CN105804721A - 一种溶洞探测***及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程探测技术领域，尤其涉及一种溶洞探测***及其使用方法。本发明提供了一种溶洞探测***及其使用方法，该溶洞探测***包括探测器及计算机，探测器包括探杆及与探杆底部连接的探头，探头包括水平旋转单元及与水平旋转单元同轴设置的竖直旋转单元，能对所测溶洞进行全方位探测，竖直旋转单元的下端设有内置转轴固定的旋转杆；旋转杆上设有用于探测钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况及充填情况的探测集成装置；探杆内部设有用于采集探测集成装置探测到的信息的信息采集装置。通过计算机能对探头的转动角度进行精细化控制，并可对探测模式进行灵活切换，探测精度高，有利于提高岩溶区工程建设的经济性与安全稳定性。

Description

一种溶洞探测***及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程探测技术领域，尤其涉及一种溶洞探测***及其使用方法，具体涉及一种能对钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况与充填情况进行全方位探测的精细化控制溶洞探测***及其使用方法。

背景技术

当前我国经济已经进入一个快速发展的时期，对于岩土工程基础性工作提出了新的要求，溶洞作为岩溶区工程建设所涉及的主要地质问题之一，极大地影响了岩溶区工程建设的经济性与安全稳定性，此时，对溶洞进行全面详实的地质勘查、探测变得十分迫切与重要。

三维激光扫描技术在隧道、边坡、地下厂房等工程方面的应用日趋广泛，也被逐渐应用到溶洞探测领域，如发明专利CN104457612A所述的钻孔置入式三维空间激光扫描测距成像***，该***通过使用连接延长杆将装置伸入待测区域，并通过计算机对该区域的三维空间几何信息进行测量；发明专利CN104359422A所述的一种钻孔摄像探测空腔几何轮廓的装置和方法，提供了一种采用光学探测并计算空腔几何形态的方法；发明专利CN204041056U所述的一种矿山井下钻孔探测仪，该探测仪可对井下钻孔进行探测，但只能区分井下溶洞的岩性与分层厚度。

以上所述探测装置的功能性单一，只能获得溶洞的几何信息或区分溶洞的岩性与分层厚度；同时，因探测装置的探测角度受限，无法一次性对溶洞进行全方位探测，且对与溶洞稳定性相关的顶板厚度、溶洞围岩情况、充填情况等重要信息无法一并进行探测与获取，由此极大地影响了岩溶区工程建设的经济性与安全性，不利于促进岩土工程的进一步发展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有溶洞探测装置的探测角度受限以及无法探测溶洞顶板厚度、围岩情况与充填情况，进而造成不利于岩溶区工程建设经济性与安全稳定性的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种溶洞探测***，该溶洞探测***包括探测器及与所述探测器连接的计算机，所述探测器包括探杆及与所述探杆底部连接的探头，所述探头包括水平旋转单元及与所述水平旋转单元同轴设置的竖直旋转单元，所述竖直旋转单元的下端设有通过内置转轴固定的旋转杆；所述旋转杆上设有用于探测钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况及充填情况的探测集成装置；所述探杆内设有信息采集装置，所述信息采集装置用于采集所述探测集成装置探测到的信息，并通过电缆线传输至所述计算机。

其中，所述探测集成装置包括红外线钻孔摄像仪、三维激光扫描仪及声波探测仪，所述三维激光扫描仪包括激光发射镜头及激光接收镜头，所述声波探测仪包括声波发射器及声波接收器；所述红外线钻孔摄像仪与所述声波发射器分别设于所述旋转杆两端的端面，所述激光发射镜头与所述激光接收镜头对应于所述红外线钻孔摄像仪设于所述旋转杆的一端，所述声波接收器对应于所述声波发射器设于所述旋转杆的另一端。

其中，所述信息采集装置包括数据能源集成模块、信号转换模块、三维激光扫描仪信号采集模块、声波传输信号采集模块及红外线钻孔摄像仪信号采集模块；所述三维激光扫描仪信号采集模块、声波传输信号采集模块及红外线钻孔摄像仪信号采集模块分别用于采集三维激光扫描仪、声波探测仪及红外线钻孔摄像仪的探测信息，并传输至所述信号转换模块转换，转换后的信息通过所述数据能源集成模块上传至所述计算机。

