CN111077565A

CN111077565A - 地质探测装置

Info

Publication number: CN111077565A
Application number: CN201911382074.5A
Authority: CN
Inventors: 利玄英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明公开了一种地质探测装置，包括：横向伸缩结构、升降结构、旋转组件和超声波探测组件；其中，横向伸缩结构用于使超声波探测组件水平移动以接触钻孔的孔壁；旋转组件用于使超声波探测组件水平旋转；升降结构用于使超声波探测组件上下移动。本发明实施例通过横向伸缩结构能够使超声波探测组件能够水平的接触孔壁，激发信号强度高，方向性及一致性好；超声波探测组件水平旋转能够满足各个角度的地质探测的需求；超声波探测组件上下移动能够满足各个深度的地质探测的需求。

Description

地质探测装置

技术领域

本发明涉及物探勘察技术，尤其是涉及地质探测装置。

背景技术

目前，工程物探常利用弹性波方法探测地质目标(断层、破碎带、软弱夹层等不良地质体)，确定其大小、状态及空间分布特征等性质，为建筑施工、铁路铺设、桥梁搭建、隧道挖掘等工程施工提供重要的指导信息，降低施工风险，加快项目施工进度。工程物探可分为地面法和孔中法。地面法实施较容易，但一般受地表环境影响比较强。而孔中法则是将探测设备放置于井孔或钻孔中，因为测量设备距离待探测地质目标更近，远离地表干扰，所以结果更为可靠。

在工程地质勘查中，地质异常体(岩溶、孤石、裂缝等)的孔中探测方法以管波探测方法为主，但现有方法有以下几个问题：

(1)只能探测井孔附近小区域范围(半径<0.5米)与井孔连通的岩溶、裂缝或软弱夹层；

(2)井孔内必须要有井液填充，没法应用于干的井孔或钻孔(例如隧道超前钻孔等水平孔，以及空气钻钻孔等)；

(3)只能应用于裸眼井段，不能用于套管井中；

(4)只能定性判断地质异常体在井内的深度，没法定量确定地质异常体的具体方位和离井的距离。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种地质探测装置，能够提高地质探测的效率。

本发明的一个实施例提供了一种地质探测装置，适用于岩石或岩土的钻孔，包括：横向伸缩结构、升降结构、旋转组件和超声波探测组件；其中，横向伸缩结构用于使超声波探测组件水平移动以接触开孔的孔壁；旋转组件用于使超声波探测组件水平旋转；升降结构用于使超声波探测组件上下移动。

本发明实施例的地质探测装置至少具有如下有益效果：通过横向伸缩结构能够使超声波探测组件能够水平的接触孔壁，激发信号强度高，方向性及一致性好；超声波探测组件水平旋转能够满足各个角度的地质探测的需求；超声波探测组件上下移动能够满足各个深度的地质探测的需求。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，升降结构为马丁代克。通过马丁代克能够很好的确定当前装置所在的深度，同时也能满足对应的装置上下移动的需求。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，超声波探测组件向外发射输出机械纵波进行地质探测。通过机械纵波的方式进行探测，探测范围更大，效果更好。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，旋转组件包括步进电机、销钉和钩型槽旋转件，步进电机推动旋转件，旋转件在销钉的限制下，使超声波探测组件水平旋转。通过步进电机、销钉和钩型槽旋转件的配合，能够提高水平旋转的精度，更好的服务探测。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，还包括可分离外壳，超声波探测组件设置于可分离外壳内；对应的，步进电机推动旋转件以使可分离外壳带动超声波探测组件水平旋转。通过可分离外壳，能够降低对装置本体的运动影响，提高探测过程的稳定性。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，横向伸缩结构包括设在旋转件底部的顶杆和设置在超声波探测组件上的复位弹簧；对应的，顶杆上下移动，并通过顶杆的斜坡挤压并使超声波探测组件横向伸缩。通过顶杆的斜坡，能够通过简单的结构实现超声波探测组件横向伸缩，可以降低故障可能性，降低装置的成本。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，顶杆设置有卡扣，当顶杆下降到一定高度，则卡扣与所述可分离外壳卡紧，并通过顶杆的转动以使可分离外壳带动超声波探测组件水平旋转。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，地质探测装置采用无磁材料；对应的，还包括用于测量超声波探测组件的朝向角度的磁力仪。通过无磁材料，可以可靠地确定地质探测装置的朝向角度，同时能够应付地下的各种环境，提高设备的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例中地质探测装置的一具体实施例连接示意图；

