水平钻孔间电阻率层析成像探测器、系统及探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种水平钻孔间电阻率层析成像探测器、系统及探测方法，可在干孔或水孔中探测。该发明主要由多针孔正负接口、钢管、多芯探测电缆、孔壁接触装置和密封三角锥构成。孔壁接触装置由接触探锥、弹簧、内套管、绝缘密封板、连通环和接线端组成，多芯探测电缆密封于钢管里面，其中每根芯连接一个孔壁接触装置。探测时，根据探测深度，利用多个本装置按顺序组装，并在进口端接上密封三角锥，一个接一个地塞进水平孔中，并通过引线与主机连接，即可实现干孔或水孔电阻率层析成像探测。探测完后，依次拆卸放好即可。该探测装置操作简便，水孔和干孔两用，实用性较强。
【专利说明】水平钻孔间电阻率层析成像探测器、系统及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地球物理探测技术，具体的说是一种地下空间工作面水平钻孔间电阻率层析成像探测器、系统及探测方法。
【背景技术】
[0002]进入21世纪以来，国内基础设施建设方兴未艾，而对每一项基础设施进行施工之前，不管是地下建筑，还是地上建筑，都需要了解其所处地质环境的优劣，以便后期的设计、施工、监测。特别是对于地下工程建设，在施工开挖过程中，需要不定期地查明围岩的地质情况，因为在开挖过程中很可能会出现无法预料的地质灾害，如涌水、涌泥、塌方等。如果不能做好这项工作，轻则施工机具毁坏，隧道变形，工期延误，重则造成重大人员伤亡，工程被迫停建和改线，造成巨大的经济损失。因此，采取有效的探测手段来探明建筑周围的地质环境，有重大的工程意义。
[0003]钻孔间电阻率层析成像方法是一种重要的地球物理勘探方法，以其探测精确度高和造价低等优点，广泛应用于各种工程探测。钻孔间电阻率层析成像法的工作原理是通过探测线缆上布设的电极向钻孔周围岩体供电，再由探测电极测定孔间不同位置的电阻率，经过反演计算和成像解释达到相应的地质探测目的。
[0004]垂直于地面的钻孔间电阻率层析成像探测做得比较多，也比较完善，但与地面平行的水平钻孔间电阻率层析成像做得比较少，探测装置也比较原始简陋。水平钻孔间电阻率层析成像一般用于隧道或坑道工作面的超前探测。进行探测时，需要在隧道工作面沿水平方向打两个钻孔，然后才能将相应的装置放入孔中探测。
[0005]目前的探测装置主要存在两大问题:首先，探测电缆和电极放入水平孔的方式主要靠用杆把线缆和电极捅进孔内，这使得线缆一是不易塞入孔中，二是不能保证电极等距或者放到指定的位置上；其次，在干孔条件下，探测电缆上的电极不能保证与孔壁进行良好接触。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种水平钻孔间电阻率层析成像探测器、系统及探测方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0008]一种水平钻孔间电阻率层析成像探测器，包括:
[0009]外套管，为直线型内部密封结构，其两端分别设置有能够相配合插接的多针孔正接口和多针孔负接口；
[0010]锥形体，安装于外套管前端，用于在隧道水平方向的钻孔中向前移动；
[0011]多芯探测电缆，设置于外套管中，用于探测隧道水平方向钻孔中数据；
[0012]孔壁接触装置，用于与隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的充分接触，并与多芯探测电缆中对应的一根电缆相连；孔壁接触装置设置于外套管中间部位的能实现外套管内外密封的密封绝缘槽中；
[0013]所述孔壁接触装置，包括弹簧和接触探锥，弹簧下端固定于密封绝缘槽底部，上端与接触探锥底部相连，接触探锥的上端部伸出密封绝缘槽外，探测时，通过弹簧及水平钻孔的孔壁或岩石的作用力，接触探锥能够在密封绝缘槽中沿外套管的径向移动；在弹簧作用力下，接触探锥的上端部与隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的充分接触，使接触探锥的上端部沿隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的轮廓随行而动，弹簧通过连通环与多芯探测电缆中对应的一根电缆的接线端相连。
[0014]所述孔壁接触装置与外套管的管壁之间通过密封绝缘槽中的绝缘密封板分隔开。
[0015]所述密封绝缘槽是在外套管中间部位沿径向向内凹陷的一环形槽。
[0016]所述环形槽的侧壁和底部均设置绝缘密封板。