其中，所述信息采集装置还包括与信号转换模块连接的罗盘定位模块，所述罗盘定位模块用于记录所述探测器下降过程中的位置变化及进行探测时各个姿态的空间信息。

其中，所述水平旋转单元包括第一电机及水平齿轮旋转装置，通过所述第一电机带动所述水平齿轮旋转装置啮合以驱动所述探头水平旋转。

其中，所述竖直旋转单元还包括第二电机及与所述旋转杆连接的竖向齿轮旋转装置，通过所述第二电机带动所述竖向齿轮旋转装置啮合以驱动所述旋转杆竖直旋转。

其中，所述探头的顶部设有插头及第二外接螺纹，所述探杆的底部对应于所述插头及第二外接螺纹分别设有接头插孔及内接螺纹卡扣。

其中，该溶洞探测***还包括至少一根与所述探杆顶部连接的钻杆。

其中，该溶洞探测***还包括钻杆提引器及与所述钻杆提引器连接的钻机控制平台，所述钻杆提引器与所述钻杆连接。

本发明还提供了一种溶洞探测***的使用方法，具体包括如下操作步骤：

S1、将钻杆提引器套在水平放置的探测器上端部第一卡槽上，并通过钻机控制平台控制卷扬机将探测器提升，使探头的红外线钻孔摄像仪位于钻孔孔口，采用电缆线将探测器与计算机连接，并切换至红外线钻孔摄像模式，将探测器沿着钻孔路径缓慢下放直至第二卡槽与孔口位置齐平，下放过程中同时对钻孔内围岩情况进行拍摄，并将数据传回计算机进行存储；

S2、采用卡槽扳手通过第二卡槽固定探测器并使其位于步骤S1中的孔口位置，将连接探测器的电缆线从计算机中拔出并使其从第一根空心钻杆中间穿过，再将电缆线的接头与计算机连接，通过钻机控制平台控制卷扬机将第一根钻杆起吊至探测器上端部上方，并将探测器通过螺纹与第一根钻杆连接；

S3、将探测器与第一根钻杆沿着钻孔路径缓慢下放直至第一根钻杆的第二卡槽位于步骤S1中的孔口位置并采用卡槽扳手固定，在探测器下降过程中，红外线钻孔摄像仪始终处于工作状态，并将拍摄的画面传回计算机进行存储，随后准备将第二根钻杆与第一根钻杆连接；

S4、重复步骤S2与S3，直至将探测器的探头刚好下放至溶洞顶板以下，开启声波探测仪作业模式对钻孔附近岩溶顶板进行探测，结合岩溶顶板红外线钻孔摄像仪测试结果综合确定岩溶顶板厚度及溶洞围岩波速；

S5、将探测器继续下放至溶洞内的指定位置，并将电缆线与计算机连接；

S6、针对空溶洞，通过计算机操作选定不同指定位置的激光发射镜头和激光接收镜头的作业模式，并通过水平旋转单元与竖直旋转单元分别进行水平360度与竖向180度旋转以完成对所测空溶洞内部形态的全方位探测工作，从而得出所测空溶洞三维空间的几何形态，同时，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取空溶洞围岩情况；

或针对半充填溶洞，先采用空溶洞的方法确定溶洞非充填部分的几何形态；然后，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取充填部分溶洞的几何形态与充填密实情况以及溶洞围岩情况；

或针对充填溶洞，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取充填溶洞的几何形态与充填密实情况以及溶洞围岩情况。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种溶洞探测***及其使用方法，该溶洞探测***包括探测器及与探测器连接的计算机，探测器包括探杆及与探杆底部连接的探头，探头包括水平旋转单元及与水平旋转单元同轴设置的竖直旋转单元，可根据探测需要对所测溶洞分别进行水平360度与竖向180度的全方位探测，竖直旋转单元的下端设有内置转轴固定的旋转杆；旋转杆上设有用于探测钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况及充填情况的探测集成装置；探杆内部设有用于采集探测集成装置探测到的信息的信息采集装置，并通过电缆线传输至计算机。通过计算机对探头的转动角度进行精细化控制，并可对探测模式进行灵活切换，通过钻机的钻杆进行探测器布设可确保测试过程中设备稳定、数据可靠；该***探测精度高，有利于提高岩溶区工程建设的经济性与安全稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例一种溶洞探测***中探测器上功能模块分布及与计算机、电源的连接示意图；

