CN113323654A - 一种工程勘察勘探数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工程勘察勘探数据采集系统及方法，其系统包括绞车、电磁感应装置、锤击数计量装置、贯入深度测量装置和综合控制仪；绞车上设有排线器，吊绳穿过定滑轮并通过排线器缠绕在绞车的滚筒上，滚筒的侧壁上设有计量滚轮以及光电传感器探头组，吊绳上设有拉力传感器；电磁感应装置包括闭合螺线圈和磁铁，闭合螺线圈固定安装在钻孔的孔口处，磁铁安装在穿过闭合螺线圈的钻具的岩心管末端。锤击数计量装置包括接近传感器，接近传感器固定在钻具的钻杆上；贯入深度测量装置包括计米轮和弹簧，计米轮通过弹簧铰接在钻孔的孔口并紧贴于钻杆，计米轮内配置有拉绳式位移传感器。本发明可以精准、方便的获取工程勘察勘探数据。

Description

一种工程勘察勘探数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及数据采集领域，具体涉及一种工程勘察勘探数据采集系统及方法。

背景技术

从人类社会发展到各行各业的进步，都离不开其工具、设备的创新。岩土工程勘察行业作为工程建设的五方责任主体之一，其本身属于技术服务行业。具体而言，岩土工程勘察行业所做的实质性工作是揭露场地岩土工程、工程地质、水文地质等条件，为后期设计及施工提供工程建设所需的第一手资料。钻探是最为常用的岩土工程勘察手段，因此对于岩土工程勘察行业，钻探机具的发展水平，很大程度上决定了岩土工程勘察报告的准确、客观性，进而影响工程建设的设计和施工的科学合理性。但是由于多种因素的影响，导致岩土工程勘察行业的最常用的钻机发展水平严重滞后于当今社会科学技术水平。

目前全国也仅有几家大型的勘察单位开始着眼于勘察钻机的发展创新上，但是由于勘察单位的人员极少拥有机械、自动化等专业背景导致目前勘察钻机的技术水平，并未发生明显的提高；而对于工程设备厂家，由于业务市场等需求，他们将主要的研发精力都放在了诸如旋挖钻机、吊车设备等大型施工机械，对岩土工程勘察所使用的小型钻机及其使用工况的考虑微乎其微甚至全无。这两个方面造成工程勘察钻机技术水平过低，存在着大量易出错的问题，甚至是可以造假的空间，对工程勘察一手资料的准确、客观性产生了极为不利的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工程勘察勘探数据采集系统及方法，可以精准、方便的获取工程勘察勘探数据。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种工程勘察勘探数据采集系统，工程勘察勘探数据采集系统用于采集钻机在钻孔过程中的工程勘察勘探数据，所述钻机包括定滑轮、吊绳、提引器和钻具，所述工程勘察勘探数据采集系统包括绞车、电磁感应装置、锤击数计量装置、贯入深度测量装置和综合控制仪；

所述绞车上设有排线器，所述定滑轮固定在所述钻机的轨杆顶部，所述钻具通过所述提引器固定在所述吊绳的一端，且所述吊绳穿过所述定滑轮并通过所述排线器缠绕在所述绞车的滚筒上，所述滚筒的侧壁上设有用于测量滚筒转动角度的计量滚轮以及用于判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数的光电传感器探头组，所述吊绳上设有用于测量吊绳拉力的拉力传感器，所述计量滚轮、所述光电传感器探头组以及所述拉力传感器均与所述综合控制仪通信连接；

所述电磁感应装置包括闭合螺线圈和磁铁，所述闭合螺线圈固定安装在钻孔的孔口处，且所述闭合螺线圈的圈口正对所述钻孔的孔口，所述闭合螺线圈与所述综合控制仪通信连接，所述磁铁安装在穿过所述闭合螺线圈的所述钻具的岩心管末端；

所述锤击数计量装置包括接近传感器，所述接近传感器固定在所述钻具的钻杆上且位于标贯锤下方，所述接近传感器与所述综合控制仪通信连接；

所述贯入深度测量装置包括计米轮和弹簧，所述计米轮通过所述弹簧铰接在所述钻孔的孔口并紧贴于所述钻杆，所述计米轮内配置有拉绳式位移传感器，所述拉绳式位移传感器与所述综合控制仪通信连接。

