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水平鉆孔間電阻率層析成像探測器、系統(tǒng)及探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水平鉆孔間電阻率層析成像探測器、系統(tǒng)及探測方法，可在干孔或水孔中探測。該發(fā)明主要由多針孔正負接口、鋼管、多芯探測電纜、孔壁接觸裝置和密封三角錐構(gòu)成。孔壁接觸裝置由接觸探錐、彈簧、內(nèi)套管、絕緣密封板、連通環(huán)和接線端組成，多芯探測電纜密封于鋼管里面，其中每根芯連接一個孔壁接觸裝置。探測時，根據(jù)探測深度，利用多個本裝置按順序組裝，并在進口端接上密封三角錐，一個接一個地塞進水平孔中，并通過引線與主機連接，即可實現(xiàn)干孔或水孔電阻率層析成像探測。探測完后，依次拆卸放好即可。該探測裝置操作簡便，水孔和干孔兩用，實用性較強。
【專利說明】水平鉆孔間電阻率層析成像探測器、系統(tǒng)及探測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地球物理探測技術(shù)，具體的說是一種地下空間工作面水平鉆孔間電阻率層析成像探測器、系統(tǒng)及探測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]進入21世紀(jì)以來，國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方興未艾，而對每一項基礎(chǔ)設(shè)施進行施工之前，不管是地下建筑，還是地上建筑，都需要了解其所處地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣，以便后期的設(shè)計、施工、監(jiān)測。特別是對于地下工程建設(shè)，在施工開挖過程中，需要不定期地查明圍巖的地質(zhì)情況，因為在開挖過程中很可能會出現(xiàn)無法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害，如涌水、涌泥、塌方等。如果不能做好這項工作，輕則施工機具毀壞，隧道變形，工期延誤，重則造成重大人員傷亡，工程被迫停建和改線，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，采取有效的探測手段來探明建筑周圍的地質(zhì)環(huán)境，有重大的工程意義。
[0003]鉆孔間電阻率層析成像方法是一種重要的地球物理勘探方法，以其探測精確度高和造價低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種工程探測。鉆孔間電阻率層析成像法的工作原理是通過探測線纜上布設(shè)的電極向鉆孔周圍巖體供電，再由探測電極測定孔間不同位置的電阻率，經(jīng)過反演計算和成像解釋達到相應(yīng)的地質(zhì)探測目的。
[0004]垂直于地面的鉆孔間電阻率層析成像探測做得比較多，也比較完善，但與地面平行的水平鉆孔間電阻率層析成像做得比較少，探測裝置也比較原始簡陋。水平鉆孔間電阻率層析成像一般用于隧道或坑道工作面的超前探測。進行探測時，需要在隧道工作面沿水平方向打兩個鉆孔，然后才能將相應(yīng)的裝置放入孔中探測。
[0005]目前的探測裝置主要存在兩大問題:首先，探測電纜和電極放入水平孔的方式主要靠用桿把線纜和電極捅進孔內(nèi)，這使得線纜一是不易塞入孔中，二是不能保證電極等距或者放到指定的位置上；其次，在干孔條件下，探測電纜上的電極不能保證與孔壁進行良好接觸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水平鉆孔間電阻率層析成像探測器、系統(tǒng)及探測方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0008]一種水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，包括:
[0009]外套管，為直線型內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)，其兩端分別設(shè)置有能夠相配合插接的多針孔正接口和多針孔負接口；
[0010]錐形體，安裝于外套管前端，用于在隧道水平方向的鉆孔中向前移動；