图2是本发明实施例一种溶洞探测***中探测器具体组成部分的结构示意图；

图3是本发明实施例一种溶洞探测***中探头的结构示意图；

图4是本发明实施例一种溶洞探测***中水平旋转齿轮***的齿轮传动图；

图5是本发明实施例一种溶洞探测***中竖直旋转齿轮***的齿轮传动正视图；

图6是本发明实施例一种溶洞探测***中竖直旋转齿轮***的齿轮传动侧视图；

图7是未钻孔前的溶洞示意图；

图8是钻孔后的溶洞示意图；

图9是本发明实施例一种溶洞探测***中钻杆提引器与探测器连接的结构示意图；

图10是本发明实施例一种溶洞探测***中探测器与钻杆连接的结构示意图；

图11是将本发明实施例一种溶洞探测***进行探测的示意图。

图中：1：外接螺纹；2：第一卡槽；3：第二卡槽；4：插头；5：第二外接螺纹；6：水平旋转单元；7：声波发射器；8：声波接收器；9：激光接收镜头；10：激光发射镜头；11：红外线钻孔摄像仪；12：电缆线；13：数据能源集成模块；14：信号转换模块；15：罗盘定位模块；16：三维激光扫描仪信号采集模块；17：声波传输信号采集模块；18：红外线钻孔摄像仪信号采集模块；19：数据产生与采集***；20：水平旋转齿轮装置；21：竖直旋转齿轮装置；22：旋转装置；23：信号发射装置；24：信号接收装置；25：旋转杆；26：计算机；27：电源；28：钻机控制平台；29：钻杆提引器；30：探测器；31：钻杆；32：卡槽扳手。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种溶洞探测***，其包括探测器30及与探测器30连接的计算机26，探测器30包括探杆及与探杆底部连接的探头，探头包括水平旋转单元6及与水平旋转单元6同轴设置的竖直旋转单元，可根据探测需要对所测溶洞进行水平360度与竖向180度方向的全方位探测，竖直旋转单元的下端设有通过内置转轴固定的旋转杆25；旋转杆25上设有用于探测钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况及充填情况的探测集成装置；探杆内部设有信息采集装置，信息采集装置用于采集探测集成装置探测到的信息，并通过电缆线12传输至计算机26；具体地，探测器30通过钻机的钻杆31进行布设。通过计算机26对探头的转动角度进行精细化控制，并可对探测模式进行灵活切换，通过钻机的钻杆31进行探测器布设可确保测试过程中设备稳定、数据可靠；该***探测精度高，有利于提高岩溶区工程建设的经济性与安全稳定性。其中，探测模式有激光发射镜头10和激光接收镜头9作业模式及声波探测仪作业模式；特别的是，在探测器30下降期间，红外线钻孔摄像仪11可一直处于工作状态中。

值得说明的是，电缆线12起到连接探测器30、计算机26及电源27的功能；同时电缆线12将探测器30探测得到的数据上传至计算机26。计算机26安装了与探测器30中探测集成装置及信息采集装置相对应的分析软件，并可通过计算机26远程控制探测器30进行探测作业。

具体地，探测集成装置包括红外线钻孔摄像仪11、三维激光扫描仪及声波探测仪，三维激光扫描仪包括激光发射镜头10与激光接收镜头9，声波探测仪包括声波发射器7与声波接收器8；红外线钻孔摄像仪11及声波发射器7分别设于旋转杆25两端的端面，激光发射镜头10及激光接收镜头9对应于红外线钻孔摄像仪11设于旋转杆25的一端，其中，激光发射镜头10设于靠近红外线钻孔摄像仪11的一侧，探测时激光发射镜头10距离溶洞更近，有助于提高探测数据的精确度；声波接收器8对应于声波发射器7设于旋转杆25的另一端。