本发明的有益效果是：本发明一种工程勘察勘探数据采集系统通过在绞车上设置排线器，可以将吊绳规则的缠绕在滚筒上；同时，通过计量滚轮和光电传感器探头组，可以巧妙地将钻具的连续线位移测量，转换为绞车的滚筒转动位移测量，而转动位移的测量相比于连续线位移测量要容易的多，因而可以很容易的测出钻孔深度。另外，本发明利用电磁感应原理，可以判断钻具是否被全部提拉出钻孔；当钻具的岩心管末端上的磁铁通过钻孔孔口的闭合螺线圈时，因电磁感应原理，闭合螺线圈会产生瞬时电流，通过瞬时电流可以触计量滚轮停止记录滚筒的转动角度，钻孔深度测量结束，数据采集便捷。而由于卷扬在提拉钻具的过程中，绞车会有很多复杂无效或刻意而为的无效转动，此无效转动并不能有效提拉钻具(即，滚筒虽然在转动，但是钻具并没有被提升)，因此计量滚轮在滚筒无效转动过程中测量到的转动角度并不能计入计算钻孔深度的有效转动角度中；本发明基于卷扬在提拉钻具的整个过程中吊绳拉力的变化是有规律可循的这一特点，利用吊绳上的拉力传感器实时测量吊绳的拉力，可以判断出吊绳是否在有效提拉钻具，利用吊绳在有效提拉钻具时计量滚轮测量的滚筒的有效转动角度计算出吊绳的有效位移，即为钻孔深度，避免了数据造假，保证工程勘察勘探数据采集的精准性。接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件，它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，接近传感器性能可靠，且对仪器本身损耗小。在实施标贯试验时，将计米轮紧贴于钻具的钻杆，每次贯入的深度可以转换为计米轮的转动的圈数，这个方案不仅可以记录钻具每次贯入的深度，也可校验上述接近传感器所记录的锤击数。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述光电传感器探头组包括多个光电传感器探头，各个所述光电传感探头分别与所述滚筒上缠绕的各层吊绳一一对应。

进一步，还包括夹持器平台，所述夹持器平台固定在钻孔的孔口处，所述闭合螺线圈安装在所述夹持器平台上，所述计米轮通过所述弹簧铰接在所述夹持器平台上。

进一步，所述锤击数计量装置还包括底托，所述接近传感器通过所述底托固定在所述钻具的钻杆上。

进一步，所述通信连接具体为无线通信连接。

进一步，所述工程勘察勘探数据采集系统还包括手持颜色传感器，所述手持颜色传感器与所述综合控制仪通信连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用颜色传感器自动识别岩心土样颜色，相对于现场编录人员通过肉眼主观描述颜色，具有更高的颜色识别精，避免人为数据造假。

基于上述一种工程勘察勘探数据采集系统，本发明还提供一种工程勘察勘探数据采集方法。

一种工程勘察勘探数据采集方法，利用上述所述工程勘察勘探数据采集系统进行工程勘察勘探数据采集，所述工程勘察勘探数据包括钻孔深度数据、锤击次数数据和贯入深度数据；

所述钻孔深度数据的采集包括如下步骤，

在回次钻进完成后，从吊绳开始提拉钻具直至将钻具全部提拉出钻孔的过程中，利用计量滚轮记录绞车的滚筒转动的角度，以及利用光电传感器探头组判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数，且当钻具全部被提拉出钻孔的瞬间，使计量滚轮停止记录滚筒转动的角度；

在吊绳提拉钻具的过程中，利用拉力传感器实时测量吊绳上的拉力数据，通过实时的所述拉力数据判断吊绳是否在有效提拉钻具；

在回次钻进完成后，且吊绳有效提拉钻具的过程中，根据计量滚轮记录的绞车的滚筒转动的有效角度，以及光电传感器探头组判断出的当前滚筒上缠绕的吊绳层数，计算得到吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量，吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量即为钻孔深度数据；

其中，钻具被全部提拉出钻孔的判断依据为，当闭合螺线圈产生瞬间电流时，判断钻具被全部提拉出钻孔；且通过所述闭合螺线圈产生的瞬间电流触发计量滚轮停止记录滚筒转动的角度；

所述锤击次数数据的采集包括如下步骤，

利用锤击数计量装置采集所述锤击次数数据；

所述贯入深度数据的采集包括如下步骤，

利用贯入深度测量装置采集所述贯入深度数据。

本发明的有益效果是：本发明一种工程勘察勘探数据采集方法通过在绞车上设置排线器，可以将吊绳规则的缠绕在滚筒上；同时，通过计量滚轮和光电传感器探头组，可以巧妙地将钻具的连续线位移测量，转换为绞车的滚筒转动位移测量，而转动位移的测量相比于连续线位移测量要容易的多，因而可以很容易的测出钻孔深度。另外，本发明利用电磁感应原理，可以判断钻具是否被全部提拉出钻孔；当钻具的岩心管末端上的磁铁通过钻孔孔口的闭合螺线圈时，因电磁感应原理，闭合螺线圈会产生瞬时电流，通过瞬时电流可以触计量滚轮停止记录滚筒的转动角度，钻孔深度测量结束，数据采集便捷。而由于卷扬在提拉钻具的过程中，绞车会有很多复杂无效或刻意而为的无效转动，此无效转动并不能有效提拉钻具(即，滚筒虽然在转动，但是钻具并没有被提升)，因此计量滚轮在滚筒无效转动过程中测量到的转动角度并不能计入计算钻孔深度的有效转动角度中；本发明基于卷扬在提拉钻具的整个过程中吊绳拉力的变化是有规律可循的这一特点，利用吊绳上的拉力传感器实时测量吊绳的拉力，可以判断出吊绳是否在有效提拉钻具，利用吊绳在有效提拉钻具时计量滚轮测量的滚筒的有效转动角度计算出吊绳的有效位移，即为钻孔深度，避免了数据造假，保证工程勘察勘探数据采集的精准性。接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件，它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，接近传感器性能可靠，且对仪器本身损耗小。在实施标贯试验时，将计米轮紧贴于钻具的钻杆，每次贯入的深度可以转换为计米轮的转动的圈数，这个方案不仅可以记录钻具每次贯入的深度，也可校验上述接近传感器所记录的锤击数。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，利用光电传感器探头组判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数的具体方法为，

