三维可视化钻孔成像技术在煤矿井下钻探中的应用研究

马新平

(开滦集团煤业公司，河北 唐山　063000)



三维可视化钻孔成像技术在煤矿井下钻探中的应用研究

马新平

(开滦集团煤业公司，河北 唐山063000)

摘要：三维可视化钻孔成像技术，能够提供钻孔内部影像、钻孔轨迹、结构面及煤岩层厚度等丰富的地质信息，弥补了常规钻探工作的不足。本文介绍了该技术的基本原理及在钱家营矿应用情况和效果，对今后矿井钻孔测量技术的发展提供了有益的借鉴。

关键词：三维可视化；钻孔成像；钻孔轨迹；矿井钻探

1.前言

开滦煤矿始建于1878年，现已普遍进入深部开采阶段，伴随着深部地质条件日趋复杂，井下钻探在地质工作中越来越发挥着重要的不可替代的作用。钻孔取芯是地质工作的传统方法，也是地质工作者获取深部地层信息的最直接的手段。受地质条件、施工工艺和钻探技术手段等客观条件影响，岩芯采取率很多时候并不能很好的满足地质分析的需求。另外，由于煤岩层赋存状况变化、施工工艺等原因，钻孔施工过程中偏离设计轨迹的状况也经常发生，给后期资料的分析带来困难，容易出现钻孔数量越多，越难准确分析煤岩层及构造赋存状态的“怪”现象。开滦集团于2013年开始在钱家营矿开展三维可视化钻孔成像技术立项研究，与武汉长盛煤安科技公司合作，先后在-850主石门、-600西大巷、2875东、-1100轨道山等进行钻孔测量工作，经过2年多的试验研究取得了较好的效果。

2.基本原理

钻孔成像技术依靠光学原理使人们能直接观测到钻孔的内部，从20世纪50年代第一台钻孔照相设备诞生以来，这一技术的发展经历了4个阶段即钻孔照相、钻孔电视、全景成像和三维可视化钻孔成像。三维可视化钻孔成像即数字式全景成像，其创新点在于数字技术的突破，实现了由“看”到“算”的跨越，即实现了察看孔内情况、提供钻孔轨迹的同时能够进行测量、计算和分析，包括计算结构面的产状、岩层和裂隙宽度等，能够对探测结果进行统计分析，并建立数据库。钻孔摄像技术已广泛应用于石油工业、工程地质、岩土工程以及冰川地质等领域，在煤矿井下的应用尚属探索阶段。

2.1 钻孔成像

矿用本安型成像仪主要包括摄像探头、深度计数器和主机，探头内带LED白光发光二极管和摄像机，深度计数器用来记录探头在钻孔内行进的深度。工作过程中摄像光源照明孔壁上的摄像区域，孔壁图像经锥面反射镜变换后形成全景图像(图1)，由摄像机摄取形成数字信号并存储，探头在钻孔内连续行进，便可拍摄到完整的孔壁图像。探头直径Φ24-Φ100多种规格，一般选取小于孔径20mm为宜，探头重量1-5kg，彩色低照度450Lines、0.1Lux、300万像素，分辨率0.1mm，可实现全景摄像；主机大小224mm×180mm×63mm，重量为3kg，可实时显示并处理形成柱状及平面展开图。2.2 钻孔轨迹测量

图1　成像仪设备与探头结构剖面

采用装有磁阻传感器和加速度传感器的数字电子罗盘完成，其安装在无磁成像探头内，通过实时采集钻孔轨迹各个测量点地磁场的X轴、Y轴、Z轴分量和重力加速度X轴、Y轴、Z轴分量，通过对数据的处理可获得不同测点的方位和倾角，其精度为0.1°；深度测量采用深度计数器，它由测量滑轮、光电转角编码器、采集板等组成。在井上完成脉冲距离和罗盘校准，操作时将三角支架安装在孔口，将带有深度计数器的滑轮安装在三角支架的固定座上，使电缆匀速通过测量滑轮，数据上传至主机，视频信号便赋予了深度、方向、倾角等三维数据信息。计算机将这些图像按北东南西的方向顺序展开，即构成具有空间定位的柱状展开图。计数器重量为2.5kg，其精度为0.1mm。