[0011]多芯探測電纜，設(shè)置于外套管中，用于探測隧道水平方向鉆孔中數(shù)據(jù)；
[0012]孔壁接觸裝置，用于與隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的充分接觸，并與多芯探測電纜中對應(yīng)的一根電纜相連；孔壁接觸裝置設(shè)置于外套管中間部位的能實現(xiàn)外套管內(nèi)外密封的密封絕緣槽中；
[0013]所述孔壁接觸裝置，包括彈簧和接觸探錐，彈簧下端固定于密封絕緣槽底部，上端與接觸探錐底部相連，接觸探錐的上端部伸出密封絕緣槽外，探測時，通過彈簧及水平鉆孔的孔壁或巖石的作用力，接觸探錐能夠在密封絕緣槽中沿外套管的徑向移動；在彈簧作用力下，接觸探錐的上端部與隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的充分接觸，使接觸探錐的上端部沿隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的輪廓隨行而動，彈簧通過連通環(huán)與多芯探測電纜中對應(yīng)的一根電纜的接線端相連。
[0014]所述孔壁接觸裝置與外套管的管壁之間通過密封絕緣槽中的絕緣密封板分隔開。
[0015]所述密封絕緣槽是在外套管中間部位沿徑向向內(nèi)凹陷的一環(huán)形槽。
[0016]所述環(huán)形槽的側(cè)壁和底部均設(shè)置絕緣密封板。
[0017]與環(huán)形槽相對應(yīng)的外套管內(nèi)部設(shè)有一與外套管軸向同向的內(nèi)套管。
[0018]環(huán)形槽中沿其周向均布有多個接觸探錐，每個接觸探錐對應(yīng)一個彈簧，多個接觸探錐之間依次串聯(lián)，多個彈簧通過連通環(huán)串聯(lián)后與多芯探測電纜中對應(yīng)的一根電纜的接線端相連。
[0019]在自然狀態(tài)下，多個接觸探錐中的部分接觸探錐在彈簧作用力深入密封絕緣槽中，以防止接觸探錐在孔中被卡或彈簧被過度拉壞。
[0020]所述外套管為鋼制桿狀。
[0021]所述多芯探測電纜中的電纜與多針孔正接口和多針孔負接口匹配相連。
[0022]所述錐形體為三角錐，三角錐的底面與外套管端面配合連接。
[0023]一種水平鉆孔間電阻率層析成像探測系統(tǒng)，將至少兩根所述的探測器依次首尾插接串聯(lián)，最前端探測器的前端上安裝錐形體，末端探測器的后端通過引線電纜將探測器內(nèi)的多芯探測電纜接至主機。
[0024]一種利用水平鉆孔間電阻率層析成像探測系統(tǒng)的探測方法，包括:
[0025]I)依據(jù)鉆孔的深度算出需要探測器的數(shù)量；
[0026]2)按順序把多個探測器首尾順次連接起來，并給進口最前端接上錐形體；
[0027]3)把連接好的探測器緩慢的送進隧道水平方向鉆孔中；
[0028]4)用引線電纜把探測器連接到主機上；
[0029]5)重復(fù)以上4個步驟，把探測器放入到另一個孔中，并確保引線電纜把探測器接到主機上。
[0030]6)通過主機對一個孔中的兩個接觸探錐進行供電，此時，在兩個接觸探錐的周圍便形成一個電流場，然后，在另一個孔中測量兩個接觸探錐之間的電壓值；
[0031 ] 7)通過主機自動變換兩個孔中的接觸探錐的組合排列，一個組合排列對應(yīng)一個測量電壓值，如此，即可得到一系列的電壓值。
[0032]8)利用現(xiàn)有的地球物理理論，把測得所有電壓值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電阻率值，然后進行反演計算，即可實現(xiàn)水平鉆孔間的電阻率層析成像探測。
[0033]步驟3)的技術(shù)特征替換為，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，每接一個探測器，送進一個探測器，一個接一個送進隧道水平方向鉆孔中。
[0034]為了解決【背景技術(shù)】中提出的兩大問題，本發(fā)明的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器鋼制桿狀結(jié)構(gòu)，線纜和鋼管一體，既保證了裝置的強度，也保證了電極之間的距離的一致性，而且，通過該探測器一個一個的連接，可以滿足各種探測深度的要求。另外，鋼管中間的孔壁接觸裝置通過帶彈簧和接觸探錐可以確保與孔壁的充分接觸。本發(fā)明可以水孔和干孔兩用，操作簡便、精度高。