具体地，信息采集装置包括数据能源集成模块13、信号转换模块14、三维激光扫描仪信号采集模块16、声波传输信号采集模块17及红外线钻孔摄像仪信号采集模块18；三维激光扫描仪信号采集模块16、声波传输信号采集模块17及红外线钻孔摄像仪信号采集模块18分别用于采集三维激光扫描仪、声波探测仪及红外线钻孔摄像仪11的探测信息，并传输至信号转换模块14转换，转换后的信息通过数据能源集成模块13上传至计算机26。

进一步地，信息采集装置还包括与信号转换模块14连接的罗盘定位模块15，罗盘定位模块15用于记录探测器30下降过程中的位置变化及进行探测时各个姿态的空间信息，并将其空间信息通过信号转换模块14转换后，进而通过数据能源集成模块13实时传递给计算机26以便做进一步的分析与控制，提高控制精度。

值得说明的是，在本实施例中，信号发射装置23包括声波发射器7、激光发射镜头10及红外线钻孔摄像仪11；信号接收装置24包括声波接收器8及激光接收镜头9；数据产生与采集***19包括三维激光扫描仪信号采集模块16、声波传输信号采集模块17及红外线钻孔摄像仪信号采集模块18。

优选地，在本实施例中，探测器30的形状为长筒圆柱形，共分为两个部分：探杆和探头。探杆部分包括三个部分：上端部，中间杆以及下端部，上端部的端头设有外接螺纹1，它与钻杆31的内接螺纹相吻合而连接，或者通过转换头实现与钻杆31的连接；为便于探测器30与钻杆31的连接，上端部还设有第一卡槽2和第二卡槽3。中间杆内设有信息采集装置，主要起到探头信号采集与传输、计算机指令实施以及能源供给等功能。下端部与探头连接，探头的顶部设有插头4及第二外接螺纹5，探杆的底部对应于插头4及第二外接螺纹5分别设有接头插孔及内接螺纹卡扣；通过将插头4***接头插孔内并旋转螺纹以实现下端部与探头的连接。

在本实施例中，旋转装置22包括水平齿轮旋转装置20及竖向齿轮旋转装置21。

在本实施例中，水平旋转单元6包括第一电机及水平齿轮旋转装置20，通过第一电机带动水平齿轮旋转装置20啮合以驱动探头水平旋转。

具体地，水平齿轮旋转装置20采用行星齿轮传动理论进行设计。行星齿轮传动具有体积小、质量小、结构紧凑的特点，并因其输入轴与输出轴具有同轴性，因此，其传动效率高且运动平稳、抗冲击及振动能力强，在传递动力时可以进行功率分流。为了提高探测器30的探测精度，水平齿轮旋转装置20的主体设计传动比为360，采用两个3Z(I)型行星齿轮传动，齿轮最大外径为72mm，其主轴与探测器30的中心轴重合。

发动机装置a通过电机输出动力，其输出轴与行星齿轮主轴重合，并与位于其下方的中心轮b连接，中心轮b的齿数为18，其传输动力通过三个行星轮c进行功率分流，带动行星轮c中心轴向下方的行星架e输送动力，三个行星轮c大小完全相同，齿数均为27，且均匀分布于中心轮的周围。

三个行星轮c围绕中心内齿轮d滚动，内齿轮d为不动轮，其与探测器固定在一起，其齿数为72。行星架e带动下方三个与之相连的行星轮f进行旋转(行星轮f的齿数为15)。g是一个内齿轮组合结构，上半部分的内齿轮齿数为60，其目的是将三个行星轮传输过来的动力通过一个中心轴传输给下方的中心轮h(中心轮h的齿数为15，与行星轮f相同)，中心轮h传输的动力也通过三个分布均匀的行星轮i传递。k、n、m的动力传输方式与e、g、f相同，其相应的齿轮规格参照表1。

表1齿轮旋转***的参数值

通过上述动力传输装置可实现从发动机装置a到内齿轮组合结构n的动力传送，而内齿轮组合结构n则最终带动整个探测器的下部分进行水平方向的旋转，通过这样的方式，最终实现计算机26控制发动机装置转动，进而控制探测器30进行360度水平方向的旋转，其实物分解图见图4。

