[發明專利]一種基于多頻超聲掃描的孔內空區探測裝置及方法

有效

• 申請號: 201710302830.3
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN106950288B
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 汪進超;王川嬰
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N29/44
• 分類號: G01N29/44
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

本發明公開了一種基于多頻超聲掃描的孔內空區探測裝置，包括旋轉驅動部件，還包括方位部件、掃描部件、標定部件和反射部件，還公開了一種基于多頻超聲掃描的孔內空區探測方法，來解決單一頻率超聲的探測范圍極限性及低精度的難題，通過選取兩個頻率的超聲換能器所產生的清晰波形，進行對比分析，可以分別計算出各超聲脈沖漏檢的周期個數，從而提高傳播時間檢測精度，同時采用標定部件和反射部件，來實時測量環境介質中的聲速，實現波速的高精度測量，最后將兩個頻率的超聲換能器所測距值進行平均作為準確距離，本發明設計巧妙，構思嚴密，結構體系簡單，易于實施。

技術領域

本發明涉及巖土測量裝置領域，具體涉及一種基于多頻超聲掃描的孔內空區探測裝置，還涉及一種基于多頻超聲掃描的孔內空區探測方法，適用于對各類工程領域中地質鉆孔內的空區進行詳盡勘察和探測，獲取空區的精細地質結構和輪廓信息，能夠實現量程范圍內各種尺寸空區的無盲點精確探測。

背景技術

隨著我國社會、經濟的迅猛發展，礦產資源的需求急劇增加，我國已經進入礦產資源大規模開發階段且多為地下開采。礦產資源地下開采不可避免會形成大量的采空區，而采空區可能會引發井下大面積冒落、巖移及地表塌陷，造成嚴重的人員傷亡和設備破壞。因此，非常有必要準確掌握采空區的形態、實際邊界、頂板面積和體積大小等基本信息。我國巖溶地貌分布廣泛，巖溶塌陷已成為我國頻發的地質災害之一，對社會發展和工程建設具有嚴重的危害；巖溶的發育對于油氣資源的富集與運移、地下水資源的分布與徑流、與巖溶相關礦產資源的發育和分布以及對工程建設都好產生重要影響。因此，對巖溶的探測具有重要的現實意義。世界上90％的能源(石油、天然氣)儲存庫建在鹽巖介質或利用報廢的廢鹽礦井中。對于鹽穴地下儲庫，在投入使用前或使用一段時間后，均要進行腔體變性及密封性的現場實地測試，由于洞室的不規則性、以及各種測試方法精度較低的局限性，所獲得結果的準確性和可信度有待商榷。因此，亟需提出一種新的探測系統來解決地下能源儲存中溶腔精確探測的問題。

目前國內外關于空區的探測方法主要有：電法勘探、電磁法勘探、地震勘探、微重力勘探、放射性勘探和激光3D法。但是前面五種探測方法均不同程度地存在著抗干擾能力較弱，勘探深度有限，探測結果不夠精確，完成后需要對探測結果解釋，過程繁瑣，可視化程度低等問題，而測量精度高的激光3D法探測成本高，對空區內環境要求高且不能對充有水的空區進行探測。

總之，隨著我國可持續發展戰略的深入，空區(采空區、巖溶和溶腔等)開發利用成為解決土地、資源與環境危機的重要措施，大量的地下工程建設方興未艾，全生命周期的安全問題以及能源儲備問題亟待解決。然而，空區探測技術的不足和匱乏成為制約地下空區開發利用的瓶頸。

現在的探測發展中，超聲探測的應用越來越廣泛，超聲探測技術不僅應用于軍事領域，也越來越多地應用在民用場合，如超聲測距、安防探測、醫學成像、無損探測、水下聲納和管道檢漏等方面。由于超聲波具有頻率高，波長短，繞射現象好；方向性好，能夠成為射線而定向傳播；能量消耗慢，傳播距離較遠等優點，而經常用于距離的測量。超聲波在水下傳播的距離比光和電磁波要遠得多，故在水下的目標探測、識別、定位、通訊和導航以及海洋石油開發中，也廣泛應用超聲波作為信息載體。由此可見，采用超聲波對孔內空區進行探測具有可行性，然而被探測的空區形態和尺寸未知且結構復雜，單一頻率超聲的探測范圍有限(高頻率探測范圍小，低頻率探測范圍大)，不能準確掌握空區的形態和尺寸，此外，在檢波的過程中，無法保證不存在漏檢脈沖波形，以及無法獲取各種環境下聲速值，從而導致探測精度差。