[0017]与环形槽相对应的外套管内部设有一与外套管轴向同向的内套管。
[0018]环形槽中沿其周向均布有多个接触探锥，每个接触探锥对应一个弹簧，多个接触探锥之间依次串联，多个弹簧通过连通环串联后与多芯探测电缆中对应的一根电缆的接线端相连。
[0019]在自然状态下，多个接触探锥中的部分接触探锥在弹簧作用力深入密封绝缘槽中，以防止接触探锥在孔中被卡或弹簧被过度拉坏。
[0020]所述外套管为钢制杆状。
[0021]所述多芯探测电缆中的电缆与多针孔正接口和多针孔负接口匹配相连。
[0022]所述锥形体为三角锥，三角锥的底面与外套管端面配合连接。
[0023]一种水平钻孔间电阻率层析成像探测系统，将至少两根所述的探测器依次首尾插接串联，最前端探测器的前端上安装锥形体，末端探测器的后端通过引线电缆将探测器内的多芯探测电缆接至主机。
[0024]一种利用水平钻孔间电阻率层析成像探测系统的探测方法，包括:
[0025]I)依据钻孔的深度算出需要探测器的数量；
[0026]2)按顺序把多个探测器首尾顺次连接起来，并给进口最前端接上锥形体；
[0027]3)把连接好的探测器缓慢的送进隧道水平方向钻孔中；
[0028]4)用引线电缆把探测器连接到主机上；
[0029]5)重复以上4个步骤，把探测器放入到另一个孔中，并确保引线电缆把探测器接到主机上。
[0030]6)通过主机对一个孔中的两个接触探锥进行供电，此时，在两个接触探锥的周围便形成一个电流�。缓螅诹硪桓隹字胁饬苛礁鼋哟ヌ阶吨涞牡缪怪担�
[0031 ] 7)通过主机自动变换两个孔中的接触探锥的组合排列，一个组合排列对应一个测量电压值，如此，即可得到一系列的电压值。
[0032]8)利用现有的地球物理理论，把测得所有电压值转换成对应的电阻率值，然后进行反演计算，即可实现水平钻孔间的电阻率层析成像探测。
[0033]步骤3)的技术特征替换为，根据现场环境条件，每接一个探测器，送进一个探测器，一个接一个送进隧道水平方向钻孔中。
[0034]为了解决【背景技术】中提出的两大问题，本发明的水平钻孔间电阻率层析成像探测器钢制杆状结构，线缆和钢管一体，既保证了装置的强度，也保证了电极之间的距离的一致性，而且，通过该探测器一个一个的连接，可以满足各种探测深度的要求。另外，钢管中间的孔壁接触装置通过带弹簧和接触探锥可以确保与孔壁的充分接触。本发明可以水孔和干孔两用，操作简便、精度高。
[0035]本发明中，水平孔间电阻率层析成像探测器，整体呈杆状，主要包括针孔正负接口、钢管、多芯探测电缆、孔壁接触装置和密封三角锥五部分。装置整体为直线型钢制结构、内部完全密封、坚实牢固，确保其实际适用性。
[0036]钢管两端带有多针孔正负接口主要是为了多个探测器进行相互连接，适用于不同孔深条件下的探测。
[0037]多芯探测电缆主要考虑到实际探测过程中需要多个本探测器进行相互连接，而每个探测器上面的孔壁接触装置需要对应有一根芯(电线)连接。通过对每根芯和每个探测器进行统一编号，在组装时按顺序进行连接，即可保证多个探测器的正确组装。
[0038]孔壁接触装置的实现有两点关键，一是与孔壁或岩石的接触，二是密封和绝缘。通过接触探锥和弹簧的组合达到与孔壁的充分接触，此外，通过接触探锥在自然状态下深入密封绝缘槽里一部分，可同时保护接触探锥和弹簧不易被损坏。
[0039]利用多个探测器进行组装时，在最前面的进口端，接上密封三角锥，即可以对钢管进行密封，也利于装置往钻孔里伸进。
[0040]本发明实际操作过程非常简便:使用前，根据孔深计算所需本探测器的数量，然后按顺序组装本探测器并在进口端接上密封三角锥就可伸进孔中，最后，利用引线电缆接到主机上，即可实现相应的探测，探测完后，依次拆卸放好即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是水平钻孔间电阻率层析成像探测器结构图；
[0042]图2是孔壁接触装置剖面结构图；
[0043]图3是水平钻孔间电阻率层析成像探测器连接图；
[0044]图4是水平钻孔间电阻率层析成像探测器实际探测示意图；
[0045]图中I多针孔正接口，2多针孔负接口，3外套管，4多芯探测电缆，5孔壁接触装置，6密封三角锥，7接触探锥，8弹簧，9绝缘密封板，10内套管，11连通环，12接线端，13备用接线端，14钻孔，15连接好的探测器，16引线电缆，17主机。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0047]实施例1:图1是一个水平钻孔间电阻率层析成像探测器的结构图，主要由多针孔正接口 1、多针孔负接口 2、外套管3、多芯探测电缆4、孔壁接触装置5和密封三角锥6构成。装置整体为直线型钢制结构、内部完全密封、坚实牢固，确保其实际适用性。