[0035]本發(fā)明中，水平孔間電阻率層析成像探測器，整體呈桿狀，主要包括針孔正負接口、鋼管、多芯探測電纜、孔壁接觸裝置和密封三角錐五部分。裝置整體為直線型鋼制結(jié)構(gòu)、內(nèi)部完全密封、堅實牢固，確保其實際適用性。
[0036]鋼管兩端帶有多針孔正負接口主要是為了多個探測器進行相互連接，適用于不同孔深條件下的探測。
[0037]多芯探測電纜主要考慮到實際探測過程中需要多個本探測器進行相互連接，而每個探測器上面的孔壁接觸裝置需要對應(yīng)有一根芯(電線)連接。通過對每根芯和每個探測器進行統(tǒng)一編號，在組裝時按順序進行連接，即可保證多個探測器的正確組裝。
[0038]孔壁接觸裝置的實現(xiàn)有兩點關(guān)鍵，一是與孔壁或巖石的接觸，二是密封和絕緣。通過接觸探錐和彈簧的組合達到與孔壁的充分接觸，此外，通過接觸探錐在自然狀態(tài)下深入密封絕緣槽里一部分，可同時保護接觸探錐和彈簧不易被損壞。
[0039]利用多個探測器進行組裝時，在最前面的進口端，接上密封三角錐，即可以對鋼管進行密封，也利于裝置往鉆孔里伸進。
[0040]本發(fā)明實際操作過程非常簡便:使用前，根據(jù)孔深計算所需本探測器的數(shù)量，然后按順序組裝本探測器并在進口端接上密封三角錐就可伸進孔中，最后，利用引線電纜接到主機上，即可實現(xiàn)相應(yīng)的探測，探測完后，依次拆卸放好即可。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是水平鉆孔間電阻率層析成像探測器結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖2是孔壁接觸裝置剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0043]圖3是水平鉆孔間電阻率層析成像探測器連接圖；
[0044]圖4是水平鉆孔間電阻率層析成像探測器實際探測示意圖；
[0045]圖中I多針孔正接口，2多針孔負接口，3外套管，4多芯探測電纜，5孔壁接觸裝置，6密封三角錐，7接觸探錐，8彈簧，9絕緣密封板，10內(nèi)套管，11連通環(huán)，12接線端，13備用接線端，14鉆孔，15連接好的探測器，16引線電纜，17主機。

【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0047]實施例1:圖1是一個水平鉆孔間電阻率層析成像探測器的結(jié)構(gòu)圖，主要由多針孔正接口 1、多針孔負接口 2、外套管3、多芯探測電纜4、孔壁接觸裝置5和密封三角錐6構(gòu)成。裝置整體為直線型鋼制結(jié)構(gòu)、內(nèi)部完全密封、堅實牢固，確保其實際適用性。
[0048]外套管3，為直線型內(nèi)部密封鋼制桿狀結(jié)構(gòu)，其兩端分別設(shè)置有能夠相配合插接的多針孔正接口 I和多針孔負接口 2。鋼管兩端帶有多針孔正負接口主要是為了多個探測器進行相互連接，適用于不同孔深條件下的探測。
[0049]密封三角錐6，安裝于外套管3前端，三角錐的底面與外套管端面配合連接，用于在隧道水平方向的鉆孔中向前移動。
[0050]多芯探測電纜4，設(shè)置于外套管3中，用于探測隧道水平方向鉆孔中數(shù)據(jù)；多芯探測電纜4中的電纜與多針孔正接口 I和多針孔負接口 2匹配相連。
[0051]多芯探測電纜4主要考慮到實際探測過程中需要多個本探測器進行相互連接，而每個探測器上面的孔壁接觸裝置需要對應(yīng)有一根芯(電線)連接。通過對每根芯和每個探測器進行統(tǒng)一編號，在組裝時按順序進行連接，即可保證多個探測器的正確組裝。
[0052]孔壁接觸裝置5，用于與隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的充分接觸，并與多芯探測電纜4中對應(yīng)的一根電纜相連；孔壁接觸裝置2設(shè)置于外套管3中間部位的能實現(xiàn)外套管3內(nèi)外密封的密封絕緣槽中。
[0053]密封絕緣槽是在外套管3中間部位沿徑向向內(nèi)凹陷的一環(huán)形槽。環(huán)形槽的側(cè)壁和底部均設(shè)置絕緣密封板9。