在本实施例中，竖直旋转单元还包括第二电机及与旋转杆25内置转轴连接的竖向齿轮旋转装置21，通过第二电机带动竖向齿轮旋转装置21啮合以驱动旋转杆25竖直旋转。

具体地，竖向齿轮旋转装置21采用的动力***与水平齿轮旋转装置20相同，其拥有独立的发动机装置a′，通过与上述水平齿轮旋转***相同的动力传输方式，将动力输送至内齿轮组合结构n′，内齿轮组合结构n′通过其下方的中心轴与锥齿轮o相连，锥齿轮o在竖向平面内与相同大小的锥齿轮p连接(锥齿轮o与p的分度圆锥角均为45°，齿数均为36)，从而实现从水平传动传递至竖向传动却又不改变传动比的目的，p锥齿轮的外侧连接了一个与其同轴的链轮q，链轮q通过链条r与竖向旋转杆内置转轴上的另一个大小相同的链轮s相连。通过以上传动方式可实现竖向齿轮旋转装置21的功能，其示意图见图5和图6。

进一步地，该溶洞探测***还包括至少一根与探杆顶部连接的钻杆31。其中，钻杆31的具体数量应根据所测溶洞的深度来决定。

进一步地，该溶洞探测***还包括钻杆提引器29及与钻杆提引器29连接的钻机控制平台28，钻杆提引器29与钻杆31连接。具体地，通过钻孔设备上的钻机控制平台28控制卷扬机将探测器30提升或下放，并通过电缆线12连接探测器30与计算机26。

本发明还提供了一种溶洞探测***的使用方法，包括如下操作步骤：

S1、将钻杆提引器29套在水平放置的探测器30上端部第一卡槽2上，并通过钻机控制平台28控制卷扬机将探测器30提升，使探头的红外线钻孔摄像端11位于钻孔孔口，采用电缆线12将探测器30与计算机26连接，并切换至红外线钻孔摄像模式，将探测器30沿着钻孔路径缓慢下放直至第二卡槽3与孔口位置齐平，下放过程中同时对钻孔内围岩情况进行拍摄，并将数据传回计算机26进行存储；本溶洞探测***在测试过程中将探测器30直接安装在钻杆提引器29或钻杆31前端，利用钻杆31的安装工序将探测器30下放至溶洞内部进行探测，充分利用了现场工作条件，可以探测更深的溶洞，同时也便于稳定探测器，从而提高测试数据的准确性，并根据钻杆31安装与提升或下放的灵活性可以将探测器30放置到指定位置进行探测；

S2、采用卡槽扳手32通过第二卡槽3固定探测器30并使其位于步骤S1中的孔口位置，将连接探测器30的电缆线12从计算机26中拔出并使其从第一根空心钻杆中间穿出，再将电缆线12的接头与计算机26连接，通过钻机控制平台28控制卷扬机将第一根钻杆起吊至探测器30上端部上方，并将探测器30通过外接螺纹1与第一根钻杆连接；

S3、将探测器30与第一根钻杆沿着钻孔路径缓慢下放直至第一根钻杆的第二卡槽3至步骤S1中的孔口位置并采用卡槽扳手32固定，在探测器30下降过程中，红外线钻孔摄像仪11可始终处于工作状态，并将拍摄的画面传回计算机26进行存储，随后准备将第二根钻杆与第一根钻杆连接；

S4、重复步骤S2及S3，直至将探测器30的探头下放至溶洞顶板以下，使探头沿竖直方向分别转动+16度与-16度，开启声波探测仪作业模式对钻孔附近岩溶顶板进行探测，结合岩溶顶板红外线钻孔摄像仪测试结果综合确定岩溶顶板厚度及溶洞围岩波速；

S5、将探测器30继续下放至溶洞内的指定位置，其中，溶洞高度的指定位置可分别为所测洞高的1/3、2/3处或1/4、1/2、3/4处，并将电缆线12与计算机26连接；

S6、对于空溶洞，通过计算机26操作选定不同指定位置的激光发射镜头10和激光接收镜头10作业模式，并通过水平旋转单元7及竖直旋转单元进行水平360度与竖向180度旋转以完成对溶洞内部形态的全方位探测工作，从而得出所测溶洞三维空间的几何形态，同时，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取溶洞围岩情况；

