CN221119943U - 用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，包括推送组件、探头主体和设置在水平孔内的保护组件，探头主体直径为52mm，探头主体包括供水组件，供水组件的内部中空形成有供水通道，供水通道延伸至探头主体的最前端，以实现供水耦合，保护组件的内部中空，且前端与孔壁形成有待测试段，推送组件能够将探头主体经保护组件内部推送至待测试段，实现对水平钻孔破碎地层的波速测试。

Description

用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置

技术领域

本实用新型涉及钻孔声波测试设备领域，尤其涉及一种用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置。

背景技术

在隧道工程中，根据《工程岩体分级标准》，对围岩进行定量分级时，岩石的单轴饱和抗压强度和完整性系数是两个基本参数，岩石的单轴饱和抗压强度一般通过室内试验确定，完整性系数则是通过测量钻孔岩体波速确定。随着水平钻孔钻探工艺不断成熟，在铁路、公路等诸多行业的隧道勘察中，因水平钻孔具有钻机就位快、地层反映直观、投入成本小等优势，应用越来越广泛，工程勘察时，采用的钻孔直径一般均为76mm。

然而，水平钻孔中进行波速测试一直是难点，尤其是破碎地层中，如图1所示，由于水平钻孔无法采用泥浆护壁，往往塌孔A、掉块B严重。现有的探头装置常为胶囊膨胀式，胶囊膨胀式探头组件需膨胀到和水平孔近似尺寸才可实现探头组件与孔壁的耦合。在遇到地层较差时，胶囊特别容易损坏，尤其是孔深超过80m后，只要钻孔内有掉块，都很难完成测量，要不停的更换胶囊，导致测量周期长，费时费力。因此，设计一种能够实现对水平钻孔破碎层声波波速进行高效测试的探头装置非常有必要。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，通过对探头主体的结构和材质进行改进，以及搭配保护组件，实现了对水平钻孔破碎地层波速的高效测试。具体技术方案如下：

一种用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，包括推送组件、探头主体和设置在水平孔内的保护组件，保护组件内部中空，探头主体直径为52mm，探头主体包括供水组件，供水组件的内部设置有供水通道，供水通道为空心柱体结构，供水通道延伸至探头主体的最前端，以使水注入孔内，实现供水耦合，保护组件的前端与孔壁之间设置有待测试段；推送组件可将探头主体从保护组件内部推送至待测试段，以实现对水平钻孔破碎地层的波速测试。

进一步，探头主体还包括依次连接的接头组件、发射模块组件和探头组件，发射模块组件包括发射模块腔体和发射模块，发射模块腔体为中空薄壁形管状结构，发射模块放置于发射模块腔体内，发射模块腔体两端分别与接头组件和探头组件可拆卸连接。

进一步，接头组件为中空薄壁形的不锈钢管，中空内部贯通设置，接头组件一端与推送组件连接，另一端与发射模块腔体连接。

进一步，供水组件包括气动管和快速接头，气动管为空心管状结构，快速接头连通气动管和接头组件，供水组件的供水速度设置在150L/min-200L/min之间，以保证有效供水。

进一步，探头组件包括发射端、第一接收端和第二接收端，发射端、第一接收端和第二接收端均采用压电陶瓷管，且压电陶瓷管内外管壁设有环氧树脂，以实现密封。

进一步，探头主体还包括探头连接组件，探头连接组件为高强度穿孔塑料管，探头连接组件管壁上设有多个通孔，探头连接组件连接在发射端和第一接收端之间，以及第一发射端和第二接收端之间，以实现阻断声波沿连接组件传播。

进一步，保护组件包括绳索取芯钻杆以及套设在绳索取芯钻杆端部的钻杆靴，绳索取芯钻杆和钻杆靴均为空心管状结构，环绕孔壁设置，以保护探头主体。

综上，本实用新型的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置中，探头主体的直径设为与钻孔孔径相近的尺寸，接头组件和发射模块腔体均采用不锈钢材质，推送组件能够将探头主体经保护组件内部推送至待测试段，以避免探头主体受到伤害，实现对水平钻孔破碎地层波速的高效测试。

附图说明

图1为水平孔破碎地层掉块塌孔示意图。

图2为声波在岩体中传播示意图。

图3为本实用新型中探头主体的结构示意图。

图3a为本实用新型中接头组件的第一端部a-a处的剖视图。

图3b为本实用新型中接头组件b-b处的剖视图。

图3c为本实用新型中接头组件c-c处的剖视图。

图3d为本实用新型中发射模块腔体d-d处的剖视图。

图3e为本实用新型中探头组件接收端e-e处的剖视图。

图3f为本实用新型中探头连接组件f-f处的剖视图。

图4为本实用新型中通孔在探头连接组件上的分布图。

图5为本实用新型的探头装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置进一步详细描述。

注：限定探头装置在水平孔内时，靠近孔口的一端为后端，远离孔口的一端为前端。

如图1-5所示，本实用新型的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置以绳索取芯钻具为基础，包括推送组件20、探头主体100和设置在水平孔内的保护组件。保护组件的内部中空，且前端与孔壁形成有待测试段，推送组件20可将探头主体100经保护组件内部推送至待测试段，以实现对水平钻孔破碎地层的波速测试。