[0054]孔壁接觸裝置5是本發(fā)明較為關(guān)鍵的一部分，實現(xiàn)有兩點關(guān)鍵，一是與孔壁或巖石的接觸，二是密封和絕緣。圖2給出了其剖面結(jié)構(gòu)圖，主要包括接觸探錐7、彈簧8、絕緣密封板9、內(nèi)套管10、連通環(huán)11和接線端12 (備用接線端13)六部分。內(nèi)套管10設(shè)置于與環(huán)形槽相對應(yīng)的外套管3內(nèi)部，且內(nèi)套管10與外套管軸向同向同心。多芯探測電纜4從內(nèi)套管10內(nèi)部穿過，內(nèi)套管10的長度大于環(huán)形槽底部的寬度，以便于更好保護其中的多芯探測電纜4。孔壁接觸裝置5通過彈簧8與接觸探錐7組合保證與孔壁充分接觸，且利用絕緣密封板9防止彈簧8和接觸探錐7直接接觸到外套管3和內(nèi)套管10，并與外圍水進行隔絕，達到管內(nèi)密封效果。
[0055]彈簧8下端固定于密封絕緣槽底部，上端與接觸探錐7底部相連，接觸探錐7的上端部伸出密封絕緣槽外，探測時，通過彈簧8及水平鉆孔的孔壁或巖石的作用力，接觸探錐能夠在密封絕緣槽中沿外套管3的徑向移動；在彈簧8作用力下，接觸探錐7的上端部與隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的充分接觸，使接觸探錐7的上端部沿隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的輪廓隨行而動，彈簧8通過連通環(huán)11與多芯探測電纜4中對應(yīng)的一根電纜的接線端12相連。
[0056]環(huán)形槽中沿其周向均布有多個接觸探錐7，每個接觸探錐7對應(yīng)一個彈簧8，多個接觸探錐7之間依次串聯(lián)，多個彈簧8通過連通環(huán)11串聯(lián)后與多芯探測電纜4中對應(yīng)的一根電纜的接線端12相連。
[0057]在自然狀態(tài)下，多個接觸探錐7中的部分接觸探錐在彈簧8作用力深入密封絕緣槽中，以防止接觸探錐7在孔中被卡或彈簧8被過度拉壞。
[0058]實施例2:如圖3、4所示，將至少兩根所述的探測器依次首尾插接串聯(lián)，最前端探測器的前端上安裝密封三角錐6，末端探測器的后端通過引線電纜16將探測器內(nèi)的多芯探測電纜4接至主機17。
[0059]實施例3:在進行實際探測時，
[0060]I)依據(jù)鉆孔14的深度算出需要探測器的數(shù)量；
[0061]2)按順序把多個探測器連接起來，并給進口最前端接上密封三角錐6，見圖3 ；
[0062]3)把連接好的探測器15緩慢的送進鉆孔14中，當(dāng)然，也可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，每接一個探測器，送進一個探測器，一個接一個送進鉆孔14中；
[0063]4)通過引線電纜16把連接好的探測器15接到主機17上，見圖4 ;
[0064]5)重復(fù)以上4個步驟，把探測器放入到另一個孔中，并確保引線電纜把探測器接到主機上。
[0065]6)通過主機對一個孔中的兩個接觸探錐進行供電，此時，在兩個接觸探錐的周圍便形成一個電流場，然后，在另一個孔中測量兩個接觸探錐之間的電壓值；
[0066]7)通過主機自動變換兩個孔中的接觸探錐的組合排列，一個組合排列對應(yīng)一個測量電壓值，如此，即可得到一系列的電壓值；
[0067]8)利用現(xiàn)有的地球物理理論，把測得所有電壓值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電阻率值，然后進行反演計算，即可實現(xiàn)水平鉆孔間的電阻率層析成像探測。
[0068]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，包括: 外套管，為直線型內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)，其兩端分別設(shè)置有能夠相配合插接的多針孔正接口和多針孔負接口； 錐形體，安裝于外套管前端，用于在隧道水平方向的鉆孔中向前移動； 多芯探測電纜，設(shè)置于外套管中，用于探測隧道水平方向鉆孔中數(shù)據(jù)； 孔壁接觸裝置，用于與隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的充分接觸，并與多芯探測電纜中對應(yīng)的一根電纜相連；孔壁接觸裝置設(shè)置于外套管中間部位的能實現(xiàn)外套管內(nèi)外密封的密封絕緣槽中； 