钻孔声波雷达探测方法及钻孔声波径向扫描探头

摘要

本发明公开了一种钻孔声波雷达探测方法及钻孔声波径向扫描探头，该方法及装置有钻孔声波共深度雷达扫描工作程序和钻孔声波共角度雷达扫描工作程序两种工作方式，该钻孔声波径向扫描探头包括方位控制器（1）、探管（2）、传感器贴壁弹臂（3）、声波传感器及橡皮辅助垫（4）以及弹臂锁定及触发开关（5）等部位组成。本发明解决了利用钻孔进行径向探测的技术难题，充分地利用了勘探孔的功能，提高了对深埋藏、小地质缺陷的探测能力，溶洞等地质缺陷异常识别直观、工作效率高，可广泛应用于市政、住建、交通、水利水电等建设领域的地质勘察、基础隐患排查工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻孔声波雷达探测方法及钻孔声波径向扫描探头，属于工程地质探测领域。

背景技术

地质勘探是通过各种手段、方法对地质进行勘查、探测，确定合适的持力层，根据持力层的地基承载力，确定基础类型，计算基础参数的调查研究活动。其中物理勘探简称物探，是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础，用不同的物理方法和物探仪器，探测天然或人工的地球物理场的变化，通过分析、研究获得的物探资料，推断、解释地质构造和矿产分布情况。其中钻探是很常用的一种物探手段，是指用钻机在地层中钻孔，以鉴别和划分地表下地层，并可以沿孔深取样的一种勘探方法。如何更好地利用钻孔进行深入细致的探测工作，一直是地质勘探技术研究工作者追求的，当前利用钻孔进行的探测技术主要有综合测井（包括电测、声测、放射性、电磁、光学等测井方法）、孔间断面扫描（CT）等，这些方法技术主要是进行孔壁或两孔间断面的地质探测。但是这些方法都有各自的局限性，探测范围小，探测结果也不够精确，而且工作效率不高，无法直观探测出存在的溶洞等地质缺陷，因此，现有技术中还缺乏一种更好的钻孔声波雷达探测方法。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种钻孔声波雷达探测方法及钻孔声波径向扫描探头，使探测范围更广，探测结果更加精确，并且工作效率更高，可以直观地探测出存在的溶洞等地质缺陷。

为实现本发明的目的，本发明的一种钻孔声波雷达探测方法，其中，在利用声波进行钻孔径向雷达扫描进行工程地质勘探时，使用一种钻孔声波径向扫描探头，在利用该探头进行探测时采用共深度雷达扫描工作程序，该工作程序包括以下步骤：

1）将环形阵列探头放置在设计钻孔深度，对探头进行方位定位；

2）对探头进行贴壁操作；

3）操作地面声波仪对探头四周围岩进行径向声波扫描，形成以钻孔为圆心的声波雷达扫描图；

4）根据雷达回波图像、方位、反射时间确定地质缺陷的位置、距离和范围；

5）移动探头到下一个扫描深度点重复以上操作。

作为本方法的另外一种实现方式，在利用该探头进行探测时也可采用共角度雷达扫描工作程序，该工作程序包括以下步骤：

1）将探头放置在设计的钻孔某一起始位置，对探头进行方位固定，确定共角度方位，确定共角度方向的声波发射和接收探头；

2）操作地面仪器完成该点的声波发射接收工作；

3）按设计点距移动探头至下一点重复以上工作；

4）完成整条剖面的扫描工作，形成某一方位的共角度声波扫描图像；

5）根据扫描回波图像上的共角度方位、深度、时间确定地质缺陷的深度、距离和范围。

为实现上述方法，本发明还提供一种钻孔声波径向扫描探头，该探头通过导线与声波仪及控制监视主机连接，其中，该探头设有一个方位控制器，在方位控制器的尾端设有一个探管，在探管上设有由八条弹片呈花瓣状组成的传感器贴壁弹簧，在传感器贴壁弹簧的每条弹片的端头设有一个声波传感器及橡皮辅助垫；在探管上还设有可使传感器贴壁弹簧的八条弹片收拢在探管上或像外伸展开呈环形阵列形状的弹臂锁定及触发开关。

进一步的，上述的钻孔声波径向扫描探头，其中，所述弹臂锁定及触发开关位于探管的尾端。

更进一步的，上述的钻孔声波径向扫描探头，其中，所述导线通过设在孔口的滑轮下放该探头。

本发明的声波发射和接收仪器采用一般的岩土检测声波仪。本发明是利用声波的雷达原理，通过以钻孔为圆心，向孔周进行一定范围的雷达扫描，达到精准探测溶洞等地质缺陷的目的。该发明充分利用地下环境噪声小、钻孔的特点，采用声波雷达扫描技术实现立体柱状，能扫描孔周10米范围内的溶洞，探测范围大、现场工作效率高、探测溶洞直观，为工程地质详勘和充分利用钻孔提供了一种有效、快速的新方法。本发明解决了利用钻孔进行径向探测的技术难题，充分地利用了勘探孔的功能，提高了对深埋藏、小地质缺陷的探测能力，溶洞等地质缺陷异常识别直观、工作效率高，可广泛应用于市政、住建、交通、水利水电等建设领域的地质勘察、基础隐患排查工作。