若与滚筒上缠绕的第n层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离为整个滚筒的长度，且与滚筒上缠绕的第n-1层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离小于或等于整个滚筒的长度减去吊绳的直径，则判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数为n-1层。

进一步，计算吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量的具体公式为，

L＝(rad·d/D)·[A+a+(n-1)·3^0.5a]/2；

其中，L为吊绳绕滚筒转动的位移，rad为计量滚轮记录的绞车的滚筒有效转动的角度，A为滚筒的直径，a为吊绳的直径，D为滚筒侧壁的高度，d为计量滚轮的直径，n为当前滚筒上缠绕的吊绳层数。

进一步，所述工程勘察勘探数据还包括岩心土样颜色数据，利用带有手持颜色传感器的所述工程勘察勘探数据采集系统进行所述岩心土样颜色数据的采集，并将采集的所述岩心土样颜色数据传输至综合控制仪。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用颜色传感器自动识别岩心土样颜色，相对于现场编录人员通过肉眼主观描述颜色，具有更高的颜色识别精确性，避免人为的数据作假。

附图说明

图1为本发明一种工程勘察勘探数据采集系统的结构示意图；

图2为光电传感器探头组确定滚筒上缠绕吊绳层数的示意图；

图3为提拉主动钻杆时滚筒转动角度随时间的变化曲线示意图；

图4为提拉从动钻杆时滚筒转动角度随时间的变化曲线示意图；

图5为吊绳拉力与提钻时长的关系简图；

图6为本发明一种工程勘察勘探数据采集方法中钻孔深度数据采集的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、综合控制仪，2、定滑轮，3、提引器，4、吊绳，5、滚筒，6、排线器，7、光电传感器探头组，8、计量滚轮，9、拉力传感器，10、闭合螺线圈，11、磁铁，12、岩心管，13、接近传感器，14、钻杆，15、标贯锤，16、底托，17、计米轮，18、弹簧，19、手持颜色传感器，20、钻头，21、夹持器平台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种工程勘察勘探数据采集系统，工程勘察勘探数据采集系统用于采集钻机在钻孔过程中的工程勘察勘探数据，所述钻机包括定滑轮2、提引器3、吊绳4和钻具，其中，钻具包括钻杆14、岩心管12和钻头20；所述工程勘察勘探数据采集系统包括绞车、电磁感应装置、锤击数计量装置、贯入深度测量装置和综合控制仪1；所述绞车包括滚筒5，所述绞车上设有排线器6，所述定滑轮2固定在所述钻机的轨杆顶部，所述钻具通过所述提引器3固定在所述吊绳4的一端，且所述吊绳4穿过所述定滑轮2并通过所述排线器6缠绕在所述绞车的滚筒5上，所述滚筒5的侧壁上设有用于判断当前滚筒5上缠绕的吊绳层数的光电传感器探头组7以及用于测量滚筒转动角度的计量滚轮8，所述吊绳4上设有用于测量吊绳拉力的拉力传感器9，所述光电传感器探头组7、所述计量滚轮8以及所述拉力传感器9均与所述综合控制仪1通信连接；

所述电磁感应装置包括闭合螺线圈10和磁铁11，所述闭合螺线圈10固定安装在钻孔的孔口处，且所述闭合螺线圈10的圈口正对所述钻孔的孔口，所述闭合螺线圈10与所述综合控制仪1通信连接，所述磁铁11安装在穿过所述闭合螺线圈10的所述钻具的岩心管12末端；

所述锤击数计量装置包括接近传感器13，所述接近传感器13固定在所述钻具的钻杆14上且位于标贯锤15下方，具体的，所述接近传感器13通过底托16固定在所述钻具的钻杆14上，所述接近传感器13与所述综合控制仪1通信连接；

所述贯入深度测量装置包括计米轮17和弹簧18，所述计米轮17通过所述弹簧18铰接在所述钻孔的孔口并紧贴于所述钻杆14，所述计米轮17内配置有拉绳式位移传感器，所述拉绳式位移传感器与所述综合控制仪1通信连接。

具体的，本发明还包括夹持器平台21，所述夹持器平台21固定在钻孔的孔口处，所述闭合螺线圈10安装在所述夹持器平台21上，所述计米轮17通过所述弹簧18铰接在所述夹持器平台21上。

优选的，所述通信连接具体为无线通信连接。综合控制仪1与各类传感器以及器件采用无线通信的方式连接，可以避免布线的麻烦，现场布局方便且整洁。例如，可以在综合控制仪1、光电传感器探头组7、计量滚轮8、拉力传感器9、闭合螺线圈10、接近传感器13、计米轮17和手持颜色传感器19上配设相关的无线通信模块来实现数据的无线传输。

