CN207751937U - 利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置,包括主机和分别与主机连接的电火花震源及接收探头;所述电火花震源包括操作控制台和与操作控制台连接的发射探头;所述接收探头包括四道声波接收器,声波接收器包括壳体,壳体内设有声波换能器支架,壳体与声波换能器支架间填充有透声胶,声波换能器支架内设有一组声波换能器,所述接收探头经信号放大器与主机连接。本实用新型满足岩性异常体探测需求,且本实用新型的装置具有价格低廉、穿透距离大、初至波清晰、探测范围较大、探测结果精确的优点,在对岩性异常体进行探测时,可减少探测的次数,提高探测效率,降低探测成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种工程勘察及检测的装置,特别是一种利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置。
背景技术
溶洞、断层破碎带、采空区等岩性异常体对水利水电、市政、交通等工程的建设会造成重大的安全隐患,需要使用各种勘探方法对这些岩性异常体进行探测,以便消除安全隐患。由于溶洞、断层破碎带、采空区等岩性异常体具有隐蔽性和不确定性,通过钻探进行勘探,不仅成本极高、效率低、局限性大、盲目性大,而且也难以调查出它们的大小、规模、分布范围。工程物探方法是调查岩性异常体的重要手段,可以弥补钻探的这些不足。国内外有关资料表明,勘探溶洞、断层破碎带、采空区等岩性异常体通常采取以物探为主,钻探验证相结合的方法。目前,主要的物探方法有: 地震映像法、地震反射波法、高密度电阻率法、地质雷达法、瞬变电磁法、电磁波CT(层析成像)法、声波CT法等,互有优缺点。
声波在不同类型的介质中具有不同的传播特征。当介质的成分、结构和密度等因素发生变化时,声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等亦将发生相应变化,在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的折射和反射。因此,用声波仪探测声波在介质中的传播速度、振幅及频谱特征等,便可推断被测介质的结构和致密完整程度,从而对其作出评价,目前最常用的是波速测定。
用声波仪测试声源激发的声波在岩体中的传播情况,借以研究岩体的物理性质和构造特征的方法,称为声波探测,其声波频率一般为一千赫兹至几兆赫兹。由于声波的频率高、波长短、受岩石的吸收和散射比较严重,因此声波探测对岩体的了解较为细致,具有简便、快速、经济、便于重复测试、对测试的岩体无破坏作用等优点。声波探测已经是工程建设中应用最广泛、最有效的一种勘探手段,但现有声波探测的探测范围相对较小。
世纪90年代以来,孔间声波层析技术逐步进入实用化阶段,其反映的是两个钻孔之间剖面上的地质特征,对各种工程探测的岩性异常体如岩溶、陷落柱、裂隙、裂缝、断裂破碎带、采空区软弱夹层、地下空洞和不明埋设物等具有很好的效果,对重点部位的剖面,利用层析技术反演该剖面波速场或吸收场,可以很好的判断和评价目标体。但现有设备的孔间声波穿透距离大多为3m~5m,极少有穿透距离在10m以上且具有较好的地质效果的设备,更谈不上30m以上。
目前,对岩性异常体进行探测时,运用传统方法存在成本高,效率低,探测具有局限性与盲目性等问题,不能够精确探测岩性异常体的大小、规模与分布范围;现有的声波探测设备存在穿透距离小、初至波不清淅、工作效率低、探测成本较高的缺点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于,提供一种利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置。本实用新型满足岩性异常体探测需求,且本实用新型的装置具有价格低廉、穿透距离大、初至波清晰、探测范围较大、探测结果精确的优点,在对岩性异常体进行探测时,可减少探测的次数,提高探测效率,降低探测成本。
本实用新型的技术方案:利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置,包括主机和分别与主机连接的电火花震源及接收探头;所述电火花震源包括操作控制台和与操作控制台连接的发射探头;所述操作控制台包括与电源连接的升压电路,升压电路与储能器连接,储能器分别与监测装置及剩余能量清零电路并联,储能器还与控制电路和同步触发信号发生电路串联,所述发射探头一端与同步触发信号发生电路连接,另一端与储能器连接,发射探头包括塑胶套,塑胶套中设有电极固定装置,电极固定装置中设有铜环,铜环中心通孔中设有铜柱;所述接收探头包括四道声波接收器,声波接收器包括壳体,壳体内设有声波换能器支架,壳体与声波换能器支架间填充有透声胶,声波换能器支架内设有一组声波换能器,各道声波接收器之间通过线缆连接,所述接收探头经信号放大器与主机连接。
