CN108301820B - 一种地层钻孔内声波探测装置及其探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地层钻孔内声波探测装置及其探测方法。它包括立设的探测套筒，探测套筒的上端口固定有竖向的连接管，连接管上设有进气管，连接管的上端口设有对其密封的气缸底板，气缸底板上设有气缸，气缸的输出轴上动力连接有与气缸底板平行的气缸顶板，还包括位于气缸顶板上方的夹钳，夹钳的夹钳口中夹持有钢丝绳，钢丝绳依次穿过气缸顶板、气缸底板并伸入连接管中，振动板与气缸底板之间设有与声波频率对应的蓄能弹簧，探测套筒的下端口密封，探测套筒的侧壁设有开口，开口处设有可鼓出的覆膜，探测套筒中装有水，水中置有漂浮的探测盒，探测盒中设有可感应竖向振动的振动探头，还包括与振动探头电线连接的信号采集仪。

Description

一种地层钻孔内声波探测装置及其探测方法
技术领域
本发明属于工程地质声波探测设备技术领域，涉及一种地层钻孔内声波探测装置及其探测方法。
背景技术
按照振动频率的大小，工程地质探测中所采用的振动波可分为地震波、声波、超声波，地震波的频率一般为几赫兹(Hz)-几十赫兹，声波的频率一般为几百赫兹，超声波的频率一般为几十千赫兹(kHz)以上。与地震波探测相比，声波探测有较高的探测精度，与超声波探测相比，声波探测虽然精度较低，但具有探测距离远的优势。目前工程地质振动波探测中，主要采用的是地震波探测和超声波探测，地震波探测主要适用地表浅层，又称为浅层地震波探测，超声波探测主要适用于岩石地层。地震波探测由于是在地表开展，可以采用重锤击板或小型炸药的方式在地表激发振动，超声波探测时可以将探头放入地质钻孔内，运用探头内材料的压电特性，产生和接收超声波。
由于钻孔内空间有限，加上声波的频率要求在几百赫兹左右，目前并没有满足声波探测所需频率范围的钻孔内声波探测装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地层钻孔内声波探测装置及其探测方法。
本发明的目的是这样实现的：一种地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，包括立设的探测套筒，探测套筒的上端口固定有竖向的连接管，连接管上设有进气管，连接管的上端口设有对其密封的气缸底板，气缸底板上设有气缸，气缸的输出轴上动力连接有与气缸底板平行的气缸顶板，还包括位于气缸顶板上方的夹钳，夹钳的一个钳臂上设有吸附另一个钳臂的电磁铁，所述夹钳的夹钳口与气缸顶板间隙配合，夹钳的夹钳口中夹持有钢丝绳，钢丝绳依次穿过气缸顶板、气缸底板并伸入连接管中，所述钢丝绳伸入连接管的一端与连接管中设有的振动板固定连接，所述振动板与气缸底板之间设有与声波频率对应的蓄能弹簧，所述探测套筒的下端口密封，探测套筒的侧壁设有开口，开口处设有鼓出的覆膜，所述覆膜、探测套筒、连接管和气缸底板围合成一个密闭空间，所述探测套筒中装有水，水中置有漂浮的探测盒，探测盒中设有感应竖向振动的振动探头，还包括与所述振动探头电线连接的信号采集仪。
优选地，所述钢丝绳伸入连接管的一端与气缸底板之间设有用于密封的活动闭气圈。
优选地，所述振动板与气缸底板平行。
优选地，所述覆膜为乳胶膜。
优选地，所述气缸的数量为四个，四个所述气缸环形设置在气缸底板上。
优选地，所述气缸的输出轴为阶梯轴，所述气缸顶板上设有与气缸输出轴的小径段对应的定位孔。
优选地，所述钢丝绳通过一钢丝绳夹头夹持在夹钳的夹钳口中。
优选地，所述钢丝绳夹头由黄铜制成。
上述地层钻孔内声波探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将地层钻孔内声波探测装置置于钻孔内；
第二步，通过连接管上的进气管向所述覆膜、探测套筒、连接管和气缸底板围合成的密闭空间充气，使覆膜鼓出并贴附钻孔壁；
第三步，向气缸充气，使气缸顶板、夹钳向上移动，夹钳通过钢丝绳拉动振动板来压缩蓄能弹簧；