[0048]外套管3，为直线型内部密封钢制杆状结构，其两端分别设置有能够相配合插接的多针孔正接口 I和多针孔负接口 2。钢管两端带有多针孔正负接口主要是为了多个探测器进行相互连接，适用于不同孔深条件下的探测。
[0049]密封三角锥6，安装于外套管3前端，三角锥的底面与外套管端面配合连接，用于在隧道水平方向的钻孔中向前移动。
[0050]多芯探测电缆4，设置于外套管3中，用于探测隧道水平方向钻孔中数据；多芯探测电缆4中的电缆与多针孔正接口 I和多针孔负接口 2匹配相连。
[0051]多芯探测电缆4主要考虑到实际探测过程中需要多个本探测器进行相互连接，而每个探测器上面的孔壁接触装置需要对应有一根芯(电线)连接。通过对每根芯和每个探测器进行统一编号，在组装时按顺序进行连接，即可保证多个探测器的正确组装。
[0052]孔壁接触装置5，用于与隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的充分接触，并与多芯探测电缆4中对应的一根电缆相连；孔壁接触装置2设置于外套管3中间部位的能实现外套管3内外密封的密封绝缘槽中。
[0053]密封绝缘槽是在外套管3中间部位沿径向向内凹陷的一环形槽。环形槽的侧壁和底部均设置绝缘密封板9。
[0054]孔壁接触装置5是本发明较为关键的一部分，实现有两点关键，一是与孔壁或岩石的接触，二是密封和绝缘。图2给出了其剖面结构图，主要包括接触探锥7、弹簧8、绝缘密封板9、内套管10、连通环11和接线端12 (备用接线端13)六部分。内套管10设置于与环形槽相对应的外套管3内部，且内套管10与外套管轴向同向同心。多芯探测电缆4从内套管10内部穿过，内套管10的长度大于环形槽底部的宽度，以便于更好保护其中的多芯探测电缆4。孔壁接触装置5通过弹簧8与接触探锥7组合保证与孔壁充分接触，且利用绝缘密封板9防止弹簧8和接触探锥7直接接触到外套管3和内套管10，并与外围水进行隔绝，达到管内密封效果。
[0055]弹簧8下端固定于密封绝缘槽底部，上端与接触探锥7底部相连，接触探锥7的上端部伸出密封绝缘槽外，探测时，通过弹簧8及水平钻孔的孔壁或岩石的作用力，接触探锥能够在密封绝缘槽中沿外套管3的径向移动；在弹簧8作用力下，接触探锥7的上端部与隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的充分接触，使接触探锥7的上端部沿隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的轮廓随行而动，弹簧8通过连通环11与多芯探测电缆4中对应的一根电缆的接线端12相连。
[0056]环形槽中沿其周向均布有多个接触探锥7，每个接触探锥7对应一个弹簧8，多个接触探锥7之间依次串联，多个弹簧8通过连通环11串联后与多芯探测电缆4中对应的一根电缆的接线端12相连。
[0057]在自然状态下，多个接触探锥7中的部分接触探锥在弹簧8作用力深入密封绝缘槽中，以防止接触探锥7在孔中被卡或弹簧8被过度拉坏。
[0058]实施例2:如图3、4所示，将至少两根所述的探测器依次首尾插接串联，最前端探测器的前端上安装密封三角锥6，末端探测器的后端通过引线电缆16将探测器内的多芯探测电缆4接至主机17。
[0059]实施例3:在进行实际探测时，
[0060]I)依据钻孔14的深度算出需要探测器的数量；
[0061]2)按顺序把多个探测器连接起来，并给进口最前端接上密封三角锥6，见图3 ；
[0062]3)把连接好的探测器15缓慢的送进钻孔14中，当然，也可以根据现场环境条件，每接一个探测器，送进一个探测器，一个接一个送进钻孔14中；
[0063]4)通过引线电缆16把连接好的探测器15接到主机17上，见图4 ;
[0064]5)重复以上4个步骤，把探测器放入到另一个孔中，并确保引线电缆把探测器接到主机上。
[0065]6)通过主机对一个孔中的两个接触探锥进行供电，此时，在两个接触探锥的周围便形成一个电流�。缓螅诹硪桓隹字胁饬苛礁鼋哟ヌ阶吨涞牡缪怪担�
[0066]7)通过主机自动变换两个孔中的接触探锥的组合排列，一个组合排列对应一个测量电压值，如此，即可得到一系列的电压值；
[0067]8)利用现有的地球物理理论，把测得所有电压值转换成对应的电阻率值，然后进行反演计算，即可实现水平钻孔间的电阻率层析成像探测。
