔轨迹测量设备进入钻杆孔前段钻头附近。步骤四中的钻孔轨迹计算采用IMU定位算法计算得出姿态数据采集设备在钻杆内部运动的每一个位置，连接各个坐标点即可得出钻孔轨迹。姿态数据采集设备只能在钻杆内部运动，其位置信息能够代表钻杆在煤岩层中的形态，钻杆形态能够代表钻孔轨迹。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、利用已有钻机钻杆设备进行钻孔轨迹测量，测试方便，耗费时间短。2、结构简单、设计合理、数据采集设备能够在钻杆内部自由移动。3、安装布设简便，高压水或高压气推进都可以利用矿上现有设备，投入成本较低。4、钻孔施工完毕后测量钻孔轨迹，姿态数据采集设备不受钻杆运动的干扰，测量精度高。5、采集设备具有数据存储功能，可以方便数据进行存储。6、测量完毕后，钻孔轨迹测量设备可以很容易地从钻杆中被拽出，能够多次使用。综上所述，本专利技术设计合理、使用方便且成本低，能够较为精确地测量钻孔轨迹，保障钻孔施工质量，提高矿井各类使用钻孔的探灾、防灾技术措施的效果，减少事故。下面通过幅图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述：附图说明图1为本专利技术钻孔轨迹测量系统的结构示意图图2为本专利技术中姿态数据采集设备的电路原理图图3为本专利技术钻孔轨迹测量及可视化方法的流程框图附图标记说明：1—姿态数据采集设备；1-1—电源模块；1-2—姿态数据采集模块；1-3—数据处理模块；1-4数据存储模块；1-5—接插件；2—金属保护筒；3—金属尾翼；4—连接线；5—连接孔；6—橡胶保护套；7—固定键帽；8—金属盖；9—橡胶保护盖；10—减震橡胶；11—防水密封垫片；12—钻杆壁，13—煤(岩)层。具体实施方式一种钻孔轨迹测量与可视化系统，包括姿态数据采集设备1、密封保护装置、能够推动所述姿态数据采集设备在钻杆注水孔中运动的推进机构、能够将所述姿态数据采集设备由钻杆中拽出的牵引装置、对姿态数据进行分析并可视化的钻孔轨迹可视化软件。所述姿态数据采集设备包括电源模块1-1、姿态数据采集模块1-2、数据处理模块1-3、数据存储模块1-4；所述电源模块1-1能够对数据采集设备进行供电，所述姿态数据采集模块1-2包括传感器和外部配合使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻孔轨迹测量与可视化系统，其特征在于：包括姿态数据采集设备、密封保护装置、推进机构、牵引装置以及可视化软件；所述姿态数据采集设备包括电源模块、姿态数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块，所述电源模块包括对设备进行供电的电池及变压模块，所述姿态数据采集模块包括传感器以及和外部配合使用的接插件，所述数据处理模块为主处理器，所述数据存储模块对姿态数据进行存储，所述姿态数据采集模块将采集到的数据通过I2C接口传输到数据处理模块，所述数据处理模块通过自带的I2C接口接收姿态数据采集模块发送的数据，所述数据存储模块通过SPI接口将数据处理模块发出的姿态数据进行存储；所述密封保护装置包括用于装入数据采集设备的金属保护筒、位于金属保护筒后端的金属尾翼、用于拽出数据采集设备的连接线、位于金属尾翼后端用于固定连接线的连接孔、包裹在金属保护筒周围的橡胶保护套、用于固定橡胶保护套的固定键帽，用于密封的金属盖以及橡胶保护盖；推进机构推动所述姿态数据采集设备在钻杆注水孔中运动，牵引装置将所述姿态数据采集设备由钻杆中拽出，可视化软件对姿态数据进行分析并可视化钻孔轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种钻孔轨迹测量与可视化系统，其特征在于：包括姿态数据采集设备、密封保护装置、推进机构、牵引装置以及可视化软件；所述姿态数据采集设备包括电源模块、姿态数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块，所述电源模块包括对设备进行供电的电池及变压模块，所述姿态数据采集模块包括传感器以及和外部配合使用的接插件，所述数据处理模块为主处理器，所述数据存储模块对姿态数据进行存储，所述姿态数据采集模块将采集到的数据通过I2C接口传输到数据处理模块，所述数据处理模块通过自带的I2C接口接收姿态数据采集模块发送的数据，所述数据存储模块通过SPI接口将数据处理模块发出的姿态数据进行存储；所述密封保护装置包括用于装入数据采集设备的金属保护筒、位于金属保护筒后端的金属尾翼、用于拽出数据采集设备的连接线、位于金属尾翼后端用于固定连接线的连接孔、包裹在金属保护筒周围的橡胶保护套、用于固定橡胶保护套的固定键帽，用于密封的金属盖以及橡胶保护盖；推进机构推动所述姿态数据采集设备在钻杆注水孔中运动，牵引装置将所述姿态数据采集设备由钻杆中拽出，可视化软件对姿态数据进行分析并可视化钻孔轨迹。2.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，其特征在于，所述姿态数据采集设备中的姿态数据采集模块在进行传输时每一帧数据不是实时传输的，所述姿态数据采集设备各模块高度集成在宽度不大于20mm的电路板上，使得钻孔轨迹测量设备能够在钻杆中部的孔中运动。3.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量与可视化系统，其特征在于，所述密封保护装置外观采...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成武，解北京，艾迪昊，王启飞，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11