附图说明  

图1是钻孔声波雷达探测方法示意图；

图2是钻孔声波雷达共深度扫描探头平面结构图；

图3是钻孔声波径向扫描探头结构示意图；

图4是钻孔声波径向扫描探头在孔中伸展开的示意图；

图5是钻孔声波雷达共深度径向扫描数据处理分析图。

附图标记说明：1-方位控制器，2-探管，3-传感器贴壁弹臂，4-声波传感器及橡皮辅助垫，5-弹臂锁定及触发开关，6-导线，7-声波仪及监视主机，8-滑轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明钻孔声波雷达探测方法示意图如图1所示，本发明的技术方案主要通过一种钻孔声波径向扫描探头来实现，该探头通过导线6与声波仪及控制监视主机7连接，该探头设有一个方位控制器1，在方位控制器1的尾端设有一个探管2，在探管2上设有由八条弹片呈花瓣状组成的传感器贴壁弹簧3，如图3、图4所示，在传感器贴壁弹簧3的每条弹片的端头设有一个声波传感器及橡皮辅助垫4；在探管2上还设有可使传感器贴壁弹簧3的八条弹片收拢在探管2上或像外伸展开呈环形阵列形状的弹臂锁定及触发开关5，当弹臂锁定及触发开关5处于关闭状态时，传感器贴壁弹簧3的八条弹片收拢在探管2上，这样利于将探头顺利放入钻孔中。当弹臂锁定及触发开关5受到触发打开时，传感器贴壁弹簧3的八条弹片受到的约束消失，八条弹片会立即向周围弹开并呈环形阵列形状，每条弹片的端头会抵住孔壁，使弹片端头上的声波传感器及橡皮辅助垫4紧贴在孔壁上。弹片弹开的程度与孔壁内径相关，但须保证弹片的端头能够抵住孔壁。

另外，所述弹臂锁定及触发开关5位于探管2的尾端，这样当探头下方至适宜深度后，弹臂锁定及触发开关5在触碰到孔底后能够触发打开。根据各种钻孔情况的不同，也可将弹臂锁定及触发开关5设置在探头上的其它部位，但均须使探头到达目标地点后弹臂锁定及触发开关5能够便于打开和关闭。

为操作方便，所述导线6通过设在孔口的滑轮8下放该探头。

在利用该探头进行探测时可采用共深度雷达扫描工作程序或共角度雷达扫描工作程序，其中共深度雷达扫描工作程序包括以下步骤：

1）将环形阵列探头放置在设计钻孔深度，对探头进行方位定位；

2）对探头进行贴壁操作；

3）操作地面声波仪对探头四周围岩进行径向声波扫描，形成以钻孔为圆心的声波雷达扫描图；

4）根据雷达回波图像、方位、反射时间确定地质缺陷的位置、距离和范围；

5）移动探头到下一个扫描深度点重复以上操作。

共角度雷达扫描工作程序包括以下步骤：

1）将探头放置在设计的钻孔某一起始位置，对探头进行方位固定，确定共角度方位，确定共角度方向的声波发射和接收探头；

2）操作地面仪器完成该点的声波发射接收工作；

3）按设计点距移动探头至下一点重复以上工作；

4）完成整条剖面的扫描工作，形成某一方位的共角度声波扫描图像；

5）根据扫描回波图像上的共角度方位、深度、时间确定地质缺陷的深度、距离和范围。

下面简要说明钻孔声波共深度雷达扫描工作程序的实施，钻孔声波雷达共深度扫描探头平面结构图如图2所示，图中地质缺陷部位位于探头右方，通过共深度雷达扫描工作程序可以很快确定地质缺陷部位的方位和大致距离，从而较快判断地质缺陷的位置和缺陷范围，便于制定应对措施。通过上述共深度雷达扫描工作程序得出的钻孔声波雷达共深度径向扫描数据处理分析图如图5所示，从图中可以看出，图中位于仪器右方的波形有明显的紊乱迹象，说明该处存在地质缺陷，再从波形紊乱的范围和大小即可判定地质缺陷的范围和位置。

钻孔声波共角度雷达扫描工作程序的原理、平面结构图和数据处理分析图与钻孔声波共深度雷达扫描工作程序相类似，在此不再累述。

为实施本发明的技术方案，还需钻孔雷达扫描和数据处理分析软件，该类软件主要功能包括：扫描控制功能、探头定位功能、增益控制、雷达图像排列、雷达图像基本数据处理功能、异常识别与距离方位测量功能等。该类软件目前在市场上可以很容易获取，属于常规声波探测辅助软件。

本发明使用的仪器可采用一般的岩土声波测试仪，但必须加载声波探头转换器。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。