变径式地震波采集装置

摘要

本发明揭露一种变径式地震波采集装置。本装置沿一钻进方向即围岩孔的长度方向依次连接有操作头、推杆、推杆座、套管、变径组件、端头座及端头。本发明的变径组件能够垂直本装置的长度方向伸出可变的距离，并且与围岩孔壁密贴，排除金属套管形成的干扰波影响，避免使用黄油、环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆等作为耦合剂时造成的繁琐施工步骤，同时提高现场采集数据的精度。

权利要求

1.一种变径式地震波采集装置，其特征在于，所述装置包括沿一钻进方向依次连接的推杆、推杆座、变径组件、端头座及端头；

所述端头被构造为一端部为钻头，另一端部与所述端头座的一端部拆卸连接的形成有安装腔，所述安装腔被安装有三分量加速度检波器；

所述变径组件被构造为连接在所述端头座及所述推杆座之间，所述变径组件包括前变径底座、后变径底座、变径杆及至少一个活动锥；

所述前变径底座被构造有沿所述钻进方向贯穿的前变径通孔，并且一端部与所述推杆座同轴连接；

所述后变径底座被构造有沿所述钻进方向的后变径孔，并且一端部与所述端头座同轴连接，另一端部表面滑移连接有所述活动锥，所述活动锥朝向所述后变径孔的一端被构造为楔形面；

所述变径杆沿所述钻进方向依次被构造为前轴、中轴及后轴；

所述前轴与所述前变径通孔螺纹连接，所述中轴全部或部分的处在所述前变径通孔并且被构造有与所述楔形面配合的锥面，所述后轴伸入所述后变径孔；

所述推杆座被构造有沿所述钻进方向贯穿的推杆孔，并且一端部与所述前变径底座固定，所述推杆穿过所述推杆孔与所述前轴同轴连接；

所述三分量加速度检波器通过穿过全部或部分所述装置的信号线与外部通信。

2.如权利要求1所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述装置包括至少两个沿所述钻进方向依次连接的变径组件；

任意所述变径组件的前变径底座与相邻所述推杆座或相邻所述变径组件的后变径底座同轴连接；

任意所述变径组件的后变径底座与相邻所述端头座或相邻所述变径组件的前变径底座同轴连接；

任意所述变径组件的前轴与相邻所述推杆或相邻所述变径组件的后轴同轴连接；

任意所述变径组件的后轴伸入所述后变径孔或与相邻所述变径组件的前轴同轴连接。

3.如权利要求2所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述后轴与所述后变径孔螺纹连接。

4.如权利要求2所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述活动锥与所述前变径底座之间固定有回复弹簧。

5.如权利要求2所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述后变径底座朝向所述前变径底座的端部表面被构造有垂直所述钻进方向的限位槽，所述限位槽朝向所述后变径孔，所述活动锥被限位在所述限位槽滑移。

6.如权利要求5所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述后变径底座朝向所述前变径底座的端部表面为向所述后变径孔倾斜的凹台，所述限位槽被构造在所述凹台的表面。

7.如权利要求2所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述推杆与相邻所述变径组件的前变径底座均螺纹连接在一套管内。

8.如权利要求7所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述推杆与相邻所述变径组件的前轴拆卸连接。

9.如权利要求5所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述活动锥在所述限位槽的滑移范围小于或等于所述后变径孔的深度。

10.如权利要求2所述的变径式地震波采集装置，其特征在于，所述三分量加速度检波器与所述外部通信无线通信。

说明书

变径式地震波采集装置

技术领域

[0001] 本发明涉及工程物探领域，具体而言，涉及一种用于隧道超前地质预报的变径式地震波采集装置。

背景技术

[0002] 隧道工程是铁路、公路及水利水电等项目的重要工程。近年来，隧道工程的数量及长度增长，相应地质条件的复杂性和施工难度增加，勘察阶段的地质资料难以满足隧道工程的情况普遍存在。工程勘察的费用昂贵且对基础有破坏，因此隧道超前地质预报技术得到广泛应用。

[0003] 在申请号为201610598642.5的专利文献中揭露一种智能式爆炸波采集探头，包括钻铤外壳，钻铤外壳与锥形端头连接，钻铤外壳内分隔为检波舱、芯片舱和电池舱，检波舱内设置有三分量加速度检波器，芯片舱内设置有芯片主板，芯片主板上设置有ARM A7芯片、24位A/D转换器、瞬时浮点放大器、滤波器、前置放大器、同步触发单元和存储器，电池舱内设置有电源。前述专利文献将检波器、芯片主板和电源集成化于一体，可以实现脱机工作，实现了采集现场无人化的采集方式。但是前述专利文献在现场实验时不能够在径向实现变径，使其与不同内部尺寸及环境的围岩孔密贴，需要通过耦合剂实现与钻孔岩体的直接耦合，影响了现场数据的真实。