前述的利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置中,所述探测装置还包括与电火花震源连接的电源。
前述的利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置中,所述探测装置还包括绞车和井口滑轮,绞车上安装有线缆。
与现有技术相比,本实用新型采用声波走时层析成像处理技术(波速测定原理)进行设计;根据岩性异常体的大概分布规律布设钻孔和选择探测方式;探测方式主要采用同步探测法或定点探测法从上到下(或从下到上)进行探测;所述同步探测法,是使发射探头和接收探头保持相对位置同时移动进行探测;所述定点探测法,是将发射探头(或接收探头)固定在钻孔中某个深度上不动,按照设定步距移动接收探头(或发射探头)进行测量。
经过发射探头在发射钻孔各点激发声波将在被测区域形成致密的射线(声波从发射探头传播到接收探头的路径)交叉网络,射线路径采用直射线追踪法(直达波法)进行追踪,路径长度L可以通过数学物理计算得出;因为纵波较易识读,所以采用纵波来检测初至波的到达时刻,按照发射与接收时间互换原理,每条射线的初至波旅行时间(走时)t将被唯一确定,当多条致密交叉射线通过异常体时,就可以对异常体的空间位置及形态进行唯一确定。然后再根据射线的疏密程度及成像精度的要求,在施测范围内划分若干规则的成像单元,实现透视空间离散化,可认为每个成像单元的介质是均匀的,波速是单一的,通过对诸多成像单元波速的数学物理反演计算,可以较准确地重建出射线所扫描区域内的岩体波速分布,进而确定出岩性异常体的位置、空间分布和形态。
本实用新型集声波发射、接收和CT成像技术为一体;支持自同步、外同步、自检三种工作方式;接收探头为四道声波接收器,通过调整声波换能器和设置信号放大器,使本实用新型的探测装置具有极高的灵敏度;主机电源采用大容量聚合物充电电池,保证连续工作12h以上;支持全通、低通、高通、带通滤波;电火花震源采用高性能、大容量电容器贮能,发射能量可在500J~10000J范围内自由选择,发射能量稳定、一致性好、寿命长、连续发射次数不受限制,穿透距离20m~60m;发射探头电极采用铜柱与铜环有机结合的方式,同时为增加发射探头放电端正极与负极之间的介质导电性,在放电端增加多孔胶皮套,套内放有电解质溶液;配套声波CT处理软件集成正演、数据预处理、反演等功能为一体,具有计算速度快、精度高、分辨率强、收敛性好的优点,压制噪声的能力大大加强,并达到了减少重建假异常的目的,计算得出的CT剖面图能准确地解释地质实际情况,如岩溶、断层破碎带、采空区等岩性异常体的分布、规模、形态等。
综上所述,本实用新型满足岩性异常体探测需求,且本实用新型的装置具有价格低廉、穿透距离大、初至波清晰、探测范围较大、探测结果精确的优点,在对岩性异常体进行探测时,可减少探测的次数,提高探测效率,降低探测成本。
附图说明
图1是本实用新型的探测装置的结构示意图;
图2是操作控制台各部件连接图;
图3是发射探头的结构示意图;
图4是接收探头的结构示意图;
图5是本实用新型进行探测的布置示意图;
图6是本实用新型的直射线追踪法原理示意图;
图7是声波CT剖面成果图。
附图中的标记为:1-主机,2-操作控制台,3-接收探头,4-电源,5-发射探头,6-信号放大器,7-绞车,8-井口滑轮,9-同步信号电缆,10-水,11-升压电路,12-储能器,13-检测装置,14-剩余能量清零电路,15-控制电路,16-同步触发信号发生电路,17-塑胶套,18-电极固定装置,19-铜环,20-铜柱,21-声波接收器,22-壳体,23-声波换能器支架,24-透声胶,25-声波换能器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明,但并不作为对本实用新型限制的依据。
实施例1。利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置,包括主机1和分别与主机1连接的电火花震源及接收探头3;所述电火花震源包括操作控制台2和与操作控制台2连接的发射探头5;所述操作控制台2包括与电源4连接的升压电路11,升压电路11与储能器12连接,储能器12分别与监测装置13及剩余能量清零电路14并联,储能器12还与控制电路15和同步触发信号发生电路16串联,所述发射探头5一端与同步触发信号发生电路16连接,另一端与储能器12连接,发射探头5包括塑胶套17,塑胶套17中设有电极固定装置18,电极固定装置18中设有铜环19,铜环19中心通孔中设有铜柱20;所述接收探头3包括四道声波接收器21,声波接收器21包括壳体22,壳体22内设有声波换能器支架23,壳体22与声波换能器支架23间填充有透声胶24,声波换能器支架23内设有一组声波换能器25,各道声波接收器21之间通过线缆连接,所述接收探头3经信号放大器6与主机1连接。
