CN113738340B - 一种钻孔回填进度实时监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻孔回填进度实时监测装置，包括：传感光缆，跟随配重导锤竖直下放至待回填钻孔中，传感光缆伸出钻孔外的一端与分布式声波传感调解仪通信耦合；分布式声波传感调解仪采集传感光缆沿线各传感通道的振动信号，并将振动信号传输至钻孔回填进度评价装置；钻孔回填进度评价装置包括数据采集模块、数据处理模块和回填进度评价模块，数据采集模块接收分布式声波传感调解仪的振动信号，数据处理模块对采集到的数据进行去噪、快速傅里叶变换处理后发送至回填进度评价模块，回填进度评价模块计算传感光缆的任意相邻两道传感通道的幅值之比，判断回填稳定深度。本发明有效、便捷地实时监测装置钻孔回填进度。
Description
技术领域
本发明属于钻孔回填技术领域，具体涉及一种钻孔回填进度实时监测装置及监测方法。
背景技术
钻探是获取工程地质信息的最直观的形式，也是工程勘察阶段最主要的手段之一。钻孔的回填封闭是钻探过程中的最后一个重要环节，《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)(2009年版)9.1.2条明确规定钻孔完工后应妥善回填。而实时掌握钻孔的回填进度，对于回填工期及进度管理具有重要的意义。采用传统点式、电式传感器监测钻孔回填进度，在传感器下孔时易造成堵孔。
而声波信号监测是地质与岩土工程稳定性分析和监测预警的重要手段，被广泛应用于地下工程、边坡工程和坝基工程。
分布式声波传感(Distributed Acoustic Sensing，简称DAS)技术是一种可以实现连续分布式声波或振动监测的新型分布式光纤传感技术，具有探测距离长、环境适应性强、成本低、可重复探测等优势。
例如公告号为CN104315988B的专利公开了一种采动覆岩变形分布式光纤检测方法，该方法根据采动岩层变形特点，回采工作面上方的地面或回采工作面的进风巷和回风巷顶板中布置钻孔，在钻孔中埋设传感光纤后采用混凝土浆液由里向外进行封孔，并对各钻孔中预留的传感光纤进行串联之后通过传输光缆引到监测室。采动前先对覆岩岩体进行初值测试，随着回采工作面向监测孔推进或远离，测量因采动引起的岩层变形，并把每一频次的监测数据减去初始值作为不同时间段覆岩的变化值。通过监测数据分析，得到覆岩变形的应变分布，确定采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况。该方法具有分布式、精度高、安装简便及成本低廉等优点，适用于各种采动引起的岩土体变形监测领域。
公布号CN103438820A公开了一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，选择测量点，钻孔后对土层进行编录，成孔后，下放感测光纤后对孔进行回填，当感测光纤周围的岩土体发生变形时，由于周围土体的包裹力，将带动感测光纤发生变形，通过BOTDR/A等技术测量感测光纤的应变分布，即可获得钻孔剖面相应位置的应变分布情况，将获取的应变沿着光纤进行相应位置的积分便可得出深部岩土体各个土层的变形情况，从而实现钻孔剖面岩土体分层变形分布式测量，适用于地面沉降、地面塌陷、矿山等岩土体变形监测领域。
然而，上述方法均无法对钻孔回填进度进行实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻孔回填进度实时监测装置及监测方法，以实时监测钻孔的回填进度，并且下孔时不易堵孔。
本发明提供了如下的技术方案：
一种钻孔回填进度实时监测装置，包括：
传感光缆，跟随配重导锤竖直下放至待回填钻孔中，所述传感光缆伸出钻孔外的一端与分布式声波传感调解仪通信耦合；
所述分布式声波传感调解仪采集所述传感光缆沿线各传感通道的振动信号，并将所述振动信号传输至钻孔回填进度评价装置；
钻孔回填进度评价装置包括通信耦合的数据采集模块、数据处理模块和回填进度评价模块，所述数据采集模块接收所述分布式声波传感调解仪的振动信号，所述数据处理模块对采集到的数据进行去噪、快速傅里叶变换处理后发送至回填进度评价模块，所述回填进度评价模块计算传感光缆的任意相邻两道传感通道的幅值之比，判断回填稳定深度。