[0004] 目前国内外广泛使用的地质预报设备有瑞士的隧道地质超前预报系统(TSP)、美国的隧道地震波反射体追踪技术(TRT)、国产的隧道超前地质预报新技术(TGP)等，其方法均是在隧道侧壁打孔装药(20g-100g不等)，逐炮激发。使用金属套管或耦合剂实现三分量加速度检波器与钻孔岩体的直接密贴或耦合，从而实现现场数据的良好接收。其不足之处在于放炮会损坏隧道岩壁，同时检波器必须与电脑主机相连，固逐炮激发时，采集人员必须在隧道内部忍受巨大声浪和恶劣环境，并很可能受到隧道震动后碎石掉落砸伤的危险。同时采集时施工繁琐、流程复杂，主机等设备笨重，无法独立供电，采集时间较长，耽误施工方作业进度。

发明内容

[0005] 本发明实施例至少揭露一种变径式地震波采集装置，能够垂直钻进方向使本装置的活动锥伸出并且与围岩孔的内壁密贴，排除金属套管形成的干扰波影响，以及减少采用黄油、环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆等作为耦合剂时造成的繁琐施工步骤，同时能够提高采集现场数据的精度。

[0006] 所述装置包括沿一钻进方向依次连接的推杆、推杆座、变径组件、端头座及端头；

[0007] 所述端头被构造为一端部为钻头，另一端部与所述端头座的一端部拆卸连接的形成有安装腔，所述安装腔被安装有三分量加速度检波器；

[0008] 所述变径组件被构造为连接在所述端头座及所述推杆座之间，所述变径组件包括前变径底座、后变径底座、变径杆及至少一个活动锥；

[0009] 所述前变径底座被构造有沿所述钻进方向贯穿的前变径通孔，并且一端部与所述推杆座同轴连接；

[0010] 所述后变径底座被构造有沿所述钻进方向的后变径孔，并且一端部与所述端头座同轴连接，另一端部表面滑移连接有所述活动锥，所述活动锥朝向所述后变径孔的一端被构造为楔形面；

[0011] 所述变径杆沿所述钻进方向依次被构造为前轴、中轴及后轴；

[0012] 所述前轴与所述前变径通孔螺纹连接，所述中轴全部或部分的处在所述前变径通孔并且被构造有与所述楔形面配合的锥面，所述后轴伸入所述后变径孔；

[0013] 所述推杆座被构造有沿所述钻进方向贯穿的推杆孔，并且一端部与所述前变径底座固定，所述推杆穿过所述推杆孔与所述前轴同轴连接；

[0014] 所述三分量加速度检波器通过穿过全部或部分所述装置的信号线与外部通信。

[0015] 在本发明揭露的一些实施例中，所述装置包括至少两个沿所述钻进方向依次连接的变径组件；

[0016] 任意所述变径组件的前变径底座与相邻所述推杆座或相邻所述变径组件的后变径底座同轴连接；

[0017] 任意所述变径组件的后变径底座与相邻所述端头座或相邻所述变径组件的前变径底座同轴连接；

[0018] 任意所述变径组件的前轴与相邻所述推杆或相邻所述变径组件的后轴同轴连接；

[0019] 任意所述变径组件的后轴伸入所述后变径孔或与相邻所述变径组件的前轴同轴连接。

[0020] 在本发明揭露的一些实施例中，所述后轴与所述后变径孔螺纹连接。

[0021] 在本发明揭露的一些实施例中，所述活动锥与所述前变径底座之间固定有回复弹簧。

[0022] 在本发明揭露的一些实施例中，所述后变径底座朝向所述前变径底座的端部表面被构造有垂直所述钻进方向的限位槽，所述限位槽朝向所述后变径孔，所述活动锥被限位在所述限位槽滑移。