图2是本发明实施例中地质探测系统的一具体实施例连接示意图；

图3本发明实施例中地质探测装置一具体实施例透视图；

图4本发明实施例中地质探测装置一具体实施例结构示意图；

图5是本发明实施例中地质探测装置的一具体实施例的工作示意图；

图6是本发明实施例中地质探测装置的一具体实施例的工作示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

实施例1。

参照图1，示出了一种地质探测装置，适用于岩石或岩土的钻孔，包括：横向伸缩结构1、升降结构2、旋转组件3和超声波探测组件4；其中，横向伸缩结构1用于使超声波探测组件4水平移动以接触钻孔的孔壁；旋转组件3用于使超声波探测组件4水平旋转；升降结构2用于使超声波探测组件4上下移动。

参照图2，示出了一种地质探测系统，还可以包括控制模块，具体包括数据处理单元5、显示单元6和机械控制单元7，其中，数据处理单元5用于控制超声波探测组件并进行信号的处理，显示单元6用于显示各种数据，机械控制单元7用于操作横向伸缩结构1、升降结构2和旋转组件3。

本发明实施例的地质探测装置至少具有如下有益效果：通过横向伸缩结构能够使超声波探测组件能够水平的接触孔壁，激发信号强度高，方向性及一致性好；超声波探测组件水平旋转能够满足各个角度的地质探测的需求；超声波探测组件上下移动能够满足各个深度的地质探测的需求，本技术方案结构简单且多为机械结构，超声波传播路径上介质极其简单，波阻抗不连续界面最少，因此可以将因结构引起的波形反射投射降到最小化，降低结构引入的波形畸变、衰减、反射折射等杂波干扰。

根据本发明的另一些实施例的地质探测装置，超声波探测组件输出体波以进行地质探测。通过体波的方式进行探测，探测范围更大，效果更好。

如图3所示的地质探测装置的透视图，旋转组件3包括步进电机31、销钉32和钩型槽旋转件33，步进电机推动旋转件，旋转件在销钉的限制下，使超声波探测组件水平旋转。钩型槽旋转件为圆柱形的物体；在其圆周的表面，设置有钩型槽34；钩型槽为多个v型的凹槽连接起来的槽；相对于旋转件，位置固定的销钉匹配钩型槽，当旋转件上下移动时，销钉在v型的凹槽的限制下，使旋转件往左右方向转动，即水平转动；带动超声波探测组件水平旋转。通过步进电机、销钉和钩型槽旋转件的配合，能够提高水平旋转的精度，更好的服务探测。

实施例2。

参照图4，示出了一种地质探测装置，包括：

通信与供电电缆101，控制与驱动电路102，金属外壳103，步进电机104(即升降结构的一部分)，钩型槽旋转件105(即升降结构的另一部分，旋转组件)，伸缩驱动杆106(即横向伸缩结构)，弹簧107和超声波传感器108(隶属于超声波探测组件)。

其中，通信与供电电缆101用于传递数据/信号和提供电力；伸缩控制与驱动电路102用于具体控制步进电机104；金属外壳103用于保护内部的各个组件；步进电机104为驱动源；钩型槽旋转件105为传递结构以旋转超声波传感器108；伸缩驱动杆106用于顶开超声波传感器108；弹簧107用于复位超声波传感器108。可分离外壳109用于容纳超声波传感器108和弹簧107。

电磁波存在干扰模拟信号的风险，对于传统将激发电路、放大/采集电路置于地表的系统，其传输线路存在干扰风险。本发明装置将相关电路全部前置，与超声波传感器一起封装于井下仪器的金属结构中，抗电磁干扰能力强。