优选的，所述配重导锤连接钢丝绳，在钻孔回填前，所述配重导锤置于钻孔的底部并且由所述钢丝绳拉紧呈竖直状态；所述传感光缆连接所述配重导锤，所述传感光缆不承受配重导锤的重力。
优选的，所述配重导锤包括配重头和保护壳，所述配重头固定于所述保护壳的底部，所述配重头呈锥形。
优选的，所述配重导锤还包括锤芯，所述锤芯安装于所述保护壳内，所述锤芯上设有两个左右对称的竖直的通孔，所述传感光缆穿过一个通孔、并且绕过锤芯的底部后从另一个通孔伸出，形成对称地布设于所述锤芯的两侧的U型回路。
优选的，所述锤芯包括凸出于所述保护壳外的安装柱，所述安装柱的顶部固定所述钢丝绳。
优选的，所述钻孔回填进度评价装置安装在计算机中；启动评价程序后，所述数据处理模块将处理好的数据输入回填进度评价模块，实现可视化屏幕输出。
钻孔回填进度实时监测装置对钻孔回填稳定深度的监测方法包括以下步骤：
安装配重导锤：将所述传感光缆对称地布设于所述配重导锤上，形成U型回路；
下放传感光缆：将配重导锤放入待回填的钻孔内，依靠重力将传感光缆带入所述钻孔的底部，传感钢缆的冗余部分盘绕于所述钻孔上方的滑轮上；
数据采集：将回填料回填入所述钻孔内，在回填过程中保持传感光缆处于拉直状态，所述分布式声波传感调解仪采集回填过程中传感光缆沿线的振动信号数据；
数据处理：所述分布式声波传感调解仪采集到的数据传输至钻孔回填进度评价装置；所述数据处理模块对数据进行去噪、快速傅里叶变换处理，将数据处理结果输入回填进度评价模块；
数据评价：所述回填进度评价模块依据传输光缆相邻两传感通道的信号幅值比判断回填稳定深度。
优选的，在数据评价步骤中，回填进度评价模块自钻孔底部至钻孔顶部对位于钻孔内的传感光缆所对应的传感通道数按i＝1,2,3...,n进行编号，计算任意两相邻传感通道的信号的幅值比Ri最大时传感通道数i+1所对应的深度即为回填稳定深度。
优选的，所述配重导锤由钢丝绳吊挂于钻孔内，在下放传感光缆的过程中，只提拉所述钢丝绳，避免所述传感光缆受力；所述传感光缆下放完毕后，检查所述传感光缆的成活情况。
优选的，所述数据评价步骤中，所述回填进度评价模块对数据评价的结果进行可视化输出。
本发明的有益效果是：
1.本发明基于分布式声波传感技术，将一根纤细的传感光缆布设于待回填的钻孔中，避免了传统点式、电式传感器下孔时易造成堵孔的问题，能够实现钻孔回填进度的实时监测，从而对回填施工提出反馈和建议。
2.本发明能有效、便捷、实时地监测钻孔回填进度，适用于各种钻孔回填过程的监测，尤其适用于深钻回填过程的监测。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的配重导锤分解结构示意图；
图3是本发明的传感光缆装配于配重导锤内的结构示意图；
图4和图5分别是回填至6.8m和5.1m深时，回填进度评价模块监测到的输出图像。
图中标记为：101.钻孔；102.配重导锤；103.传感光缆；104.分布式声波传感调解仪；105.钻孔回填进度评价装置；106.数据处理模块；107.回填进度评价模块；108.滑轮；109.钢丝绳；200.数据采集模块；201.配重头；202.锤芯；203.保护壳。
具体实施方式
定义：
钻孔回填稳定深度：工程钻孔通常需要进行回填，回填料自下而上逐步沉稳，以地表为基准点，回填料稳定与非稳定层的界面即为钻孔回填稳定深度。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例公开一种钻孔回填进度实时监测装置，包括：传感光缆103、配重导锤102、分布式声波传感调解仪104和钻孔回填进度评价装置105。
配重导锤102连接钢丝绳109，在钻孔回填前，配重导锤102置于钻孔101的深处，并且由钢丝绳109拉紧呈竖直状态。
具体地，配重导锤102包括配重头201和保护壳203，配重头201固定于保护壳203的底部，配重头201呈锥形。