第四步，对夹钳的电磁铁断电，使钢丝绳脱离夹钳的夹钳口，蓄能弹簧带动振动板上下运动，引起振动探头竖向振动、钻孔壁横向振动，振动探头将其竖向振动信号发送到信号采集仪，同时，钻孔壁的横向振动向地层内传播，遇到异常地质体时，产生反射波，引起钻孔壁横向突变振动，该突变振动通过覆膜、水传至探测盒，进而引起振动探头的竖向突变振动，振动探头将其竖向突变振动信号发送到信号采集仪，在信号采集仪接收到振动信号曲线中出现异常点，根据异常点的位置计算出时间差，根据时间差和波速确定出异常地质体的位置。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明地层钻孔内声波探测装置利用水的不可压缩性将振动板的竖向振动转变为覆膜对钻孔壁的横向振动，探测异常地质体时，通过本发明对钻孔壁作用一个几百赫兹的振动，振动以波动的形式向测试地层内传播，当声波遇到异常地质体(如砂卵石地层中的大漂石、全风化地层中的坚硬大块石等)时，产生的反射波传回，通过振动探头感应水的振动信号，并将该信号发送到信号采集仪，根据时间差和波速便可确定出异常地质体的位置，由于产生的是声波，在保证一定探测精度的前提下，探测距离比超声波探测距离大大提高。
附图说明
图1为本发明的立面示意图；
图2为本发明中探测套筒的水平截面图；
图3为本发明中气缸底板与气缸的位置示意图图；
图4为本发明中气缸顶板的示意图；
图5本发明探测时与钻孔壁的位置示意图。
附图标记
附图中，1为探测套筒，2为覆膜，3为水，4为振动探头，5为探测盒，6为振动探头导线，7为气缸底板，8为连接管，9为蓄能弹簧，10为振动板，11为进气管，12为气缸，13为气缸进气口，14为气缸顶板，15为夹钳，16为螺丝，17为电磁铁，18为电磁铁供电线，19为钢丝绳，20为钢丝绳夹头，21为活动闭气圈，22钻孔壁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图1-图5，地层钻孔内声波探测装置的一种实施例，包括立设的探测套筒1，探测套筒1的上端口固定有竖向的连接管8，连接管8上设有进气管11，连接管8的上端口设有对其密封的气缸底板7，气缸底板7上设有气缸12，气缸12的输出轴上动力连接有与气缸底板7平行的气缸顶板14，还包括位于气缸顶板14上方的夹钳15，夹钳15的一个钳臂上设有吸附另一个钳臂的电磁铁17，本实施例中，电磁铁17通过螺丝16固定在夹钳15的一个钳臂上，夹钳15的夹钳口与气缸顶板14间隙配合，夹钳15的夹钳口中夹持有钢丝绳19，钢丝绳19依次穿过气缸顶板14、气缸底板7并伸入连接管8中，钢丝绳19伸入连接管8的一端与连接管8中设有的振动板10固定连接，振动板10与气缸底板7之间设有与声波频率对应的蓄能弹簧9，探测套筒1的下端口密封，探测套筒1的侧壁设有开口，开口处设有可鼓出的覆膜2，覆膜2、探测套筒1、连接管8和气缸底板7围合成一个密闭空间，探测套筒1中装有水3，水3中置有漂浮的探测盒5，探测盒5中设有可感应水3振动的振动探头4，还包括与振动探头4电线连接的信号采集仪(未示出)。本实施例中，振动探头4通过振动探头导线6与地表的信号采集仪电线连接。
优选地，钢丝绳19伸入连接管8的一端与气缸底板7之间设有用于密封的活动闭气圈21。
优选地，振动板10与气缸底板7平行。
优选地，覆膜2为乳胶膜。
优选地，气缸12的数量为四个，四个气缸12环形设置在气缸底板7上。
优选地，气缸12的输出轴为阶梯轴，气缸顶板14上设有与气缸12输出轴的小径段对应的定位孔。
优选地，钢丝绳19通过一钢丝绳夹头20夹持在夹钳15的夹钳口中。
优选地，钢丝绳夹头20由黄铜制成。增大了钢丝绳夹头20的摩擦系数，利于夹紧。
上述地层钻孔内声波探测装置的探测方法，包括以下步骤：
第一步，采用绳索将地层钻孔内声波探测装置置于钻孔内；
第二步，采用地表充气泵通过连接管8上的进气管11向覆膜2、探测套筒1、连接管8和气缸底板7围合成的密闭空间充气，使覆膜2鼓出并贴附钻孔壁22；
第三步，通过气缸进气口13向气缸12充气，使气缸顶板14、夹钳15向上移动，夹钳15通过钢丝绳19拉动振动板10来压缩蓄能弹簧9；
