[发明专利]近水平连续定向取心超前地质探查系统与方法

说明书

一种近水平连续定向取心超前地质探查系统与方法，利用测斜取芯钻具进行钻孔轨迹测斜、岩芯采取、随钻纠斜钻具供电与控制；利用随钻纠斜钻具进行钻孔轨迹调控，确保取芯钻孔沿设计轨迹延伸；利用泥浆泵、送水器、绞车、水平水力输送装置和水平水力打捞装置进行测斜取芯钻具近水平打捞和下放，实现岩芯快速提取和连续采取；由此，本发明集合了定向钻进工艺随钻轨迹调控和绳索取芯工艺高效快速取芯的优点，解决了近水平打捞与下放、随钻测斜、随钻纠斜等难题，实现了取芯钻进与钻孔轨迹精确调控同时进行，提高了超前地质探查的精确性、探查距离和效率，降低施工成本，适用于公路隧道、铁路隧道、矿井巷道等各类井巷隧工程超前地质勘探和地质预报。

技术领域

本发明涉及地质勘查技术领域，尤其涉及一种近水平连续定向取心超前地质探查系统与方法。

背景技术

地面公路隧道、铁路隧道、矿井巷道等各类井巷隧工程是建设高速公路、铁路和采矿活动的重要基础，其设计前需要进行地质勘查，施工中还要进行超前地质预报和地质异常体验证治理，以确保井巷隧工程设计合理，并保障施工安全。

钻探是进行超前地质探查的重要技术手段，目前主要有地面直孔探查和坑道近水平钻孔探查两种方式。但存在以下不足：①井巷隧工程一般呈近水平布置，与地面直孔垂直，因此地面直孔只可对井巷隧工程进行单点勘查，有效孔段短、利用率低、成本高；②地面直孔探查需要设置地面钻场，而地面钻场受地形地貌影响极大，在山区、河流等复杂地形区域布置困难，导致探查间距过大，探查精细度不足；③坑道近水平探查钻孔的钻进装备能力普遍不足，探查钻孔的深度有限，一般不超过500m；④地面直孔和坑道近水平钻孔目前均主要采用常规回转钻进工艺施工，无法精确测控钻孔轨迹，探查精度低，探查结果的有效性难以保证。

虽然定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精准调控，但其使用的造斜钻具主要为螺杆马达，受机具结构限制，只能进行全面钻进施工，无法进行岩芯采取。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种近水平连续定向取心超前地质探查系统与方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近水平连续定向取心超前地质探查系统与方法，其能解决目前井巷隧工程超前地质探查中存在的探查距离短、探查钻孔轨迹控制精度低、探查效率低的技术难题，提高了超前地质探查的精确性、探查距离和效率，降低施工成本。

为实现上述目的，本发明公开了一种近水平连续定向取心超前地质探查系统，包括依次连接的泥浆泵、送水器、取芯钻杆、定位钻杆、随钻纠斜钻具和取芯钻头，还包括通过钢丝绳与送水器连接的绞车，其特征在于：

所述定位钻杆和随钻纠斜钻具内设有测斜取芯钻具及岩芯卡断器，其中定位钻杆内设置有固定测斜取芯钻具用的定位凹槽，所述取芯钻头为环形结构，所述测斜取芯钻具包括依次连接的定位装置、随钻定点测斜装置、数电传输装置和岩芯管，所述岩芯管为中空结构，所述定位装置包括依次连接的定位仓和定位连接头，所述定位仓内设有能伸缩的伸入定位凹槽内以实现定位的定位组件。

其中：所述定位组件包含一活动轴，所述活动轴的一端伸出定位仓外与矛头连接，所述活动轴的中部设有在定位仓内壁前后滑动的中间凸缘，所述中间凸缘的前侧与定位仓之间安装有第一弹簧，所述活动轴的另一端通过销轴同时与两根定位连杆的一端铰接，两根定位连杆的另一端分别通过销轴与两根定位杆的一端铰接，两根定位杆的另一端同时通过销轴铰接在定位仓的中间。

其中：所述随钻定点测斜装置包括依次连接的测斜上连接头、测压接头、测斜外管和测斜下连接头，所述测斜下连接头中安装有由第一锁紧螺母固定的母同轴连接器，还连接有探管骨架，所述探管骨架上安装有倾角传感器、方位角传感器、上向通讯模块、测量控制模块和下向通讯模块，所述测斜外管内还安装有充电电源模块。