所述探测装置还包括与电火花震源连接的电源4;所述探测装置还包括绞车7和井口滑轮8,所述绞车7上设有线缆。
工作原理:溶洞、断层破碎带、采空区等岩性异常体对水利水电、市政、交通等工程的建设会造成重大的安全隐患,采用本实用新型能精确的对岩性异常体进行探测,确认岩溶、断层破碎带、采空区等岩性异常体的分布、规模、形态等,以便消除安全隐患。首先采用常规方法布设探测钻孔,保证孔径大于探头外径,孔深大于孔间距,孔中均注满水10。在开始探测之前按照图5连接探测装置,发电机4与操作控制台2连接,负责供电;操作控制台2通过放电电缆与发射探头5相连,负责蓄积能量后激发声波,放电电缆经过孔口滑轮8将发射探头5下放到发射钻孔中;主机1通过接收电缆与信号放大器6、四通道接收探头3连接,负责采集声波数据,接收电缆安装在绞车7上,经过孔口滑轮8将信号放大器6和接收探头3下放到接收钻孔中;通过同步信号电缆9将主机1与操作控制台2连接,实现声波激发与数据采集同步;整套装置连接完毕后,设定好发射间距与接收间距,开启探测工作。按照同步探测法或定点探测法(通常两者相结合,先同步后定点)从上到下(或从下到上)进行探测。发电机4给电火花震源供电,电火花震源蓄积能量后,通过发射探头5瞬间释放能量,将周围介质汽化,形成高温高压区,产生声波,同时电火花震源产生同步信号,并通过同步信号电缆9发送给主机1,计时开始,接收探头3采集声波信号,经过放大器6对声波信号进行放大处理后传输给主机1,主机1测定初至波到达的时间与波形数据,该组射线对测量完毕;观察该组波形是否正常,如果不正常,须对该组数据重新测量,否则按照设定的间距上拉(或者下放)发射探头5或接收探头3(同步探测法,两者均需要相对移动;定点发射(接收)探测法,只需要移动接收(发射)探头),开启下一组数据的测量工作。测量过程中,须保证每个成像单元有2条以上射线穿过,测量完毕后,将所有数据导入到CT处理软件中,进行层析成像处理,用户根据输出的CT剖面图能准确地解释地质实际情况,如岩溶、断层破碎带、采空区等岩性异常体的分布、规模、形态等,为地质勘查、工程施工等提供可靠的基础资料。
实施例2。申请人已将本实用新型成功应用到多个工程项目中,如图7所示,对某水电站顶层右岸帷幕岩溶进行孔间声波CT探测时,采用定点发射和定点接收的扇形束探测与同步探测相结合的方式,定点间距3.0m,接收间距0.5m,互换率(重复探测率)为6.2%~7.5%,相对误差小于5%。数据处理采用了SIRT图像反演方法,射线路径采用直达波法进行追踪,成像单元为0.5m×0.5m。
—CZK11剖面强风化岩体以下基岩声波波速在4600m/s以上,在高程505m~507m之间存在一低于微风化背景值的区域,解译为岩体破碎区。
Claims (2)
1.利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置,其特征在于:包括主机(1)和分别与主机(1)连接的电火花震源及接收探头(3);所述电火花震源包括操作控制台(2)和与操作控制台(2)连接的发射探头(5);所述操作控制台(2)包括与电源(4)连接的升压电路(11),升压电路(11)与储能器(12)连接,储能器(12)分别与监测装置(13)及剩余能量清零电路(14)并联,储能器(12)还与控制电路(15)和同步触发信号发生电路(16)串联,所述发射探头(5)一端与同步触发信号发生电路(16)连接,另一端与储能器(12)连接,发射探头(5)包括塑胶套(17),塑胶套(17)中设有电极固定装置(18),电极固定装置(18)中设有铜环(19),铜环(19)中心通孔中设有铜柱(20);所述接收探头(3)包括四道声波接收器(21),声波接收器(21)包括壳体(22),壳体(22)内设有声波换能器支架(23),壳体(22)与声波换能器支架(23)间填充有透声胶(24),声波换能器支架(23)内设有一组声波换能器(25),各道声波接收器(21)之间通过线缆连接,所述接收探头(3)经信号放大器(6)与主机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的利用孔间声波层析成像技术探测岩性异常体的探测装置,其特征在于:所述探测装置还包括与电火花震源连接的电源(4)。
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GR01 | Patent grant | ||
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