具体的地质探测过程包括：

通信与供电电缆101为步进电机104和超声波传感器108供能，并将信号传递给控制与驱动电路102；控制与驱动电路102具体控制步进电机104和超声波传感器108；步进电机104推动钩型槽旋转件105上下移动并旋转超声波传感器108；钩型槽旋转件105带动伸缩驱动杆106并通过斜坡推开超声波传感器108以使其横向移动并接触孔壁。超声波传感器108执行超声波探测。

其中，金属外壳103在探测过程中不动，可分离外壳109转动。

参照图5和图6，示出了地质探测装置工作示意图。

图5为地质探测装置就位，但是未开始工作状态；图4为地质探测装置开始工作状态。

其中，图5包括控制系统(即实际上的操作界面)、马丁代克系统201、通信与供电电缆202、井孔203、地层204、超声波探测仪205、超声波传感器206处于缩紧状态。

图6中，钩型槽旋转件105和伸缩驱动杆106下降，并顶开超声波传感器108使其紧贴孔壁，超声波传感器108发出入射波，入射波碰到异常地质体并返回反射波，超声波传感器108获取反射波并上传。

实施例3。

本实施例的目的在于说明具体的探测流程和原理。

孔中超声波探测仪采用超声波脉冲反射方法获得地质异常体(岩溶、孤石、裂缝等)的空间位置和大小信息。超声波在两种不同声阻抗(声阻抗＝密度X速度)的介质的交界面上会发生反射，反射波的幅度为

其中，ρ₁和ρ₂为两种不同介质的密度，V₁和V₂为两种不同介质的声波速度，I为界面上入射波的幅度，R为反射波的幅度。

反射波幅度的大小与交界面两侧介质的密度和声波速度差异有关，另外反射波到达时间与交界面到超探仪的距离相关。在某一深度，超探仪可以通过旋转超声波传感器测量不同方位角上的超声反射信号，然后对时域声波信号进行偏移成像，获得井孔横截面的成像结构图。将不同深度的数据结合起来就可以获得井孔周围的三维成像结构图。

偏移成像方法：

建立一个地理直角坐标系统xyz，x方向为水平北方向，y方向为水平东方向，z方向为垂直向下方向，坐标系的原点为井孔在地表的中心点。待测量的井孔周围区域的一空间点的成像值定义为：

其中，

为该空间点(x，y，z)到第n个数据d_n测量时传感器的位置(x_n，y_n，z_n)的距离，d_n表示第n个测量的时间序列数据；

为空间点(x，y，z)相对于传感器发射方向的角度，

为传感器发射方向的方位角；

为空间点(x，y，z)产生的反射信号到达传感器的时间，V为地层的声波传播速度(可以通过查表得到)；Δt为数据的时间采样间隔，N为总的数据数目，K为数据叠加时间窗口的半径。

M(x，y，z)的值表示空间点(x，y，z)处产生反射波的强度大小，对井孔周围待探测的区域逐点扫描计算各点的M(x，y，z)值，就可以得到关于M(x，y，z)空间变化的一个三维密度分布图，密度大的区域对应异常地质体的位置。

具体的装置细节和功能原理包括：

超声波传感器采用宽频收发合一的设计，超声波传感器工作频率范围从10kHz到200kHz，具有低频(10-60kHz)和高频(60-200kHz)两种工作模式。超声波在地层中传播时，因为高频信号的波长比低频信号的短，所以高频信号可以探测到更小尺度的地层变化。

然而高频信号要比低频信号衰减的快，所以高频信号能够传播的距离比低频信号的短。因此，低频模式同时适用于低衰减和高衰减地层，在低衰减地层中能够探测更远的距离，但成像分辨率较低。高频模式可以用于低衰减地层中获得高分辨率的成像结构。双频工作模式保证了超探仪能够适用于不同的工程需求。