所述孔壁接觸裝置，包括彈簧和接觸探錐，彈簧下端固定于密封絕緣槽底部，上端與接觸探錐底部相連，接觸探錐的上端部伸出密封絕緣槽外，探測時，通過彈簧及水平鉆孔的孔壁或巖石的作用力，接觸探錐能夠在密封絕緣槽中沿外套管的徑向移動；在彈簧作用力下，接觸探錐的上端部與隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的充分接觸，使接觸探錐的上端部沿隧道水平方向鉆孔的孔壁或巖石的輪廓隨行而動，彈簧通過連通環(huán)與多芯探測電纜中對應(yīng)的一根電纜的接線端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，所述孔壁接觸裝置與外套管的管壁之間通過密封絕緣槽中的絕緣密封板分隔開。
3.如權(quán)利要求1所述的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，所述密封絕緣槽是在外套管中間部位沿徑向向內(nèi)凹陷的一環(huán)形槽；所述環(huán)形槽的側(cè)壁和底部均設(shè)置絕緣密封板。
4.如權(quán)利要求3所述的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，與環(huán)形槽相對應(yīng)的外套管內(nèi)部設(shè)有一與外套管軸向同向的內(nèi)套管。
5.如權(quán)利要求3所述的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，環(huán)形槽中沿其周向均布有多個接觸探錐，每個接觸探錐對應(yīng)一個彈簧，多個接觸探錐之間依次串聯(lián)，多個彈簧通過連通環(huán)串聯(lián)后與多芯探測電纜中對應(yīng)的一根電纜的接線端相連。
6.如權(quán)利要求1所述的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，在自然狀態(tài)下，多個接觸探錐中的部分接觸探錐在彈簧作用力深入密封絕緣槽中，以防止接觸探錐在孔中被卡或彈簧被過度拉壞。
7.如權(quán)利要求1所述的水平鉆孔間電阻率層析成像探測器，其特征是，所述多芯探測電纜中的電纜與多針孔正接口和多針孔負接口匹配相連。
8.一種水平鉆孔間電阻率層析成像探測系統(tǒng)，其特征是，將至少兩根權(quán)利要求1所述的探測器依次首尾插接串聯(lián)，最前端探測器的前端上安裝錐形體，末端探測器的后端通過引線電纜將探測器內(nèi)的多芯探測電纜接至主機。
9.一種利用權(quán)利要求8所述水平鉆孔間電阻率層析成像探測系統(tǒng)的探測方法，其特征是，包括: 1)依據(jù)鉆孔的深度算出需要探測器的數(shù)量； 2)按順序把多個探測器首尾順次連接起來，并給進口最前端接上錐形體； 3)把連接好的探測器緩慢的送進隧道水平方向鉆孔中； 4)通過引線電纜把連接好的探測器接到主機上； 5)重復(fù)以上4個步驟，把探測器放入到另一個孔中，并確保引線電纜把探測器接到主機上。 6)通過主機對一個孔中的兩個接觸探錐進行供電，此時，在兩個接觸探錐的周圍便形成一個電流場，然后，在另一個孔中測量兩個接觸探錐之間的電壓值； 7)通過主機自動變換兩個孔中的接觸探錐的組合排列，一個組合排列對應(yīng)一個測量電壓值，如此，即可得到一系列的電壓值； 8)利用現(xiàn)有的地球物理理論，把測得所有電壓值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電阻率值，然后進行反演計算，即可實現(xiàn)水平鉆孔間的電阻率層析成像探測。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，步驟3)的技術(shù)特征替換為，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，每接一個探測器，送進一個探測器，一個接一個送進隧道水平方向鉆孔中。
【文檔編號】G01V3/02GK104166165SQ201410366278
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】蘇茂鑫, 李術(shù)才, 薛翊國, 高瑜, 邱道宏, 林春金 申請人:山東大學(xué)