2.3 产状要素测量

经过光学变换，形成的全景图像呈环型状，并发生了一定的扭曲变化，不易被直接观测。因此，一种将全景图像还原成原钻孔形状的逆变换是必要的，这种逆变换可以通过计算机算法来实现，利用特定的处理软件在计算机界面上实现直接测量。

2.3.1 大小计算

利用成像原理，根据像与被测物体之间的对应关系，从钻孔图像中求出被测物体的实际尺寸：

x=x0z/f；y=y0z/f

式中：f—摄像头焦距；

z—摄像头距被测物体的距离；

x、x0—被测物体的高度、被测物体的像高；

y、y0—被测物体的宽度、被测物体的像宽。

2.3.2 产状计算

岩体结构面产状计算，需要知道钻孔的孔径以及岩体上各特征点的深度。以垂直孔为例计算岩体裂隙：与钻孔相交的裂隙，如果与钻孔轴线垂直，则在展开图中为一水平线，裂隙倾角为0°；如果与钻孔轴线平行则为一垂直线，倾角为90°；如果与钻孔轴线斜交(图2)，则形成一正弦或余弦曲线，曲线的幅度为最高点与最低点之间的深度距离h，裂隙平面的倾斜方向为最低点的方位，倾角

α=arctan(h/D)

其中D为钻孔直径。

图2　裂隙倾角计算示意图

3.应用与取得的成果

钱家营矿利用钻孔成像仪，先后在2875东边眼、-1100轨道山、-850主副石门等8个工作面的14个钻孔进行了探测，探测深度累计236m。经过2年多的试验、研究和改进，仪器性能及软件系统已达到稳定可靠。对采集数据进行研究分析，成功的圈定了2875东岩浆岩侵入边界的范围，准确的圈定-850主石门冒落区范围，对-1100轨道山裂隙产状进行测量等。

3.1 能够获取丰富地质信息

3.1.1 直观查看钻孔内部影像

现场可以直观查孔内整体地质情况，也可以在室内通过计算机视频软件反复播放查看，视频右上方动态显示钻孔深度、方位角和倾角等参数。如2875东3#孔可见清晰的岩浆岩捕虏体、方解石脉与气孔构造(图3)。钻孔成像是对孔壁的连续观测，因而可以得到完整的钻孔地层信息，弥补了传统取芯钻进因岩芯采取不足的问题。

图3　2875东3#孔视频截图(孔深7.3m、8.0m和11.3m)

3.1.2 直观显示钻孔轨迹

2875东3#钻孔，设计钻孔方位131°，倾角16°，设置孔口套管5.5m。在分析软件界面用鼠标点击工具栏右上角的钻孔轨迹按钮(图4)，界面左侧为钻孔展开图，中间钻孔轨迹，显示实际方位角平均141°、倾角平均18°。另外，7m以浅由于受铁套管干扰方位角变化较大，数据不可用。对钱家营矿实测的14个钻孔偏斜进行计算，最大垂直偏斜2.1m(-850副石门实验2孔，实测孔深25m)，最大水平偏斜3.8m(-850主石门2#孔，实测孔深23.1m)，25m以内孔深的钻孔重直和水平孔斜达8.4%和16.5%，以上资料表明(表一)，钻孔实际轨迹与孔口测量挂线给定的方位、倾角偏差较大，今后井下钻探开展钻孔轨迹实测意义重大。

图4　2875东3#孔钻孔轨迹

3.1.3 精确测量岩层结构面产状和岩体厚度

打开分析软件，添加钻孔数据库，打开iod文件，设置工程参数(输入钻孔结构参数)，在柱状图上拖动鼠标左键，测量裂隙产状。将鼠标左键停在裂隙的最高点，按下鼠标左键，拖动鼠标到裂隙的最低点，松开左键，裂隙产状信息显示在顶部信息栏内(图5)：