进一步，探头主体100的直径为52mm。相较于现有技术，本实用新型的探头主体100的直径与钻孔直径相近，在进入钻孔内后，探头主体100能够紧贴钻孔的下侧孔壁岩体，以提高测试的准确性。

探头主体100包括依次连接的接头组件11、发射模块组件和探头组件。探头组件上连接有电缆8。

如图3和3e所示，探头组件包括发射端1、第一接收端2和第二接收端3，发射端1、第一接收端2和第二接收端3均采用压电陶瓷管17制成，且压电陶瓷管17内外管壁由环氧树脂16密封。

如图3和3f所示，发射端1、第一接收端2和第二接收端3之间设有探头连接组件，探头连接组件包括第一探头连接件4和第二探头连接件5，第一探头连接件4可拆卸地连接在发射端1和第一接收端2之间，第二探头连接件5可拆卸地连接在第一接收端2和第二接收端3之间，从而实现发射端1、第一接收端2和第二接收端3之间的连接。

第一连接件4与第二连接件5结构相同。具体地，如图4所示，第一连接件4与第二连接件5为中空圆柱状，且第一连接件4与第二连接件5的筒壁上设有多个通孔18，通孔18结构可以防止第一接收端2和第二接收端3接收到直接沿探头连接组件传播的干扰信号，提高信噪比，从而确保岩体声波波速测量的精度。

进一步，第一连接件4与第二连接件5采用高强度穿孔塑料管制成，采用高强穿孔塑料管时，声波传播速度在1100m/s左右，低于不穿孔时的声波传播速度的一半，具备良好的声波传播阻断效果，基本能够满足所有岩体的测试。进一步，高强度穿孔塑料管可为PPR管、PE管等。

如图3-3c所示，接头组件11为“凸”字形的中空薄壁管状结构。接头组件11包括第一端部12和第二端部10，第一端部12的直径小于第二端部10的直径。接头组件11的第一端部12与推送组件20连接，接头组件11的第二端部10与发射模块腔体6连接。进一步，接头组件11的第一端部12和第二端部10设有螺纹结构，以使接头组件11能够与推送组件20以及发射模块腔体6实现可拆卸连接。优选地，接头组件11采用不锈钢加工，以保证结构具备高强度，增长其使用周期。

进一步，第一端部12和第二端部10连接处形成有第一端面9，第一端面9靠上位置设有圆孔13，圆孔13可供电缆8从探头主体100内部引出。

如图3和3d所示，发射模块组件包括发射模块腔体6和发射模块7。发射模块腔体6为中空薄壁形管状结构，发射模块7放置于发射模块腔体6内。发射模块腔体6两端分别与接头组件和探头组件连接。进一步，发射模块腔体6采用不锈钢加工，以保护发射模块7。

发射模块7的两端连接有电缆8，发射模块7进而连接发射端1。具体地，电缆8采用八芯带电磁屏蔽高强电缆，两根为电源线，电源线与发射模块7连接。其余六根中每两根一组，每组分别连接发射端1和两个接收端，以实现发射模块7、发射端1、第一接收端2和第二接收端3的通信连接。

如图3所示，探头组件内还设有供水组件，供水组件的内部中空形成有供水通道。具体地，供水组件包括气动管14和快速接头15，气动管14为薄壁管状结构，快速接头15设置在气动管14的一端，快速接头15固定在接头组件11的第一端面9上，气动管14通过快速接头15与接头组件11连接后形成供水通道。进一步，气动管14的另一端经第二接收端3穿出，延伸至探头主体100的最前端，以使水注入孔内，实现供水耦合。

在测试时气动管14能够将水引流至探头主体100的最前侧。经多次试验得到，当在探头主体100的前方向钻孔内注入的水量大于150L/min时，水平钻孔中水位高度会高于探头主体100的高度，测量过程能够保持水淹没探头主体100，以使探头主体100与孔壁处于良好的耦合状态。

进一步，气动管14采用20#不锈钢气动管，快速接头15采用20#气动管快速接头。

如图5所示，设置在水平孔内的保护组件包括绳索取芯钻杆25和钻杆靴26，钻杆靴26套设在绳索取芯钻杆25端部，绳索取芯钻杆25和钻杆靴26均为空心管状结构，可共同支撑孔壁，以防孔壁坍塌。测试时，绳索取芯钻杆25钻孔动作后退，与孔壁之间设置待测试段，探头主体100可由推送组件20经绳索取芯钻杆25内部，进而伸入到待测试段，以实现对待测试段的声波检测。待测段为1.5m，以保证探头主体100能够实现优异的声波检测。