[0068]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，包括: 外套管，为直线型内部密封结构，其两端分别设置有能够相配合插接的多针孔正接口和多针孔负接口； 锥形体，安装于外套管前端，用于在隧道水平方向的钻孔中向前移动； 多芯探测电缆，设置于外套管中，用于探测隧道水平方向钻孔中数据； 孔壁接触装置，用于与隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的充分接触，并与多芯探测电缆中对应的一根电缆相连；孔壁接触装置设置于外套管中间部位的能实现外套管内外密封的密封绝缘槽中； 所述孔壁接触装置，包括弹簧和接触探锥，弹簧下端固定于密封绝缘槽底部，上端与接触探锥底部相连，接触探锥的上端部伸出密封绝缘槽外，探测时，通过弹簧及水平钻孔的孔壁或岩石的作用力，接触探锥能够在密封绝缘槽中沿外套管的径向移动；在弹簧作用力下，接触探锥的上端部与隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的充分接触，使接触探锥的上端部沿隧道水平方向钻孔的孔壁或岩石的轮廓随行而动，弹簧通过连通环与多芯探测电缆中对应的一根电缆的接线端相连。
2.如权利要求1所述的水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，所述孔壁接触装置与外套管的管壁之间通过密封绝缘槽中的绝缘密封板分隔开。
3.如权利要求1所述的水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，所述密封绝缘槽是在外套管中间部位沿径向向内凹陷的一环形槽；所述环形槽的侧壁和底部均设置绝缘密封板。
4.如权利要求3所述的水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，与环形槽相对应的外套管内部设有一与外套管轴向同向的内套管。
5.如权利要求3所述的水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，环形槽中沿其周向均布有多个接触探锥，每个接触探锥对应一个弹簧，多个接触探锥之间依次串联，多个弹簧通过连通环串联后与多芯探测电缆中对应的一根电缆的接线端相连。
6.如权利要求1所述的水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，在自然状态下，多个接触探锥中的部分接触探锥在弹簧作用力深入密封绝缘槽中，以防止接触探锥在孔中被卡或弹簧被过度拉坏。
7.如权利要求1所述的水平钻孔间电阻率层析成像探测器，其特征是，所述多芯探测电缆中的电缆与多针孔正接口和多针孔负接口匹配相连。
8.一种水平钻孔间电阻率层析成像探测系统，其特征是，将至少两根权利要求1所述的探测器依次首尾插接串联，最前端探测器的前端上安装锥形体，末端探测器的后端通过引线电缆将探测器内的多芯探测电缆接至主机。
9.一种利用权利要求8所述水平钻孔间电阻率层析成像探测系统的探测方法，其特征是，包括: 1)依据钻孔的深度算出需要探测器的数量； 2)按顺序把多个探测器首尾顺次连接起来，并给进口最前端接上锥形体； 3)把连接好的探测器缓慢的送进隧道水平方向钻孔中； 4)通过引线电缆把连接好的探测器接到主机上； 5)重复以上4个步骤，把探测器放入到另一个孔中，并确保引线电缆把探测器接到主机上。 6)通过主机对一个孔中的两个接触探锥进行供电，此时，在两个接触探锥的周围便形成一个电流�。缓螅诹硪桓隹字胁饬苛礁鼋哟ヌ阶吨涞牡缪怪担� 7)通过主机自动变换两个孔中的接触探锥的组合排列，一个组合排列对应一个测量电压值，如此，即可得到一系列的电压值； 8)利用现有的地球物理理论，把测得所有电压值转换成对应的电阻率值，然后进行反演计算，即可实现水平钻孔间的电阻率层析成像探测。
10.如权利要求9所述的方法，其特征是，步骤3)的技术特征替换为，根据现场环境条件，每接一个探测器，送进一个探测器，一个接一个送进隧道水平方向钻孔中。
【文档编号】G01V3/02GK104166165SQ201410366278
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】苏茂鑫, 李术才, 薛翊国, 高瑜, 邱道宏, 林春金 申请人:山东大学
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