配重导锤102还包括锤芯202，锤芯202安装于保护壳203内，锤芯202上设有两个左右对称的竖直的通孔，传感光缆103穿过一个通孔、并且绕过锤芯202的底部后从另一个通孔伸出，形成对称地布设于锤芯202的两侧的U型回路。传感光缆103不承受配重导锤102的重力。
锤芯202还包括凸出于保护壳203外的安装柱，安装柱的顶部固定钢丝绳109。
在回填前，将传感光缆103跟随配重导锤102竖直下放至待回填的钻孔101中，传感光缆103伸出钻孔101外的一端与分布式声波传感调解仪104通信耦合。具体地，在钻孔的孔口上方安装滑轮架，滑轮架上安装滑轮108，传感光缆103的冗余部分盘绕于滑轮108上，并且与分布式声波传感调解仪104通过信号线通信耦合。
分布式声波传感调解仪104采集传感光缆103沿线各传感通道的振动信号，并将振动信号传输至钻孔回填进度评价装置105。
其中，钻孔回填进度评价装置105安装在计算机中；钻孔回填进度评价装置105包括通信耦合的数据采集模块200、数据处理模块106和回填进度评价模块107，数据采集模块200接收分布式声波传感调解仪104的振动信号，数据处理模块106对采集到的数据进行去噪、快速傅里叶变换处理后发送至回填进度评价模块107，回填进度评价模块107计算传感光缆的任意相邻两道传感通道的幅值之比，判断回填稳定深度。
启动评价程序后，数据处理模块106将处理好的数据输入回填进度评价模块107，实现可视化屏幕输出。
钻孔回填进度实时监测装置对钻孔回填稳定深度的监测方法包括以下步骤：
安装配重导锤102：将传感光缆103对称地布设于配重导锤102上，形成U型回路；
下放传感光缆：将配重导锤102放入待回填的钻孔101内，依靠重力将传感光缆103带入钻孔101的底部，配重导锤102由钢丝绳108吊挂于钻孔101内，在下放传感光缆的过程中，只提拉钢丝绳108，避免传感光缆103受力；传感钢缆103的冗余部分盘绕于钻孔101上方的滑轮108上；优选在传感光缆103下放完毕后，检查传感光缆的成活情况。
数据采集：将回填料回填入钻孔101内，在回填过程中保持传感光缆103处于拉直状态，分布式声波传感调解仪104采集回填过程中传感光缆沿线的振动信号数据；
数据处理：分布式声波传感调解仪104采集到的数据传输至钻孔回填进度评价装置105；数据处理模块106对数据进行去噪、快速傅里叶变换处理，将数据处理结果输入回填进度评价模块107；
数据评价：回填进度评价模块107依据传输光缆相邻两传感通道的信号幅值比判断回填稳定深度，具体方法为：
回填进度评价模块107自钻孔底部至钻孔顶部对位于钻孔内的传感光缆所对应的传感通道数按i＝1,2,3...,n进行编号，计算任意两相邻传感通道的信号的幅值比Ri最大时传感通道数i+1所对应的深度即为回填稳定深度。
在数据评价步骤中，回填进度评价模块对数据评价的结果进行可视化输出，输出图像如图4和图5所示。
本发明的工作原理是：分布式声波传感技术主要是基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)原理。Φ-OTDR技术利用外部扰动引起的光程变化对后向瑞利散射光(RBS)相位的调制实现对扰动事件的感测。当传感光缆103自由悬挂在钻孔101中时，轻微的扰动会使传感光缆103自由振动，此时传感光缆103的折射率、长度和芯径均会产生变化，这会导致扰动作用段光纤中RBS光的光程发生改变，进而使得RBS光的相位和强度发生变化，最终体现为RBS信号的强度变化。当光缆周围充满回填料时，回填料会约束传感光缆抑制其自由振动，RBS信号强度相对稳定。因此，未回填段与回填稳定段的信号特征会有显著差异。Φ-OTDR技术利用RBS信号的往返时间对扰动事件沿传感光缆长度进行定位，利用该原理定位信号差异信号分界面即可判断回填稳定的深度，从而实时监测回填进度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (5)
1.钻孔回填进度实时监测装置对钻孔回填稳定深度的监测方法，基于一种钻孔回填进度实时监测装置，其特征在于，该钻孔回填进度实时监测装置包括：
传感光缆，跟随配重导锤竖直下放至待回填钻孔中，所述传感光缆伸出钻孔外的一端与分布式声波传感调解仪通信耦合；