或对于半充填溶洞，先采用空溶洞探测方法确定溶洞非充填部分的几何形态；然后，通过计算机26操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器7与声波接收器8相结合的方式获取充填部分溶洞的几何形态与充填密实情况以及溶洞围岩情况；

或对于充填溶洞，通过计算机26操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器7与声波接收器8相结合的方式获取所测充填溶洞的几何形态与充填密实情况以及溶洞围岩情况。

采用探测信息进行溶洞状况解析，首先，在探测器30下放过程中，通过对红外线钻孔摄像仪11采集到的数据进行分析可以得出溶洞顶板厚度；其次，通过声波发射器7发射声波对钻孔附近溶洞顶板进行探测，利用已知的顶板厚度可以求得钻孔附近岩层的波速大小；然后，对洞壁以及溶洞内部待测区域进行探测，利用声波在不同界面的反射原理以及顶板岩层的波速可对洞壁厚度进行反算，最终得出溶洞的围岩情况与溶洞充填情况。

其中，在步骤S1之前，应根据待测溶洞的工程背景、地质环境和区域地质资料，采用合适的探测方法(如陆地声呐法、地震波法等)对待测区域进行物理勘探，确定溶洞的大致方位，根据工程建设要求确定需要详细探测的溶洞，并采用钻孔设备在溶洞上方钻孔，孔底直通溶洞内部。

为更好地表述本申请中溶洞探测***的安装方式，以某寒武系灰岩隧道为例加以具体说明。其中，寒武系灰岩地层的地质勘查资料包括：其由碳酸盐岩、碎屑岩及浅变质岩组成，岩溶发育，经常有大型溶洞区出现，溶洞区内溶洞纵横交错，且有暗河发育，填充物主要为黄土泥层及黏土泥层；地表岩溶形态主要有溶丘、溶谷、溶槽、溶沟、石芽，其次为少量岩溶洼地、岩溶漏斗、落水洞等；地下岩溶有溶洞、溶蚀裂隙、岩溶管道、暗河等。

经过对工程地质资料的分析与现场实际勘查，采用陆地声呐法在隧道前进方向进行地表勘探，在隧道前进方向左侧约10m的位置发现一个大型溶洞，溶洞顶部距离地表约为30m。为了探测溶洞内部的详细情况，评估溶洞的稳定性与安全性以及对工程的影响，降低施工风险性，采用潜孔钻在溶洞正上方钻出一个直径约为120mm的孔，孔底直通溶洞内部，使用钻杆连接探测器，将探测器下放至溶洞内部，从而对溶洞内的情况进行探测，具体如图7至图11所示。具体操作过程如下：

(1)下放探测器30：通过钻机控制平台28控制卷扬机，下放钻杆提引器29(其中，钻杆提引器29为金属结构，上下部可以相互旋转，它利用轴承起到旋转钻杆的作用，并且防止钢丝索断裂，是一种与卡槽相配并能通过调整位置与第一卡槽2快速套紧的部件)，将其套在探测器30的第一卡槽2上，探测器30端部的电缆线12可以从钻杆提引器29预留的孔口位置引出来，不影响钻杆提引器29与第一卡槽2的连接；启动卷扬机通过上方滑轮将探测器30垂直向上拉升，直至探测器30的器身全部悬空；通过电缆线12连接探测器30与计算机***26，并切换至红外线钻孔摄像模式，调整探测器30位置，当它与钻孔处于同一垂直方向上时，控制卷扬机将探测器30下放至第二卡槽3与孔口位置平齐的位置，下放过程中同时对钻孔内围岩情况进行拍摄，并将数据传回计算机26进行存储。期间，仪器操作过程中要小心探测器30，防止其遭到拖拽或者与孔壁刮擦而导致损坏。

