一种利用流量流速关系测量地下空穴的方法与流程

本发明属于地表塌陷勘测技术领域，具体涉及一种地下空穴的测量方法。

背景技术：

近年来，我国经济进入飞速发展时期，在铁路、公路、水利、交通等项目建设取得了很大的进展。但是，地理条件异常复杂多样，这给我们建设施工方面带来了压力和困难，尤其是对于一些地下复杂的不良地质体，比如煤矿采空区、湿陷性黄土塌陷区、岩溶空穴、断层破碎带等，严重影响施工生产进度，造成不必要的经济损失，同时，给施工人员的生命安全造成极大的危害。为了减少经济损失，提高安全生产水平，有必要对这些地下空穴深度和空间大小进行测量，并采取有效措施对这些地下空穴加以填注。

目前，现有技术中地下空穴的测量方法主要有地质钻探法、地质雷达测量法、静力触探法等，然而上述方法存在价格高，仪器使用复杂，维修保养困难等缺点，碰到复杂的地质结构，会存在测量不方便和测量不准确的问题。因此，需要一种价格适中，操作方便，适用范围广的地下空穴的测量方法。

技术实现要素：

本发明的任务在于提供一种利用流量流速关系测量地下空穴的方法，该方法操作简便、适用范围广且结果准确可靠。

其技术解决方案包括：

一种测量地下空穴的方法，依次包括以下步骤：

a准备并安装测量装置，所述测量装置包括储气罐、空气压缩机、双翼风速表、钻杆、主管道、第一支路管道和第二支路管道，将所述钻杆的尾端连接所述双翼风速表，将所述双翼风速表的另一端与所述主管道连接，在所述主管道的末端连接有三通阀，所述三通阀分别与所述第一支管路、第二支管路连接，在所述第一支路管道上安设第一截止阀和第一压力表；所述第二支路管道上依次安设第二截止阀、第二压力表，将第二支路管道的尾端依次连接空气压缩机、储气罐；

b根据流量流速关系测量地下空穴的体积，若空穴内气体近似真空状态的塌陷区，则按照以下子步骤测量：

b1确保测量装置的气密性良好，并记录所述双翼风速表的端面面积；

b2将所述钻杆的头部插入测试钻孔内，并用封堵胶囊堵住所述测试钻孔，关闭第二截止阀，打开第一截止阀，观察第一压力表，若第一压力表的指针发生转动，则表明测试钻孔的另一端存在地下空穴，此时立即按下双翼风速表的开关，观察计数器，每隔一定时间记录风速的大小，直到双翼风速表不再转动时，再次按下双翼风速表的开关，并关闭第一截止阀，记录双翼风速表自转动到停止所用的时间；

c若空穴为含有高压有害气体的煤矿采空区，则按照以下子步骤测量：

c1确保测量装置的气密性良好，并记录所述双翼风速表的端面面积；

c2关将所述钻杆的头部插入测试钻孔内，并用封堵胶囊堵住所述测试钻孔，关闭第一、第二截止阀，并打开排气阀、空气压缩机的反向开关，通过储气罐向测试钻孔内通气，观察第二压力表的指针，待储气罐气体状态为真空时，关闭排气阀和空气压缩机的反向开关，停止通气；

c3打开第二截止阀，通过储气罐向测试钻孔内通气，观察第二压力表，若表针转动说明测试钻孔的另一侧存在地下空穴，立即按下双翼风速表的开关，观察计数器，每隔一定的时间记录风速的大小，观察第二压力表，当指针不再变化时，打开空气压缩机的正向开关，将地下空穴的气体抽入储气罐内，直到第二压力表的指针维持在零刻度，储气罐停止通气，关闭空气压缩机和第二截止阀，并记录双翼风速表自转动到停止所用的时间；