基于以上一种工程勘察勘探数据采集系统的具体结构，以下对各数据采集进行具体解释说明。

钻孔深度数据采集：

目前岩土工程勘察行业所采用的旋转钻机的提钻方式为由绞车转动使末端吊有提引器3的吊绳4绕滚筒5缠绕，使提引器3提起钻具(钻具包括多根钻杆14+一根岩心管12+一个钻头20，其中，多根钻杆14依次连接构成一个长的钻杆，然后岩心管12固定在位于最底端的钻杆14的末端，岩心管12末端还设有钻头20，钻头20通过磁铁11固定在岩心管12末端)。各回次对应的钻孔深度即为孔中钻具(多根钻杆+一根岩心管+钻头)的总长。通过量测提钻时提出了钻具的长度，即可获取当前回次完成时的钻孔深度。其中，回次是指在钻孔施工中，每一次将钻具下至孔底进行钻进直至钻进完毕将钻具从孔内全部提出地面，这样一个作业循环，称为一个回次；当然钻孔施工的最后一个回次末的对应的孔深即为终孔深度。

因某一钻探回次完成后，司钻员需将钻具通过吊绳4提拉出钻孔至孔口，而吊绳4的动力源为距离孔口较近的司钻员触手可及的绞车，吊绳4缠绕在绞车的滚筒5上，绞车的滚筒5转动带动缠绕在滚筒5上的吊绳4上下运动，因此吊绳4上下移动的量可以用滚筒5的转动量表示。简单来说，吊绳4上某一点的位移量X等于其缠绕圆的直径和其缠绕圆所转过的角度的乘积。

因此，可以通过测量吊绳4绕滚筒5缠绕形成缠绕圆的直径以及该缠绕圆绕过的角度来计算吊绳上某一点的线位移。

由于绞车的宽度较窄，缠绕在滚筒5上的一层吊绳不能够满足要求，往往需要多层吊绳，为了解决此问题，可以采用两种方案，其一是通过将绞车宽度加宽或加粗，使长度满足使用需求的吊绳4以单层的形式缠绕在滚筒5上，其二是在不改变现有绞车结构的情况下，使长度满足使用需求的吊绳4以多层的形式缠绕在滚筒5上。本发明为了避免对绞车的改进，选用在不改变现有绞车结构的情况下，使长度满足使用需求的吊绳4以多层的形式缠绕在滚筒5上的技术方案。

由于滚筒5上各层吊绳4形成的缠绕圆的直径各不相同，例如，第1层吊绳的缠绕圆的直径为A+a，第2层吊绳的缠绕圆的直径为A+a+3^0.5a，第3层吊绳的缠绕圆的直径为A+a+2*3^0.5a，第4层吊绳的缠绕圆的直径为A+a+3*3^0.5a，依次类推，第n层吊绳的缠绕圆的直径为A+a+(n-1)3^0.5a；其中，A为滚筒的直径，a为吊绳的直径，第n层吊绳的缠绕圆是第n层吊绳的中心缠绕形成的圆。由于第1层吊绳是直接缠绕在滚筒上的，所以第1层吊绳的缠绕圆直径为A+a；第2层吊绳是缠绕在第1层吊绳上的，且第2层吊绳的上的某一圈位于第1层吊绳的相邻两圈之间的且相切(错位缠绕)，由此通过圆的特性以及勾股定理可以得到第2层吊绳的中心与第1吊绳中心之间的高为3^0.5a/2(相当于第1层吊绳的缠绕圆与第2层吊绳的缠绕圆之间的距离)，所以第2层吊绳形成的缠绕圆相对于第1层吊绳形成的缠绕圆的直径增加了3^0.5a，因此，第2层吊绳的缠绕圆的直径相对于第1层吊绳的缠绕圆的直径增加了3^0.5a，依次类推。

因此，为了保证计算结果的准确性，需要知道当前滚筒上缠绕有多少层吊绳。本发明为了确定当前滚筒上缠绕有多少层吊绳所采用的方案为：在滚筒5侧壁上设置光电传感器探头组7，所述光电传感器探头组7包括多个光电传感器探头，各个所述光电传感器探头分别与所述滚筒上缠绕的各层吊绳一一对应。

通过光电传感器探头组确定滚筒上缠绕吊绳层数的原理如图2所示。

若在滚筒5上仅仅缠绕了一层吊绳，则与该层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离小于或等于整个滚筒5的长度减去吊绳4的直径，且与第2层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离为整个滚筒的长度。

再例如，若在滚筒5上缠绕了两层吊绳，则与该层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离小于或等于整个滚筒5的长度减去吊绳4的直径，且与第3层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离为整个滚筒的长度。

本发明只需判断滚筒上相邻两层吊绳对应的光电传感器探头测量得到的数据的相异性，即可确定滚筒上缠绕的吊绳的层数。若滚筒上相邻两层吊绳对应的光电传感器探头测量得到的数据不一致，即可将该相邻两层吊绳中的低层吊绳所处的层数确定为滚筒上缠绕的吊绳的层数。

需要说明的是，本发明所采用的光电传感器探头实际上是一种测距传感器，例如激光测距传感器，其可以精确的测量出发射点与反射点之间的距离。

由于处于不同层上的吊绳，其缠绕圆的直径各不相同，因此在通过测量吊绳4绕滚筒5缠绕形成缠绕圆的直径以及该缠绕圆绕过的角度来计算吊绳4上某一点的线位移时，可以将吊绳4绕滚筒5缠绕形成缠绕圆的直径转换成当前滚筒5上缠绕吊绳4的层数来表示。通过推算，吊绳4绕滚筒5转动的位移与滚筒5转动的角度以及当前滚筒5上缠绕的吊绳层数之间的关系为，