[0023] 在本发明揭露的一些实施例中，所述后变径底座朝向所述前变径底座的端部表面为向所述后变径孔倾斜的凹台，所述限位槽被构造在所述凹台的表面。

[0024] 在本发明揭露的一些实施例中，所述推杆与相邻所述变径组件的前变径底座均螺纹连接在一套管内。

[0025] 在本发明揭露的一些实施例中，所述推杆与相邻所述变径组件的前轴拆卸连接。

[0026] 在本发明揭露的一些实施例中，所述活动锥在所述限位槽的滑移范围小于或等于所述后变径孔的深度。

[0027] 在本发明揭露的一些实施例中，所述三分量加速度检波器与所述外部通信无线通信。

[0028] 针对上述方案，本发明通过以下参照附图对揭露的示例性实施例作详细描述，亦使本发明实施例的其它特征及其优点清楚。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0030] 图1为实施例一变径式地震波采集装置的剖面图；

[0031] 图2为实施例一中变径组件的剖面图；

[0032] 图3为实施例一中变径杆的剖面图；

[0033] 图4为实施例一中变径组件优选结构的部分剖面图；

[0034] 图5为实施例一中变径组件优选结构的剖面图；

[0035] 图6为实施例二变径式地震波采集装置的剖面图；

[0036] 图7为实施例二中变径杆的剖面图。

[0037] 附图标注：

[0038] 100、操作头；200、套管；300、推杆座；310、中间杆；400、变径组件；410、前变径底座；411、前变径通孔；420、后变径底座；421、后变径孔；430、活动锥。440、变径杆；441、前轴；442、中轴；443、后轴；500、端头座；600、端头。

具体实施方式

[0039] 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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0040] 因此，以下对在附图中揭露的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 实施例一

[0042] 本实施例揭露一种变径式地震波采集装置。图1示出本装置的结构图；其中活动锥430能够垂直本装置的长度方向伸出可变的距离，并且与围岩孔壁密贴，进而排除金属套管形成的干扰波影响，实现减少采用黄油、环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆等作为耦合剂时造成的繁琐施工步骤，同时能够提高采集现场数据的精度。

[0043] 图1中本装置沿钻进方向即围岩孔的长度方向依次的包括操作头100、推杆、推杆座300、套管200、变径组件400、端头座500及端头600。

[0044] 本实施例端头600朝向围岩孔底部的端部为锥形的钻头，朝向围岩孔开口的端部向内的凹进有端头槽，端头槽的内壁被构造有内螺纹。

[0045] 本实施例的端头座500朝向端头600的端部为直径与端头槽的直径相等的第一螺纹柱，第一螺纹柱与端头槽的内螺纹耦合，使端头槽的敞口被第一螺纹柱封堵形成安装腔。本实施例的装置内固定有现有的三分量加速度检波器。三分量加速度检波器是多波勘探时专用的特种检波器，其安装有三个互相垂直的传感器，用于记录三分量地震波(P波、SH波和SV波)。

[0046] 本实施例的推杆座300为圆柱形并且在中心沿钻进方向开设有贯穿的推杆孔。本实施推杆朝向围岩孔开口的端部被安装有用于与同步推杆旋转的操作头100，朝向围岩孔底部的端部穿过推杆孔驱动变径组件400的操作端。变径组件400的操作端在被推杆驱动时，变径组件400能够使本实施例的装置与围岩孔相对固定，使三分量加速度检波器能够有效、精准及快速的采集记录三分量地震波。

[0047] 进一步的推杆及推杆座300的外壁均分别的与套管200螺纹连接。那么本实施例装置的操作方式是握住或使套管200被固定，再旋转操作头100 使推杆向围岩孔的底部移动，进而使变径组件400的操作端被推杆驱动。

[0048] 在一些实施例中，推杆在推杆座300中螺纹连接有中间杆310，中间杆310与前轴441一体的成型。那么推杆及套管200能够被从推杆座300 快速的拆卸。

[0049] 本实施例揭露的变径组件400及变径组件400与本装置的结构关系在图2及图3示出。本实施例的变径组件400被安装在推杆座300及端头座 500之间。变径组件400包括前变径底座410、后变径底座420、变径杆 440及四个活动锥430。

[0050] 图1及图2示出前变径底座410为与推杆座300等同直径的圆柱，并且一体的成形在推杆座300朝向围岩孔底部的端部，前变径底座410的中部沿钻进方向开设有贯穿的前变径通孔411，前变径通孔411的内壁有内螺纹。后变径底座420为与端头座500等同直径的圆柱，并且一体的成形在端头座500朝向围岩孔开口的端部。前变径底座410的中部沿钻进方向开设有贯穿的后变径孔421。