进一步，推送过程中，电缆8保持于钻杆的上端，以防止损坏。电缆8与主机相连，以设置测量参数，同时对探头工作状态实现检测。

如图5所示，供水组件与高压管21、流量调节阀门22以及泥浆泵23。高压管21通过高压管接头19与推送组件20连接，流量调节阀门22接入在高压管21与泥浆泵23之间，流量调节阀门22用来调节水量。测试时，需使泥浆泵23出水流量保持在150L/min-200L/min之间，以满足测量系统的供水需求。

进一步，通过主机观察采集到的波形是否良好，若波形较差，可继续增大水量。当水达到半孔高度后，即可采集到良好波形，发现采集到良好波形后，保持供水量。待测段采集完波形后移动到下一段测量，移动过程中保持供水，采用钻机将推送组件20和探头主体100同时移动，每次移动20厘米，连续测量孔内波速，直到全部测量完成。

本实用新型的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置其测试原理为，如图2所示，在钻孔内时，探头的发射端1、第一接收端2和第二接收端3与钻孔下侧岩体紧贴，声波从发射端1发射后，沿钻孔孔壁滑行，到达第一接收端2和第二接收端3，第一接收端2和第二接收端3分别接收到声波信号，并传送给主机。根据主机记录的波形图，读取发射端1发射的声波沿钻孔孔壁滑行后，其纵波到达两个接收端的首波时间，按下列公式可计算岩体纵波速度：

其中：V_p：纵波传播速度，m/s；

d₁:发射端1到接收1的距离，m；

d₂:发射端1到接收2的距离，m；

t₁:发射端1发射的声波(纵波)沿孔壁滑行到接收1的时间，s；

t₂:发射端1发射的声波(纵波)沿孔壁滑行到接收2的时间，s。

综上，本实用新型的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，探头主体100的直径与钻孔孔径相近，以使探头主体100在水平钻孔内时，能够快速与钻孔的下侧孔壁贴合。进一步，接头组件11和发射模块腔体6均采用不锈钢材质。探头主体100的外侧套设有保护组件-绳索取芯钻杆25和钻杆靴26，推送组件20能够将探头主体100经保护组件内部推送至待测试段，能够有效避免在测试过程中出现塌孔或掉块对探头主体100造成损坏，进而实现对水平钻孔破碎地层波速的高效测试。

以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本实用新型所保护的范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

Claims (7)

1.一种用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，包括推送组件、探头主体和设置在水平孔内的保护组件，保护组件内部中空，探头主体直径为52mm，探头主体包括供水组件，供水组件的内部设置有供水通道，供水通道为空心柱体结构，供水通道延伸至探头主体的最前端，以使水注入孔内，实现供水耦合，保护组件的前端与孔壁之间设置有待测试段；推送组件可将探头主体从保护组件内部推送至待测试段，以实现对水平钻孔破碎地层的波速测试。

2.如权利要求1所述的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，探头主体还包括依次连接的接头组件、发射模块组件和探头组件，发射模块组件包括发射模块腔体和发射模块，发射模块腔体为中空薄壁形管状结构，发射模块放置于发射模块腔体内，发射模块腔体两端分别与接头组件和探头组件可拆卸连接。

3.如权利要求2所述的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，接头组件为中空薄壁形的不锈钢管，中空内部贯通设置，接头组件一端与推送组件连接，另一端与发射模块腔体连接。

4.如权利要求2所述的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，供水组件包括气动管和快速接头，气动管为空心管状结构，快速接头连通气动管和接头组件，供水组件的供水速度设置在150L/min-200L/min之间，以保证有效供水。

5.如权利要求2所述的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，探头组件包括发射端、第一接收端和第二接收端，发射端、第一接收端和第二接收端均采用压电陶瓷管，且压电陶瓷管内外管壁设有环氧树脂，以实现密封。

6.如权利要求5所述的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，探头主体还包括探头连接组件，探头连接组件为高强度穿孔塑料管，探头连接组件管壁上设有多个通孔，探头连接组件连接在发射端和第一接收端之间，以及第一发射端和第二接收端之间，以实现阻断声波沿连接组件传播。

7.如权利要求1所述的用于水平钻孔破碎地层波速测试的探头装置，其特征在于，保护组件包括绳索取芯钻杆以及套设在绳索取芯钻杆端部的钻杆靴，绳索取芯钻杆和钻杆靴均为空心管状结构，环绕孔壁设置，以保护探头主体。