d计算，步骤b2和步骤c3记录到的风速大小均假设最低风速为v₁，最高风速为v₂，则按照式(1)取其平均速度

地下空穴的体积V按照式(2)计算

式(2)中，Q表示风流量，S表示双翼风速表的端面面积，t表示双翼风速表自转动到停止所用的时间。

作为本发明的一个优选方案，在所述第二截止阀和第二压力表之间的第二支路管道上安设有排气阀。

作为本发明的另一个优选方案，所述双翼风速表的两端设置有法兰盘，通过两端的法兰盘分别与钻杆、主管道连接。

优选的，所述双翼风速表由左翼和右翼两部分组成，其中，左、右翼上各有三个叶片。

本发明所带来的有益技术效果：

在测量装置方面，本发明采用带有封堵皮囊的皮导管插入测试钻孔中，能够有效地减少漏风量，提高测量的精确度；双翼风速表通过法兰盘与其他管路相连，在与三通阀连接的管道上分别设有第一压力表和第二压力表，通过观察压力表指针是否转动可以判断地下空穴存在与否，观察并记录双翼风速表的风速和时间可以计算出地下空穴空间大小。该装置结构设计合理，适用范围广，高效节能，能够克服现有探测地下空穴仪器所存在探测范围窄，价格昂贵和使用复杂的缺陷。

本发明测量方法，主要是利用了流量流速关系来对地下空穴的体积进行测量，在测量方法中，通过双翼风速表、第一压力表、第二压力表等部件之间的配合，得到最低风速、最高风速、双翼风速表自转动到停止所用的时间等数据，进一步通过计算得到地下空穴的体积，本发明方法不同于现有技术中的测量方法，实例证明该测量方法操作简单，结果准确可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明所采用的测量装置的结构示意图；

图2为双翼风速表的正视图；

图3为双翼风速表的侧视图；

图中，1、封堵胶囊，2、钻杆，3、双翼风速表，4、法兰盘，5、三通阀，6、第一截止阀，7、第一压力表，8、第二截止阀，9、排气阀，10、第二压力表，11、空气压缩机，12、进气阀，13、储气罐，14、开关，15、回零压杆，16、计数器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明所采用的装置，包括封堵胶囊1、钻杆2、双翼风速表3、第一压力表7、第二压力表10、空气压缩机11和储气罐13，其中，钻杆2为空心钻杆，测量时，钻杆2的头部插入测试钻孔中，尾部连接在双翼风速表3端部的法兰盘4上，法兰盘为螺纹法兰，即在法兰的内孔上加工管螺纹；为了保证钻孔的密封性，在钻杆与测试钻孔的插入处用封堵胶囊1进行密封，在双翼风速表3的两端均连接法兰盘4，位于另一端的双翼风速表的法兰盘4连接主管道，主管道的末端连接三通阀5，三通阀5的另外两个接口，一个与第一支路管道连接，另一个与第二支路管道连接，其中，第一支路管道上依次连接有第一截止阀6、第一压力表7。

第二支路管道上自上而下依次连接第二截止阀8、排气阀9、第二压力表10、空气压缩机11、进气阀12和储气罐13。

结合图2和图3所示，双翼风速表3，其中所谓的双翼为左翼和右翼，在左翼和右翼上分别有三个叶片，当风流从双翼风速表的左端面流入时，左翼上的叶片转动；当风流从右端面流入时，右翼上的叶片转动，且叶片能够随着风流的流通一直转动，该双翼风速表3上设置有开关14、回零压杆15和计数器16，计算器16位于侧面，该计数器能够统计风流流过的速度及时间。由于地下空穴的面积一般较大，其流出或流入的风速一般为在0.8—25m/s为高速风流，故双翼风速表轴及叶片采用的材料和CFJ-25高速风表的轴和叶片的材料相似。