L＝(rad·d/D)·[A+a+(n-1)·3^0.5a]/2；

其中，L为吊绳4绕滚筒5转动的位移，rad为计量滚轮8记录的滚筒5有效转动的角度，A为滚筒5的直径，a为吊绳4的直径，D为滚筒5侧壁的高度，d为计量滚轮8的直径，n为当前滚筒5上缠绕的吊绳层数。

例如：

当绞车的滚筒5上缠绕的吊绳4为1层时，吊绳4绕滚筒5转动的位移可用计量滚轮8转动的角度rad来表示，计算公式为：

L₁＝(rad·d/D)·(A+a)/2；

当绞车的滚筒5上缠绕的吊绳4为2层时，吊绳4绕滚筒5转动的位移可用计量滚轮8转动的角度rad来表示，计算公式为：

L₂＝(rad·d/D)·(A+a+3^0.5a)/2；

当绞车的滚筒5上缠绕的吊绳3为3层时，吊绳4绕滚筒5转动的位移可用计量滚轮8转动的角度rad来表示，计算公式为：

L₃＝(rad·d/D)·(A+a+2×3^0.5a)/2；

依次类推。

记录吊绳4的线性位移时候，在滚筒5连续转动的角度中，当前滚筒上缠绕的吊绳4的层数可能由n层变化为n-1层，因此应根据光电传感器探头组测量的实际情况自动切换各层对应的计算公式。

本发明通过在滚筒5侧壁上设置计量滚轮8和光电传感器探头组7，可以巧妙地将钻具的连续线位移测量，转换为绞车的滚筒5的转动位移测量，而转动位移的测量相比于连续线位移测量要容易，因而通过本发明可以很容易的测出钻孔深度。

另外，需要说明的是，由于滚筒5上缠绕的吊绳4不止一层，且容易缠乱，因此本发明首先需要通过排绳器6将吊绳规则地缠绕在滚筒5上。

因勘察作业过程中需要用吊绳完成的工作太多，滚筒5会有很多复杂无效或刻意而为的无效转动，此无效转动并不能有效提拉钻具(即，绞车虽然在转动，但是钻具并没有被提升)，所以计量滚轮8在滚筒5无效转动过程中测量到的转动角度并不能计入计算钻孔深度的有效转动角度中；所以本申请在计算孔深时，只需采用滚筒5的实转角度(即有效转动的角度)；因此，为了尽可能的排除额外干扰，必须给计量滚轮8一定的触发条件，触发条件的发出，可以通过在综合控制仪1上设置触发档位实现，例如主动档位、空档位和从动档位。

当提引器3卡住主动钻杆(钻杆14最顶端的一段钻杆)顶端，并紧接着进行提钻动作的间歇设置一个司钻员触发主动档位的动作。当司钻员触发主动档位，计量滚轮8开始介入，并记录如图3所示的滚筒5转动角度随时间的变化曲线，提钻过程中，上提正转角度增加，下放反转角度减少。

图3中的曲线中有5段，其中：

1)第1段为液压缸和绞车一起工作；

2)第2段为液压缸竖杆已提到最上方，司钻员操作，使液压缸退出工作，转至第3段；

3)第3段，绞车独自工作提升主动钻杆使其末端高出孔口处夹持器平台21一定高度；

4)第4段为工人做卡，吊绳4下放使主动钻杆末端至夹持器平台21上，至此段末主动钻杆已恰好提出孔口夹持平台21；

5)在第5段线段，工人拆卸主动钻杆，时间一般需5s～10s。在此阶段，司钻员将模式切换至空挡状态，计量滚轮8记录第5段线段状态时的转动角度Jz。

在从第一段线段状态动作直至达到第5段线段状态的过程中，根据吊绳4缠绕滚筒5上的层数选择对应公式计算主动钻杆长度Lz。

在主动钻杆提拉完毕之后，此后将提拉位于主动钻杆下一节的第一节从动钻杆，当提引器3卡住第一节从动钻杆顶端，并紧接着进行提钻动作的间歇设置一个司钻员触发从动档位的动作。此后连续的从孔中提出从动钻杆，提拉从动钻具时滚筒5转动角度随时间的变化曲线如图4所示。

在图4的曲线中：

1)第1段线段为提升从动钻杆使其末端高出孔口夹持器平台21一定高度；

2)第2段线段为工人做卡，吊绳4下放使从动钻杆末端至夹持器平台21上，至第2段线段末，第一根从动钻杆已恰好提出孔口夹持器平台21；

3)第3段线段，工人拆卸第一根从动钻杆，时间一般需5s～10s；

4)第4段线段，工人将上端连接着提引器3的第一节钻杆下放拉平(滚筒反转)，并放置到周边地面，此段线段一般会使累计的滚筒5转动角度为负；

5)第5段线段，工人操作使得提引器3与第一根钻杆顶端脱离，滚筒5在此阶段不转动，且此阶段时间约1～3s左右；

6)此后，工人将提引器3与第二节从动钻杆顶部连接，滚筒5转动提拉吊绳4，但此时吊绳4可能处于松弛状态，所以在提拉第二节从动钻杆的过程中，首先是将吊绳4拉紧，然后就是拉起第2节从动钻杆的过程，这个过程滚筒5的转动情况可由第6段曲线表示。