超声波传感器进行测量时会伸展开来贴紧孔壁，提高超声波能量的穿透效率和对反射波接收的灵敏度，通过步进电机带动钩形槽旋转件，超声波传感器能够同时实现旋转和径向伸缩。本发明中的超声波传感器伸出贴壁时，传感器的发射面与井壁是成九十度垂直状态，更利于超声波信号穿透进入地层。

超探仪与地面控制系统通过电缆连接，控制系统包含数据采集模块、机械操控设置模块和控制电缆收放的马丁代克模块。马丁代克模块通过控制井口的马丁代克系统，使得超探仪在垂直方向上可以上升或者下降移动，操作人员可以任意设置上下移动的距离。

机械操控设置模块控制超探仪在水平面上的转动，根据仪器机械结构的设计，每次可以转动固定的角度(可以转动的固定角度为360°/N，N＝6～72为钩形槽的数目,通过调整钩形槽的数目可以改变每次转动的角度)，仪器通过旋转一周来实现井孔周围全方位的探测。数据采集模块包括信号激发和信号接收两个子模块，分别负责控制超探仪超声波的激发与接收。信号激发子模块产生调制后的特殊编码波形信号(编码信号由若干个不同宽度不同间距的脉冲方波组成)，信号接收模块解调接收到的信号后获得地质体的真实反射信号。

信号激发子模块产生调制后的特殊编码波形信号(编码信号由若干个不同宽度不同间距的脉冲方波组成)，信号接收模块解调接收到的信号后获得地质体的真实反射信号。采集得到的数据可以用下面的数学公式表示：d(t)＝S(t)*R(t)，其中t表示时间，S(t)为超声波源激发的编码波形信号，R(t)为地质体的真实反射信号，d(t)为实际采集到的数据，“*”表示卷积运算。在实验室中将超声波源激发的信号S(t)测量并记录下来，利用已知的S(t)对数据进行反卷积运算，就可以得到地质体的真实反射信号R(t)。在频率域，反卷积运算可以表示为R(ω)＝d(ω)/S(ω)，其中，d(ω)和S(ω)分别为d(t)和S(t)做傅利叶变换后的频率域信号，ω为角频率，得到频率域的R(ω)后，再对R(ω)做反傅利叶变换即可得到时间域的地质体反射信号。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种地质探测装置，适用于岩石或岩土中的钻孔，其特征在于，包括：横向伸缩结构、升降结构、旋转组件和超声波探测组件；其中，

所述横向伸缩结构用于使所述超声波探测组件水平移动以接触所述钻孔的孔壁；

所述旋转组件用于使所述超声波探测组件水平旋转；

所述升降结构用于使所述超声波探测组件上下移动。

2.根据权利要求1所述的地质探测装置，其特征在于，所述升降结构为马丁代克。

3.根据权利要求1所述的地质探测装置，其特征在于，所述超声波探测组件向外发射输出机械纵波进行地质探测。

4.根据权利要求1所述的地质探测装置，其特征在于，所述旋转组件包括步进电机、销钉和钩型槽旋转件，所述步进电机推动所述旋转件，所述旋转件在销钉的限制下，使所述超声波探测组件水平旋转。

5.根据权利要求4所述的地质探测装置，其特征在于，还包括可分离外壳，所述超声波探测组件设置于所述可分离外壳内；对应的，

所述步进电机推动所述旋转件以使所述可分离外壳带动所述超声波探测组件水平旋转。

6.根据权利要求5所述的地质探测装置，其特征在于，所述横向伸缩结构包括设在所述旋转件底部的顶杆和设置在所述超声波探测组件上的复位弹簧；对应的，

所述顶杆上下移动，并通过所述顶杆的斜坡挤压并使所述超声波探测组件横向伸缩。

7.根据权利要求5所述的地质探测装置，其特征在于，所述顶杆设置有卡扣，当顶杆下降到一定高度，则卡扣与所述可分离外壳卡紧，并通过顶杆的转动以使所述可分离外壳带动所述超声波探测组件水平旋转。

8.根据权利要求5所述的地质探测装置，其特征在于，所述地质探测装置采用无磁材料；对应的，

还包括用于测量所述超声波探测组件的朝向角度的磁力仪。