本发明采用的空气压缩机可以双向转动，顺时针旋转时，将气体压入储气罐内；逆时针旋转时，将气体从真空储气罐排出。

上述地下空穴测量装置安装时，钻杆2插入测试钻孔，在双翼风速表的两端安装法兰盘4，钻杆2直接与法兰盘4相连，法兰盘4连接主管道，在主管道的末端连接三通阀5，在与三通阀5的一个接口连接的第一支路管道上分别安装第一截止阀6、第一压力表7；在与三通阀5的另一个接口连接的第二支路管道上分别安装第二截止阀8、排气阀9、第二压力表10，在第二压力表10的另一端安装空气压缩机11，与空气压缩机11另一端相连的管路上分别安装进气阀12和储气罐13。

地下空穴大致分为两类，一类是空穴内气体近似真空状态的塌陷区，另一类是空穴含有高压有害气体的煤矿采空区。

在测量第一类地下空穴时，具体的测量方法为：

1)工作前，首先根据钻孔的大小选择合适钻杆2及封堵胶囊1；估计待测地下空穴的空间大小，选择合适量程的双翼风速表3，然后按下回零压杆15，将双翼风速表调零并记录所选双翼风速表的端面面积，最后检查各个管道是否漏气，及时加固管道各部件；

2)工作时，先将钻杆2伸入测试钻孔内，用封堵胶囊堵住测试钻孔，关闭第二截止阀8，然后打开第一截止阀6，观察第一压力表7，如果第一压力表表针转动说明钻孔的另一端存在地下空穴，立即按下双翼风速表3的开关14，观察计数器16，每隔一定时间记录风速的大小，直到双翼风速表不再转动时，按下双翼风速表)的开关14，并关闭第一截止阀6，记录双翼风速表3自转动到停止所用的时间。

在测量第二类地下空穴时，具体的测量方法为：

1)工作前，首先根据钻孔的大小选择合适钻杆2及封堵胶囊1；估计待测地下空穴的空间大小，选择合适量程的双翼风速表3，按下回零压杆15将双翼风速表3调零，并记录所选双翼风速表3的端面面积，然后关闭第二截止阀8和第一截止阀6并打开排气阀9和进气阀12，打开空气压缩机11的反向开关并观察第二压力表的指针，待真空储气罐气体状态为真空时，关闭排气阀9、进气阀12和双向空气压缩机11。

2)工作时，先将空心钻杆2伸入测试钻孔内，用封堵胶囊堵住测试钻孔，打开第二截止阀8和进气阀12，观察第二压力表10，若第二压力表表针转动说明测试钻孔的另一侧存在地下空穴，立即按下双翼风速表3的开关14，观察计数器16，每隔一定的时间记录风速的大小，观察第二压力表10，当表针，当指针不再变化时，打开双向空气压缩机11的正向开关，将地下空穴的气体抽入空储气罐13内，直到指针维持在零刻度范围内，关闭进气阀12、空气压缩机11和第二截止阀8，最后记录双翼风速表3自转动到停止所用的时间。

无论气体进入还是排出地下空穴，气体都是在做变速运动，因此在求风速时，选择气体流速的平均熟读为最大风速和最小风速和的平均值，计算公式如下：

式中，表示平均速度，v₁表示最低速度，v₂表示最高速度，Q表示风流量，S表示风速表的端面面积，t表示风速表转动的时间，V表示地下空穴的体积

实施例1：在实验室取一体积为12m³的储气罐，抽成近似真空状态，选取横截面半径为12cm的风速表，首先将钻杆伸入与储气罐相连的一段管路内，用封堵胶囊堵住管路，关闭第二截止阀8，然后打开第一截止阀6，观察第一压力表7，如果第一压力表表针转动说明管路的另一端存在地下空穴，立即按下双翼风速表3的开关14，观察计数器16，每隔3s记录风速的大小，直到双翼风速表不再转动时，按下双翼风速表)的开关14，并关闭第一截止阀6，记录双翼风速表3自转动到停止所用的时间，如表1所示。

表1

由公式计算得：

v_平均＝(23+0)/2＝11.5m/s

V＝(11.5·0.045)·24＝12.4m³

所求体积与储气罐体积相似，故此方法可以应用到实际测量中。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。