此后依次类推，至最后一节从动钻杆(带有岩心管12和钻头20)恰巧提出夹持平台21，闭合螺线圈10因电磁感应产生的电流自动触发模式至空档位，计量滚轮8关闭。在整个提拉从动钻具的过程中，需要记录提拉各节从动钻杆时，计量滚轮8测量得到的滚筒5的转动角度Jci，i＝1,2,3…n，Jci为提拉第i节从动钻杆时，计量滚轮8测量得到的滚筒5的转动角度，n为从动钻杆的总节数。Jci的记录均为滚筒5累计转动角度归零后的一个经历了一个大角度正转和小角度反转后保持不动5s以上的角度，提钻过程中，上提正转角度增加，下放反转角度减少。

在提拉完成一节从动钻杆的过程中，根据吊绳4缠绕在滚筒5上的层数选择对应的公式计算从动钻杆长度Lci。

至此，孔深可以表示为Lz+Lc1+Lc2+…Lcn-X。其中X为夹持器平台21至孔口的距离，X为某种钻机的固有参数，可一次输入且一直不变。

绞车在提拉钻具的整个过程中吊绳4拉力的变化是有规律可循的，具体的，在完成当前回次后，提拉钻具，此时拉力传感器9测得的拉力值基本为整个孔深范围内整个钻具的重力，而当第一根钻杆14提拉完成后，再提拉剩余的钻具，此时其提拉的重量将比第一段少大约一根(或两根)钻杆的重量，依次类推；整个提拉过程中吊绳4的拉力基本如图5所示，提钻完毕后，根据图5所展示的关系可判定吊绳4是否有无效提拉(当吊绳4在某时间段内的拉力变化趋势与图5对应时段内不相符时，判定为无效提拉，即可以将上述计量滚轮8在此时间段内测量得到的滚筒5的转动角度不计入计算钻孔深的有效转动角度中)，或其他故意作假的情况，如判定作假，此时会采取其他诸如拍照上传等监管措施。

本发明基于绞车在提拉钻具的整个过程中吊绳4拉力的变化是有规律可循这一特点，利用吊绳4上的拉力传感器9实时测量吊绳4的拉力，可以判断出吊绳4是否在有效提拉钻具，利用吊绳4在有效提拉钻具时计量滚轮8测量的滚筒5的转动角度计算出吊绳4的有效位移，即为钻孔深度，避免了数据造假，保证工程勘察勘探数据采集的精准性。

另外，本发明利用电磁感应原理，可以判断钻具是否被提拉出钻孔；当钻具的岩心管12末端上的磁铁11(具体的，钻头20可以通过磁铁11固定在岩心管12的末端，钻头20与磁铁11以及磁铁11与岩心管12之间均采用螺接)通过钻孔孔口的闭合螺线圈10时(闭合螺线圈10可以通过夹持器平台固定在钻孔孔口)，因电磁感应原理，闭合螺线圈10会产生瞬时电流，通过瞬时电流可以触发计量滚轮8停止记录滚筒5的转动角度，钻孔深度测量结束，数据采集便捷。

标贯动探测试，(包括锤击次数采集和贯入深度数据采集)：

标贯动探的过程中，标贯锤15贯穿在钻杆14上。接近传感器13是一种具有感知物体接近能力的器件，它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，接近传感器13性能可靠，且对仪器本身损耗小。

在实施标贯试验时，将计米轮17紧贴于钻具的钻杆14，每次贯入的深度可以转换为计米轮17的转动的圈数(当不足一圈时记录转动的度数)，这个方案不仅可以记录钻具每次贯入的深度，也可校验上述所述接近传感器13所记录的锤击数。

在另外的实施例中，也可以在锤垫处设置激光/红外/超声传感器或者是采用拉绳传感器，可以测得每次贯入，标贯锤垫距离其下方某一固定参照物的距离，以此记录每次贯入的深度。

岩心土样颜色数据采集：

所述工程勘察勘探数据采集系统还包括手持颜色传感器19，所述手持颜色传感器19与所述综合控制仪1通信连接。因现场编录人员主观差别，同样的土样，在不同的描述员眼里将会有着不同的描述，特别是对土样颜色的描述。土样颜色反应了土的沉积环境，是工程师划分土层、判断土的物理力学性质的一项重要指标。因此提出岩心土样颜色自动识别旨在解决不同描述员之间的主观差异，向外业描述的自动化迈出重要一步。本发明采用颜色传感器19进行自动识别岩心颜色。颜色传感器19发射光线(红，绿，蓝)在需要检查的物体，根据反射光进行计算颜色的成分，然后和存储的参照颜色值比较，如果颜色的值符合设定的颜色带范围，就会已启用一个开关量输出。描述员手持颜色传感器，对岩心土样颜色进行辨认，根据其反馈的结果进行勘探孔记录单上相关内容的编写。采用颜色传感器19自动识别岩心土样颜色，相对于现场编录人员通过肉眼主观描述颜色，具有更高的样色识别精确性，避免人为的数据作假。