第四步，将电磁铁供电线18与地表电源断开来对夹钳15的电磁铁17断电，使钢丝绳19脱离夹钳15的夹钳口，蓄能弹簧9带动振动板10向下运动，压缩振动板10下方的空气，并下压水3和探测盒5，使覆膜2对钻孔壁22产生横向挤压，蓄能弹簧9向上回弹时，覆膜2对钻孔壁22的横向挤压变小，钻孔壁22向钻孔回弹，如此，蓄能弹簧9、振动板10和振动探头4竖向振动，而覆膜2和钻孔壁22横向振动，振动探头4将其竖向振动信号发送到信号采集仪，同时，钻孔壁22的横向振动以声波的频率、以压缩波的形式向地层内传播，遇到异常地质体(如砂卵石地层中的大漂石、全风化地层中的坚硬大块石等)时，产生反射波，传回钻孔壁22，引起钻孔壁22横向突变振动，该突变振动通过覆膜2、水3传至探测盒5，进而引起振动探头4的竖向突变振动，振动探头4将其竖向突变振动信号发送到信号采集仪，在信号采集仪接收到振动信号曲线中出现异常点，根据异常点的位置计算出时间差，根据时间差和波速确定出异常地质体的位置。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，包括立设的探测套筒，探测套筒的上端口固定有竖向的连接管，连接管上设有进气管，连接管的上端口设有对其密封的气缸底板，气缸底板上设有气缸，气缸的输出轴上动力连接有与气缸底板平行的气缸顶板，还包括位于气缸顶板上方的夹钳，夹钳的一个钳臂上设有吸附另一个钳臂的电磁铁，所述夹钳的夹钳口与气缸顶板间隙配合，夹钳的夹钳口中夹持有钢丝绳，钢丝绳依次穿过气缸顶板、气缸底板并伸入连接管中，所述钢丝绳伸入连接管的一端与连接管中设有的振动板固定连接，所述振动板与气缸底板之间设有与声波频率对应的蓄能弹簧，所述探测套筒的下端口密封，探测套筒的侧壁设有开口，开口处设有鼓出的覆膜，所述覆膜、探测套筒、连接管和气缸底板围合成一个密闭空间，所述探测套筒中装有水，水中置有漂浮的探测盒，探测盒中设有感应竖向振动的振动探头，还包括与所述振动探头电线连接的信号采集仪；
所述钢丝绳伸入连接管的一端与气缸底板之间设有用于密封的活动闭气圈，
所述振动板与气缸底板平行。
2.根据权利要求1所述的地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，所述覆膜为乳胶膜。
3.根据权利要求1所述的地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，所述气缸的数量为四个，四个所述气缸环形设置在气缸底板上。
4.根据权利要求1所述的地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，所述气缸的输出轴为阶梯轴，所述气缸顶板上设有与气缸输出轴的小径段对应的定位孔。
5.根据权利要求1所述的地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，所述钢丝绳通过一钢丝绳夹头夹持在夹钳的夹钳口中。
6.根据权利要求5所述的地层钻孔内声波探测装置，其特征在于，所述钢丝绳夹头由黄铜制成。
7.一种权利要求1至6任一项所述的地层钻孔内声波探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将地层钻孔内声波探测装置置于钻孔内；
第二步，通过连接管上的进气管向所述覆膜、探测套筒、连接管和气缸底板围合成的密闭空间充气，使覆膜鼓出并贴附钻孔壁；
第三步，向气缸充气，使气缸顶板、夹钳向上移动，夹钳通过钢丝绳拉动振动板来压缩蓄能弹簧；
第四步，对夹钳的电磁铁断电，使钢丝绳脱离夹钳的夹钳口，蓄能弹簧带动振动板上下运动，引起振动探头竖向振动、钻孔壁横向振动，振动探头将其竖向振动信号发送到信号采集仪，同时，钻孔壁的横向振动向地层内传播，遇到异常地质体时，产生反射波，引起钻孔壁横向突变振动，该突变振动通过覆膜、水传至探测盒，进而引起振动探头的竖向突变振动，振动探头将其竖向突变振动信号发送到信号采集仪，在信号采集仪接收到振动信号曲线中出现异常点，根据异常点的位置计算出时间差，根据时间差和波速确定出异常地质体的位置。
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