所述分布式声波传感调解仪采集所述传感光缆沿线各传感通道的振动信号，并将所述振动信号传输至钻孔回填进度评价装置；
钻孔回填进度评价装置包括通信耦合的数据采集模块、数据处理模块和回填进度评价模块，所述数据采集模块接收所述分布式声波传感调解仪的振动信号，所述数据处理模块对采集到的数据进行去噪、快速傅里叶变换处理后发送至回填进度评价模块，所述回填进度评价模块计算传感光缆的任意相邻两道传感通道的幅值之比，判断回填稳定深度；
所述配重导锤连接钢丝绳，在钻孔回填前，所述配重导锤置于钻孔的底部并且由所述钢丝绳拉紧呈竖直状态；所述传感光缆连接所述配重导锤，所述传感光缆不承受配重导锤的重力；
所述配重导锤包括配重头和保护壳，所述配重头固定于所述保护壳的底部，所述配重头呈锥形；
所述配重导锤还包括锤芯，所述锤芯安装于所述保护壳内，所述锤芯上设有两个左右对称的竖直的通孔，所述传感光缆穿过一个通孔、并且绕过锤芯的底部后从另一个通孔伸出，形成对称地布设于所述锤芯的两侧的U型回路；
所述锤芯包括凸出于所述保护壳外的安装柱，所述安装柱的顶部固定所述钢丝绳；
在回填前，将传感光缆跟随配重导锤竖直下放至待回填的钻孔中，传感光缆伸出钻孔外的一端与分布式声波传感调解仪通信耦合，在钻孔的孔口上方安装滑轮架，滑轮架上安装滑轮，传感光缆的冗余部分盘绕于滑轮上，并且与分布式声波传感调解仪通过信号线通信耦合；
该钻孔回填进度实时监测装置对钻孔回填稳定深度的监测方法，包括以下步骤：
安装配重导锤：将所述传感光缆对称地布设于所述配重导锤上，形成U型回路；
下放传感光缆：将配重导锤放入待回填的钻孔内，依靠重力将传感光缆带入所述钻孔的底部，传感钢缆的冗余部分盘绕于所述钻孔上方的滑轮上；
数据采集：将回填料回填入所述钻孔内，在回填过程中保持传感光缆处于拉直状态，所述分布式声波传感调解仪采集回填过程中传感光缆沿线的振动信号数据；
数据处理：所述分布式声波传感调解仪采集到的数据传输至钻孔回填进度评价装置；所述数据处理模块对数据进行去噪、快速傅里叶变换处理，将数据处理结果输入回填进度评价模块；
数据评价：所述回填进度评价模块依据传输光缆相邻两传感通道的信号幅值比判断回填稳定深度；
该钻孔回填进度实时监测装置的工作原理是：
当传感光缆自由悬挂在钻孔中时，轻微的扰动会使传感光缆自由振动，此时传感光缆的折射率、长度和芯径均会产生变化，这会导致扰动作用段光纤中后向瑞利散射光的光程发生改变，进而使得后向瑞利散射光的相位和强度发生变化，最终体现为后向瑞利散射光信号的强度变化；
当光缆周围充满回填料时，回填料会约束传感光缆抑制其自由振动，后向瑞利散射光信号强度相对稳定，因此，未回填段与回填稳定段的信号特征会有显著差异，Φ-OTDR技术利用后向瑞利散射光信号的往返时间对扰动事件沿传感光缆长度进行定位，利用该相位敏感光时域反射原理定位信号差异信号分界面即可判断回填稳定的深度，从而实时监测回填进度。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述钻孔回填进度评价装置安装在计算机中；启动评价程序后，所述数据处理模块将处理好的数据输入回填进度评价模块，实现可视化屏幕输出。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在数据评价步骤中，回填进度评价模块自钻孔底部至钻孔顶部对位于钻孔内的传感光缆所对应的传感通道数按进行编号，计算任意两相邻传感通道的信号的幅值比，最大时传感通道数所对应的深度即为回填稳定深度。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述配重导锤由钢丝绳吊挂于钻孔内，在下放传感光缆的过程中，只提拉所述钢丝绳，避免所述传感光缆受力；所述传感光缆下放完毕后，检查所述传感光缆的成活情况。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述数据评价步骤中，所述回填进度评价模块对数据评价的结果进行可视化输出。
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