[0051] 四个活动锥430底部被限位在后变径底座420端部表面的四个限位槽中。同时四个活动锥430的限位槽均匀的环绕在后变径孔421，限位槽均是一端部朝向后变径孔421，另一端部垂直钻进方向的连通到本装置的外部。所有活动锥430朝向后变径孔421的端部在朝向前变径底座410的侧面被构造为楔形面。一般的活动锥430在限位槽的滑移范围小于或等于所述后变径孔421的深度。

[0052] 图3示出本实施例变径杆440的结构。变径杆440沿钻进方向依次一体的被成形为前轴441、中轴442及后轴443。前轴441处在前变径通孔411的内部，并且具有外侧具有外螺纹能够与前变径通孔411的内螺纹配合，同时前轴441朝向推杆座300的端部作为变径组件400的操作端与推杆同轴固定。中轴442在变径组件400未被驱动时处在前变径通孔411的内部，并且被构造有与每个活动锥430的楔形面配合的锥面。后轴443沿钻进方向伸入到后变径孔421。

[0053] 本实施例揭露的变径组件400在操作头100被施加外力旋转并且套管 200被固定时，推杆及变径杆440同步旋转，并且沿钻进方向向围岩孔的底部推移。变径杆440的中轴442在推移过程中通过楔形面及锥面的配合使四个活动锥430沿限位槽向本装置的外部，即围岩孔的侧壁。在本实施例的活动锥430与围岩孔的侧壁充分抵接后，本装置与围岩被相对的固定，从而三分量加速度检波器能够对反射的地震波信号进行较好的接收。

[0054] 变径组件400在操作头100被反向的施加外力旋转并且套管200被固定时，动锥与围岩孔的侧壁接触抵接，再能够将本装置从围岩孔中直接的取出。

[0055] 如图1示出，本实施例操作头100、推杆、前轴441、中轴442、后轴 443及端头座500均开设有能够供三分量加速度检波器传统的细小导线孔，使三分量加速度检波器采集的数据能够被通信到本装置外部。

[0056] 在一些实施例中，本装置的所有部件全部的由非信号屏蔽的材料制成，如硬质塑料等。那么三分量加速度检波器能够在内部或外部的安装有无线通信模块，如WI-FI或LORA收发模块，无线通信模块使三分量加速度检波器采集的数据被无线的通信到本装置外部。

[0057] 优选的图4示出，后变径底座420朝向前变径底座410的端部表面为向后变径孔421倾斜的后凹台。限位槽被布置在后凸台并且不再垂直钻进方向，而是限位槽的一端部沿后凸台朝向后变径孔421，另一端部沿后凸台朝向本装置的外部。前变径底座410朝向后变径底座420的端部表面为向后变径孔421倾斜的前凹台。四个活动锥430如图4中的截面是平行四边形，平行四边形沿钻进方向朝向围岩孔的底部倾斜。

[0058] 那么本优选的活动锥430能够被变径杆440的中轴442的锥面相对钻进方向倾斜的顶出实现与围岩孔侧壁的抵接，使本装置能够使用在复杂环境的围岩孔，提高本装置的实用性能。同时，在变径杆440的中轴442的锥面撤销对活动锥430的顶出后，活动锥430能够在自身重力的作用下沿限位槽全部伸入到前变径底座410及后变径底座420之间，使本装置在结束使用时能够方便取出。

[0059] 优选的图5示出，变径杆440的后轴443与后变径孔421螺纹连接。那么后轴443与后变径孔421的螺纹连接使前变径底座410、后变径底座 420、端头座500、推杆座300及套管200之间始终保持相对的固定，防止活动锥430的楔形面与中轴442的锥面在抵接时，使造成端头座500及端头600在围岩孔中转动，影响本装置的使用，或者造成对围岩孔内部的破坏。

[0060] 在一些实施例中，本实施例的活动锥430与前变径底座410或后变径底座420之间固定回复弹簧，使活动锥430能够在回复弹簧的作用下伸入到前变径底座410及后变径底座420之间。

[0061] 实施例二

[0062] 图6及图7示出本实施例的装置相比实施例一中装置的区别是在推杆座300及端头座500之间沿钻进方向依次连接有两组变径组件400。

[0063] 图6示出，左侧变径组件400的前变径底座410与推杆座300一体的成形；后变径组件400与图中右侧变径组件400的前变径组件400一体的成形。图6中右侧变径组件400的后变径底座420与端头座500一体的成形。图7示出，左侧变径组件400中变径杆440的前轴441与中间杆310 一体的成形，后轴443与图中右侧变径组件400中变径杆440的前轴441 一体的成形。

[0064] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。