在本发明中，综合控制仪1设置在司钻员触手可及的合理位置上，将钻机上目前已经存在的转速、压力等仪器设备以及处理器整合进综合控制仪1内，并在综合控制仪1表面还设置有标贯档位、空档位、动探档位(这三个档位供原位测试所使用)和交互显示屏。综合控制仪1统一处理、显示上述采集的数据。此外，还可以在综合控制仪1内集成卫星定位模块，综合控制仪1表面设置GPS天线，使其对钻机(钻孔)进行实时定位。

基于上述一种工程勘察勘探数据采集系统，本发明还提供一种工程勘察勘探数据采集方法。

一种工程勘察勘探数据采集方法，利用上述所述工程勘察勘探数据采集系统进行工程勘察勘探数据采集，所述工程勘察勘探数据包括钻孔深度数据、锤击次数数据和贯入深度数据；

如图6所示，所述钻孔深度数据的采集包括如下步骤，

在回次钻进完成后，从吊绳开始提拉钻具直至将钻具全部提拉出钻孔的过程中，利用计量滚轮记录绞车的滚筒转动的角度，以及利用光电传感器探头组判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数，且当钻具全部被提拉出钻孔的瞬间，使计量滚轮停止记录滚筒转动的角度；

在吊绳提拉钻具的过程中，利用拉力传感器实时测量吊绳上的拉力数据，通过实时的所述拉力数据判断吊绳是否在有效提拉钻具；

在回次钻进完成后，且吊绳有效提拉钻具的过程中，根据计量滚轮记录的绞车的滚筒转动的有效角度，以及光电传感器探头组判断出的当前滚筒上缠绕的吊绳层数，计算得到吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量，吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量即为钻孔深度数据；

其中，钻具被全部提拉出钻孔的判断依据为，当闭合螺线圈产生瞬间电流时，判断钻具被全部提拉出钻孔；且通过所述闭合螺线圈产生的瞬间电流触发计量滚轮停止记录滚筒转动的角度；

所述锤击次数数据的采集包括如下步骤，

利用锤击数计量装置采集所述锤击次数数据；

所述贯入深度数据的采集包括如下步骤，

利用贯入深度测量装置采集所述贯入深度数据。

在本具体实施例中，利用光电传感器探头组判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数的具体方法为，若与滚筒上缠绕的第n层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离为整个滚筒的长度，且与滚筒上缠绕的第n-1层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离小于或等于整个滚筒的长度减去吊绳的直径，则判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数为n-1层。

在本具体实施例中，计算吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量的具体公式为，

L＝(rad·d/D)·[A+a+(n-1)·3^0.5a]/2；

其中，L为吊绳绕滚筒转动的位移，rad为计量滚轮记录的滚筒有效转动的角度，A为滚筒的直径，a为吊绳的直径，D为滚筒侧壁的高度，d为计量滚轮的直径，n为当前滚筒上缠绕的吊绳层数。

在本具体实施例中，所述工程勘察勘探数据还包括岩心土样颜色数据，利用带有手持颜色传感器的所述工程勘察勘探数据采集系统进行所述岩心土样颜色数据的采集，并将采集的所述岩心土样颜色数据传输至综合控制仪。

本发明一种工程勘察勘探数据采集方法通过在绞车上设置排线器，可以将吊绳规则的缠绕在滚筒上；同时，通过计量滚轮和光电传感器探头组，可以巧妙地将钻具的连续线位移测量，转换为绞车的滚筒转动位移测量，而转动位移的测量相比于连续线位移测量要容易的多，因而可以很容易的测出钻孔深度。另外，本发明利用电磁感应原理，可以判断钻具是否被全部提拉出钻孔；当钻具的岩心管末端上的磁铁通过钻孔孔口的闭合螺线圈时，因电磁感应原理，闭合螺线圈会产生瞬时电流，通过瞬时电流可以触计量滚轮停止记录滚筒的转动角度，钻孔深度测量结束，数据采集便捷。而由于卷扬在提拉钻具的过程中，绞车会有很多复杂无效或刻意而为的无效转动，此无效转动并不能有效提拉钻具(即，滚筒虽然在转动，但是钻具并没有被提升)，因此计量滚轮在滚筒无效转动过程中测量到的转动角度并不能计入计算钻孔深度的有效转动角度中；本发明基于卷扬在提拉钻具的整个过程中吊绳拉力的变化是有规律可循的这一特点，利用吊绳上的拉力传感器实时测量吊绳的拉力，可以判断出吊绳是否在有效提拉钻具，利用吊绳在有效提拉钻具时计量滚轮测量的滚筒的有效转动角度计算出吊绳的有效位移，即为钻孔深度，避免了数据造假，保证工程勘察勘探数据采集的精准性。接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件，它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，接近传感器性能可靠，且对仪器本身损耗小。在实施标贯试验时，将计米轮紧贴于钻具的钻杆，每次贯入的深度可以转换为计米轮的转动的圈数，这个方案不仅可以记录钻具每次贯入的深度，也可校验上述接近传感器所记录的锤击数。

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。

Claims (10)

1.一种工程勘察勘探数据采集系统，其特征在于：工程勘察勘探数据采集系统用于采集钻机在钻孔过程中的工程勘察勘探数据，所述钻机包括定滑轮、吊绳、提引器和钻具，所述工程勘察勘探数据采集系统包括绞车、电磁感应装置、锤击数计量装置、贯入深度测量装置和综合控制仪；