(2)探测器固定在孔口位置：将卡槽扳手32套在探测器的第二卡槽3上，卡槽扳手32的两端水平放置于地面上，从而将探测器30固定在孔口位置处，并卸下钻杆提引器29。

(3)电缆线穿过第一根钻杆：第一根钻杆采用长为2m，直径为89mm的地质钻杆，其上面部分依次有两个卡槽，和探测器30的一致，且上端部有一个外接螺纹，下端部有一个内接螺纹，且内接螺纹和外接螺纹相配适；将电缆线12从计算机26拔出并将其从第一根钻杆中空处穿过，并将卸下的钻杆提引器29套在第一根钻杆上面的第二卡槽3上，启动卷扬机拉升第一根钻杆，使其悬吊于探测器30上方。

(4)拉升第一根钻杆与探测器30连接：操作人员用手扶住悬吊起来的第一根钻杆，使第一根钻杆与探测器30在竖直方向上对齐，缓慢下放第一根钻杆，在即将接触的同时旋转第一根钻杆，使得第一根钻杆下部的内接螺纹与探测器30上部的外接螺纹相适配；再将套管钳套在第一根钻杆上，下方的探测器30通过卡槽扳手32固定住；最后通过套管钳缓慢拧紧螺纹使得探测器30与第一根钻杆紧密连接。

(5)下放拧紧的探测器30与第一根钻杆，使其固定在孔口：卸下卡槽扳手32，此时两者均悬吊在钻孔中；通过电缆线12将计算机26***与探测器30连接，并打开红外线钻孔摄像模式；启动卷扬机，缓慢放下探测器30与第一根钻杆，直到第一根钻杆上的第二个卡槽与孔口位置平齐，此时红外线钻孔摄像仪11在探测器30下放过程中不断拍摄并将图片传回计算机26进行存储。

(6)重复步骤(3)至步骤(5)，直到将探测器30下放到溶洞内部指定位置处。

值得说明的是，本申请中仅选取一种钻孔设备进行说明，但不仅局限于仅此一种钻孔设备，任何能够通过钻杆进行钻探的钻孔设备均能应用在本装置中进行探测。

综上所述，本发明提供了一种溶洞探测***及其使用方法，该溶洞探测***包括探测器及与探测器连接的计算机，探测器包括探杆及与探杆底部连接的探头，探头包括水平旋转单元及与水平旋转单元同轴设置的竖直旋转单元，可根据探测需要对所测溶洞分别进行水平360度与竖向180度的全方位探测，竖直旋转单元的下端设有内置转轴固定的旋转杆；旋转杆上设有用于探测钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况及充填情况的探测集成装置；探杆内部设有用于采集探测集成装置探测到的信息的信息采集装置，并通过电缆线传输至计算机。通过计算机对探头的转动角度进行精细化控制，并可对探测模式进行灵活切换，通过钻机的钻杆进行探测器布设可确保测试过程中设备稳定、数据可靠；该***探测精度高，有利于提高岩溶区工程建设的经济性与安全稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种溶洞探测***，其特征在于：包括探测器及与所述探测器连接的计算机，所述探测器包括探杆及与所述探杆底部连接的探头，所述探头包括水平旋转单元及与所述水平旋转单元同轴设置的竖直旋转单元，所述竖直旋转单元的下端设有通过内置转轴固定的旋转杆；所述旋转杆上设有用于探测钻孔围岩情况、溶洞几何形状、围岩情况及充填情况的探测集成装置；所述探杆内设有信息采集装置，所述信息采集装置用于采集所述探测集成装置探测到的信息，并通过电缆线传输至所述计算机。

2.根据权利要求1所述的溶洞探测***，其特征在于：所述探测集成装置包括红外线钻孔摄像仪、三维激光扫描仪及声波探测仪，所述三维激光扫描仪包括激光发射镜头及激光接收镜头，所述声波探测仪包括声波发射器及声波接收器；所述红外线钻孔摄像仪与所述声波发射器分别设于所述旋转杆两端的端面，所述激光发射镜头与所述激光接收镜头对应于所述红外线钻孔摄像仪设于所述旋转杆的一端，所述声波接收器对应于所述声波发射器设于所述旋转杆的另一端。