(H：11.282m，D：244.3°)→(H：11.351m，D：357.1°)；

DR：11.282-11.351m，L：6.8cm，倾向119.55°，∠70.68°

表一　钱家营矿钻孔三维成像综合成果表

即：鼠标点击的起点深度为11.282m，起点位置244.3°，终点深度11.351，终点位置357.1°，裂隙倾向119.55°，∠70.68°。

同样，沿裂隙(岩层面)垂直方向拖动鼠标，即可取得裂隙(岩层)宽度数据。

3.2 加快地测工作信息化速度

钻孔全景成像与地理信息平台相结合，由钻探获取的地质资料直接转换为数字信息，省去了传统的钻孔信息编录后再用计算机进行的数字化环节，极大的提高了地质工作者的工作效率，提高了服务生产的效率。

图5　-1100中央轨道山3#钻孔裂隙与出水点

3.3 提高钻探效率

钻孔成像技术利用高分辩率成像技术来表现钻孔孔壁的原位岩性形态，不需取芯即可以清晰地揭示钻孔中地层岩性、层理、裂隙及断层破碎带等地质现象，与比传统钻探取芯鉴定地质层位、判断地质构造，不再需要频繁的拉杆取芯，大大提高了钻进施工效率，降低了勘探成本。

4. 结语

(1)该技术弥补了常规钻探的不足，能够较直观地查看孔内煤岩层结构，对孔内煤岩层及微观地质构造产状的测量，完整地获取钻孔三维柱状图。设备轻便易操作，在今后生产实践中可以部分取代取芯，以提高钻探施工效率，具有较大的推广使用价值。

(2)探测深度受成孔条件影响还有一定的限制。井下钻孔多为倾斜或水平钻孔，由于不能随钻摄像，遇孔内岩粉没排尽或垮孔现象时，探头难于顺利下到孔底。另外，孔壁泥浆影响清晰度、玻璃窗易碎等状况使设备的应用还受到一定的限制。

(3)定量实测表明，煤矿井下钻探受软岩、构造及施工工艺等因素影响，既使浅孔钻孔轨迹也存在一定的偏斜，今后钻探施工过程中应注意做好定向工作，同时应大力推广钻孔轨迹测量技术的应用，不断提高钻探成果精度从而更好地指导生产。

(4)煤矿地质工作者今后应继续加大与科研院所的合作，借鉴吸收石油等其它行业先进的测井技术，并将钻探技术与物理测井相结合，以获取更多的地质信息，如探测钻孔轨迹周围岩层的含水性、探测顺煤层钻孔物理参数反演煤层厚度变化等等。

参考文献：

[1]王川婴，葛修润，白世伟.数字式全景钻孔摄像系统研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21(3)：398-403

[2]王川婴，LAW K Tim.钻孔摄像技术的发展与现状[J].岩石力学与工程学报，2005，24(19)：3440-3448

[3]唐军.YHQ- X 型全方位钻孔测斜仪在煤矿地质超前钻探中的应用[J].煤炭技术，2007，10(26)：96-97

[4]刘福权.全景式钻孔电视成像技术在钻孔编录中的应用研究[J].岩土工程界，2008，11(11)：70-73

The Application of 3D Visualization Borehole Camera Technology in Underground Mine Drilling

MA Xin-ping

(Kailuan Group Coalmining Company, TangshanHebei, 063000)

Abstract：The article introduces the principle of 3D visualization borehole camera technology and the application in Qianjiaying Coalmine. The technology can make up the deficiency of the traditional drilling work, providing abundant geologic information such as borehole internal images, occurrence of structure plane and thickness of rock. It will provide beneficial reference for the technology of underground mine drilling measurement in the future.

Key words:3D visualization; borehole camera; borehole trajectory; underground mine drilling

作者简介：马新平(1972- )，男，大学，开滦集团煤业公司工程师，研究方向：矿井地质。

收稿日期：2015-09-24

中图分类号：TD76

文献标识码：A

文章编号：1671-3974(2015)04-0068-04