[发明专利]一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件，还包括方位部件、扫描部件、标定部件和反射部件，还公开了一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，来解决单一频率超声的探测范围极限性及低精度的难题，通过选取两个频率的超声换能器所产生的清晰波形，进行对比分析，可以分别计算出各超声脉冲漏检的周期个数，从而提高传播时间检测精度，同时采用标定部件和反射部件，来实时测量环境介质中的声速，实现波速的高精度测量，最后将两个频率的超声换能器所测距值进行平均作为准确距离，本发明设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

技术领域

本发明涉及岩土测量装置领域，具体涉及一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，还涉及一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，适用于对各类工程领域中地质钻孔内的空区进行详尽勘察和探测，获取空区的精细地质结构和轮廓信息，能够实现量程范围内各种尺寸空区的无盲点精确探测。

背景技术

随着我国社会、经济的迅猛发展，矿产资源的需求急剧增加，我国已经进入矿产资源大规模开发阶段且多为地下开采。矿产资源地下开采不可避免会形成大量的采空区，而采空区可能会引发井下大面积冒落、岩移及地表塌陷，造成严重的人员伤亡和设备破坏。因此，非常有必要准确掌握采空区的形态、实际边界、顶板面积和体积大小等基本信息。我国岩溶地貌分布广泛，岩溶塌陷已成为我国频发的地质灾害之一，对社会发展和工程建设具有严重的危害；岩溶的发育对于油气资源的富集与运移、地下水资源的分布与径流、与岩溶相关矿产资源的发育和分布以及对工程建设都好产生重要影响。因此，对岩溶的探测具有重要的现实意义。世界上90％的能源(石油、天然气)储存库建在盐岩介质或利用报废的废盐矿井中。对于盐穴地下储库，在投入使用前或使用一段时间后，均要进行腔体变性及密封性的现场实地测试，由于洞室的不规则性、以及各种测试方法精度较低的局限性，所获得结果的准确性和可信度有待商榷。因此，亟需提出一种新的探测系统来解决地下能源储存中溶腔精确探测的问题。

目前国内外关于空区的探测方法主要有：电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、微重力勘探、放射性勘探和激光3D法。但是前面五种探测方法均不同程度地存在着抗干扰能力较弱，勘探深度有限，探测结果不够精确，完成后需要对探测结果解释，过程繁琐，可视化程度低等问题，而测量精度高的激光3D法探测成本高，对空区内环境要求高且不能对充有水的空区进行探测。

总之，随着我国可持续发展战略的深入，空区(采空区、岩溶和溶腔等)开发利用成为解决土地、资源与环境危机的重要措施，大量的地下工程建设方兴未艾，全生命周期的安全问题以及能源储备问题亟待解决。然而，空区探测技术的不足和匮乏成为制约地下空区开发利用的瓶颈。

现在的探测发展中，超声探测的应用越来越广泛，超声探测技术不仅应用于军事领域，也越来越多地应用在民用场合，如超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、水下声纳和管道检漏等方面。由于超声波具有频率高，波长短，绕射现象好；方向性好，能够成为射线而定向传播；能量消耗慢，传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量。超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。由此可见，采用超声波对孔内空区进行探测具有可行性，然而被探测的空区形态和尺寸未知且结构复杂，单一频率超声的探测范围有限(高频率探测范围小，低频率探测范围大)，不能准确掌握空区的形态和尺寸，此外，在检波的过程中，无法保证不存在漏检脉冲波形，以及无法获取各种环境下声速值，从而导致探测精度差。