3.根据权利要求2所述的溶洞探测***，其特征在于：所述信息采集装置包括数据能源集成模块、信号转换模块、三维激光扫描仪信号采集模块、声波传输信号采集模块及红外线钻孔摄像仪信号采集模块；所述三维激光扫描仪信号采集模块、声波传输信号采集模块及红外线钻孔摄像仪信号采集模块分别用于采集三维激光扫描仪、声波探测仪及红外线钻孔摄像仪的探测信息，并传输至所述信号转换模块转换，转换后的信息通过所述数据能源集成模块上传至所述计算机。

4.根据权利要求3所述的溶洞探测***，其特征在于：所述信息采集装置还包括与信号转换模块连接的罗盘定位模块，所述罗盘定位模块用于记录所述探测器下降过程中的位置变化及进行探测时各个姿态的空间信息。

5.根据权利要求1所述的溶洞探测***，其特征在于：所述水平旋转单元包括第一电机及水平齿轮旋转装置，通过所述第一电机带动所述水平齿轮旋转装置啮合以驱动所述探头水平旋转。

6.根据权利要求1所述的溶洞探测***，其特征在于：所述竖直旋转单元还包括第二电机及与所述旋转杆连接的竖向齿轮旋转装置，通过所述第二电机带动所述竖向齿轮旋转装置啮合以驱动所述旋转杆竖直旋转。

7.根据权利要求1所述的溶洞探测***，其特征在于：所述探头的顶部设有插头及第二外接螺纹，所述探杆的底部对应于所述插头及第二外接螺纹分别设有接头插孔及内接螺纹卡扣。

8.根据权利要求1所述的溶洞探测***，其特征在于：还包括至少一根与所述探杆顶部连接的钻杆。

9.根据权利要求8所述的溶洞探测***，其特征在于：还包括钻杆提引器及与所述钻杆提引器连接的钻机控制平台，所述钻杆提引器与所述钻杆连接。

10.一种溶洞探测***的使用方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

S1、将钻杆提引器套在水平放置的探测器上端部第一卡槽上，并通过钻机控制平台控制卷扬机将探测器提升，使探头的红外线钻孔摄像仪位于钻孔孔口，采用电缆线将探测器与计算机连接，并切换至红外线钻孔摄像模式，将探测器沿着钻孔路径缓慢下放直至第二卡槽与孔口位置齐平，下放过程中同时对钻孔内围岩情况进行拍摄，并将数据传回计算机进行存储；

S2、采用卡槽扳手通过第二卡槽固定探测器并使其位于步骤S1中的孔口位置，将连接探测器的电缆线从计算机中拔出并使其从第一根空心钻杆中间穿过，再将电缆线的接头与计算机连接，通过钻机控制平台控制卷扬机将第一根钻杆起吊至探测器上端部上方，并将探测器通过螺纹与第一根钻杆连接；

S3、将探测器与第一根钻杆沿着钻孔路径缓慢下放直至第一根钻杆的第二卡槽位于步骤S1中的孔口位置并采用卡槽扳手固定，在探测器下降过程中，红外线钻孔摄像仪始终处于工作状态，并将拍摄的画面传回计算机进行存储，随后准备将第二根钻杆与第一根钻杆连接；

S4、重复步骤S2与S3，直至将探测器的探头刚好下放至溶洞顶板以下，开启声波探测仪作业模式对钻孔附近岩溶顶板进行探测，结合岩溶顶板红外线钻孔摄像仪测试结果综合确定岩溶顶板厚度及溶洞围岩波速；

S5、将探测器继续下放至溶洞内的指定位置，并将电缆线与计算机连接；

S6、针对空溶洞，通过计算机操作选定不同指定位置的激光发射镜头和激光接收镜头的作业模式，并通过水平旋转单元与竖直旋转单元分别进行水平360度与竖向180度旋转以完成对所测空溶洞内部形态的全方位探测工作，从而得出所测空溶洞三维空间的几何形态，同时，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取空溶洞围岩情况；

或针对半充填溶洞，先采用空溶洞的方法确定溶洞非充填部分的几何形态；然后，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取充填部分溶洞的几何形态与充填密实情况以及溶洞围岩情况；

或针对充填溶洞，通过计算机操作选定声波探测仪作业模式，采用声波发射器与声波接收器相结合的方式获取充填溶洞的几何形态与充填密实情况以及溶洞围岩情况。