所述绞车上设有排线器，所述定滑轮固定在所述钻机的轨杆顶部，所述钻具通过所述提引器固定在所述吊绳的一端，且所述吊绳穿过所述定滑轮并通过所述排线器缠绕在所述绞车的滚筒上，所述滚筒的侧壁上设有用于测量滚筒转动角度的计量滚轮以及用于判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数的光电传感器探头组，所述吊绳上设有用于测量吊绳拉力的拉力传感器，所述计量滚轮、所述光电传感器探头组以及所述拉力传感器均与所述综合控制仪通信连接；

所述电磁感应装置包括闭合螺线圈和磁铁，所述闭合螺线圈固定安装在钻孔的孔口处，且所述闭合螺线圈的圈口正对所述钻孔的孔口，所述闭合螺线圈与所述综合控制仪通信连接，所述磁铁安装在穿过所述闭合螺线圈的所述钻具的岩心管末端；

所述锤击数计量装置包括接近传感器，所述接近传感器固定在所述钻具的钻杆上且位于标贯锤下方，所述接近传感器与所述综合控制仪通信连接；

所述贯入深度测量装置包括计米轮和弹簧，所述计米轮通过所述弹簧铰接在所述钻孔的孔口并紧贴于所述钻杆，所述计米轮内配置有拉绳式位移传感器，所述拉绳式位移传感器与所述综合控制仪通信连接。

2.根据权利要求1所述的工程勘察勘探数据采集系统，其特征在于：所述光电传感器探头组包括多个光电传感器探头，各个所述光电传感器探头分别与所述滚筒上缠绕的各层吊绳一一对应。

3.根据权利要求1所述的工程勘察勘探数据采集系统，其特征在于：还包括夹持器平台，所述夹持器平台固定在钻孔的孔口处，所述闭合螺线圈安装在所述夹持器平台上，所述计米轮通过所述弹簧铰接在所述夹持器平台上。

4.根据权利要求1所述的工程勘察勘探数据采集系统，其特征在于：所述锤击数计量装置还包括底托，所述接近传感器通过所述底托固定在所述钻具的钻杆上。

5.根据权利要求1所述的工程勘察勘探数据采集系统，其特征在于：所述通信连接具体为无线通信连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的工程勘察勘探数据采集系统，其特征在于：所述工程勘察勘探数据采集系统还包括手持颜色传感器，所述手持颜色传感器与所述综合控制仪通信连接。

7.一种工程勘察勘探数据采集方法，其特征在于：利用如权利要求1至6任一项所述工程勘察勘探数据采集系统进行工程勘察勘探数据采集，所述工程勘察勘探数据包括钻孔深度数据、锤击次数数据和贯入深度数据；

所述钻孔深度数据的采集包括如下步骤，

在回次钻进完成后，从吊绳开始提拉钻具直至将钻具全部提拉出钻孔的过程中，利用计量滚轮记录绞车的滚筒转动的角度，以及利用光电传感器探头组判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数，且当钻具全部被提拉出钻孔的瞬间，使计量滚轮停止记录滚筒转动的角度；

在吊绳提拉钻具的过程中，利用拉力传感器实时测量吊绳上的拉力数据，通过实时的所述拉力数据判断吊绳是否在有效提拉钻具；

在回次钻进完成后，且吊绳有效提拉钻具的过程中，根据计量滚轮记录的绞车的滚筒转动的有效角度，以及光电传感器探头组判断出的当前滚筒上缠绕的吊绳层数，计算得到吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量，吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量即为钻孔深度数据；

其中，钻具被全部提拉出钻孔的判断依据为，当闭合螺线圈产生瞬间电流时，判断钻具被全部提拉出钻孔；且通过所述闭合螺线圈产生的瞬间电流触发计量滚轮停止记录滚筒转动的角度；

所述锤击次数数据的采集包括如下步骤，

利用锤击数计量装置采集所述锤击次数数据；

所述贯入深度数据的采集包括如下步骤，

利用贯入深度测量装置采集所述贯入深度数据。

8.根据权利要求7所述的工程勘察勘探数据采集方法，其特征在于：利用光电传感器探头组判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数的具体方法为，

若与滚筒上缠绕的第n层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离为整个滚筒的长度，且与滚筒上缠绕的第n-1层吊绳对应的光电传感器探头测出的距离小于或等于整个滚筒的长度减去吊绳的直径，则判断当前滚筒上缠绕的吊绳层数为n-1层。

9.根据权利要求7所述的工程勘察勘探数据采集方法，其特征在于：计算吊绳在全部提拉出钻具过程中的有效位移量的具体公式为，

L＝(rad·d/D)·[A+a+(n-1)·3^0.5a]/2；

其中，L为吊绳绕滚筒转动的位移，rad为计量滚轮记录的滚筒有效转动的角度，A为滚筒的直径，a为吊绳的直径，D为滚筒侧壁的高度，d为计量滚轮的直径，n为当前滚筒上缠绕的吊绳层数。

10.根据权利要求7至9任一项所述的工程勘察勘探数据采集方法，其特征在于：所述工程勘察勘探数据还包括岩心土样颜色数据，利用带有手持颜色传感器的所述工程勘察勘探数据采集系统进行所述岩心土样颜色数据的采集，并将采集的所述岩心土样颜色数据传输至综合控制仪。

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