一种地震三分量干孔探头及测试方法与流程

本发明属于物探专业测试设备技术领域，具体涉及一种地震三分量干孔探头及测试方法。

背景技术：

目前，工程地质勘察时，经常采用钻探方法对地下地层进行研究。采用开挖平硐方法也是常用的基础勘察手段，可现实问题是，火攻材料办理难度越来越大，相反，业主要求的勘察工期越来越短，这些矛盾越来越突出。利用高效的钻孔手段替代平硐手段是勘探行业未来发展的趋势。可以预测，以后钻孔工作量越来越大，涉及孔内地震穿透测试的工作越来越多。可地震穿透测试时会碰到以下三个难题：

(1)干孔内传感器无法与岩体耦合

在钻孔内进行地震穿透测试时，探头与孔壁必须进行充分耦合，工程实际应用时，一般采用水耦合。目前，现场施工条件越来越复杂，钻孔比较破碎，测试的深度越来越大(在水电行业200多米深的孔越来越常见)，方向有垂直朝上、垂直朝下、水平、斜向上和斜向下，这些孔难以保存水，尤其是朝上孔和水平孔。孔内没水，难以实现探头与孔壁的耦合，从而导致该方法测试工作无法进行。

(2)深孔内难以进行地震穿透测试

地震探头耐压的程度是有限的，一般情况下，可以通过向孔内注水的方式进行耦合。碰到较深的钻孔时，可能会碰到两种情况：孔内有水和没水。

①在孔内有水或可以注满水的条件下，当测到深部时，受水压的影响，

探头效果明显差，采集的原始记录品质差，经常导致无法获得测试数据的后果，有时甚至还会导致探头损坏；

②在现场没水时，难以实现探头与孔壁耦合，无法进行地震穿透测试。

(3)地震穿透测试时记录品质差

地震探头内置的传感器通常是由线圈和磁铁组成,接收信号靠传感器震动形成。现场由炸药、电火花等震源激发能量，震动经过传播介质到达传感器，导致传感器振动，从而引起传感器在磁场中振荡，产生电压，通过电线与仪器相连，通过记录到电压大小与时间来记录信号特征。

振动传播是有方向的，当环形线圈中轴线方向与振动方向一致时线圈产生的电压最大(即信号最强)。实际检测中，环形线圈中轴线方向与振动方向不一致,导致信号很弱(可能为零)。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中干孔内传感器无法与岩体耦合、深孔内难以进行地震穿透测试和地震穿透测试时记录品质差问题。

为此，本发明提供了一种地震三分量干孔探头，包括储水器和接收装置，储水器右连接接收装置，储水器包括第一构件、第二构件、气囊、储水管，第一构件、气囊、第二构件从左向右依次连接且均位于储水管内，气囊的外部和储水管之间为第一空间，第二构件开有第一水管通道；

接收装置包括第三构件、第四构件、耦合气囊、传感器、电线、进水管和进排气管，第三构件右连接第四构件且均位于耦合气囊内，第三构件外部和耦合气囊之间为第二空间，传感器连于第三构件内，电线穿过第四构件连接传感器，进排气管从右向左依次经第四构件、第三构件和第二构件连通气囊，第三构件的上部和下部依次开有第二水管通道和第三水管通道，进水管从右向左依次连通第三水管通道、第二空间、第二水管通道、第一水管通道和第一空间。

还包括第一连接件和第二连接件，第一连接件为中空结构，第一连接件连接在第二构件和第三构件之间，第一连接件连通第一水管通道和第二水管通道，第二连接件连接在第四构件右端。

所述第一构件左端为椎体结构，椎体机构的右端为阶梯状结构，阶梯状结构的外径大小从左向右依次递减，阶梯状结构的右端采用倒角结构。

所述第二构件为圆柱体结构，圆柱体的中心轴为水平方向，圆柱体的左半部外径小于右半部外径，圆柱体的左半部轴向开有左开口，左开口的开口方向向左，圆柱体的右半部轴向开有右开口，右开口的开口方向向右，左开口和右开口不相通，圆柱体的右端采用倒角结构，第一水管通道位于圆柱体的右下半部，第一构件右端连接第二构件左端，进排气管连通左开口。

所述第三构件为圆柱体结构，圆柱体的中心轴为水平方向，圆柱体的左部外径小于右部外径，圆柱体的左部轴向开有第一开孔，第一开孔的开口方向向左，圆柱体的右部轴向开有第二开孔，第二开孔的开口方向向右，第一开孔和第二开孔不相通，第二水管通道和第三水管通道依次位于圆柱体的左上部和右下部，传感器位于第二开孔内。

所述第四构件为圆柱体结构，圆柱体的中心轴为水平方向，圆柱体左部外径小于中部外径，中部外径小于右部外径，圆柱体右部左端采用倒角结构，圆柱体右部右端为椎体结构，圆柱体右部轴向开设连接孔，连接孔连接第二连接件。

所述传感器数量为三个，三个传感器相互垂直且位于第二开孔内。

一种地震三分量干孔探头测试方法，包括如下步骤：

1)测试时，储水器和接收装置通过第一连接件连接，打开进水管并向内进水管内注水，水从右向左依次通过第三水管通道、第二空间、第二水管通道、第一连接件和第一水管通道进入第一空间，第一空间内充满水后关闭进水管，将连接好的储水器和接收装置安置到需要测试的位置，通过进排气管向气囊内打气使气囊膨胀，膨胀后的气囊将位于第一空间内的水经第二构件、第一连接件和第二水管通道挤到第二空间内并将耦合气囊膨胀至与测试孔壁接触，传感器进行测试；

2)测试结束后，通过进排气管排出气囊中的气体，第二空间内的水经第二水管通道、第一连接件、第一水管通道回流进第一空间内，耦合气囊与测试孔壁分开，移动地震三分量干孔探头到下一个测试点，重复以上过程。

本发明的有益效果：本发明提供的这种地震三分量干孔探头，现场不需要水、电及水泵，可以开展历史上根本无法完成的工作，测试时，储水器和接收装置通过第一连接件连接，打开进水管并向内进水管内注水，水从右向左依次通过第三水管通道、第二空间、第二水管通道、第一连接件和第一水管通道进入第一空间，第一空间内充满水后关闭进水管，将连接好的储水器和接收装置安置到需要测试的位置，通过进排气管向气囊内打气使气囊膨胀，膨胀后的气囊将位于第一空间内的水经第二构件、第一连接件和第二水管通道挤到第二空间内并将耦合气囊膨胀至与测试孔壁接触，当耦合气囊与测试孔壁充分接触后(中间存在一定积压力)，位于耦合气囊内的传感器与测试孔壁通过水得到耦合，传感器进行测试；2)测试结束后，通过进排气管排出气囊中的气体，第二空间内的水经第二水管通道、第一连接件、第一水管通道回流进第一空间内，耦合气囊与测试孔壁分开，移动地震三分量干孔探头到下一个测试点，重复以上过程；水在储水器和接收装置之间来回流动，解决各测点耦合问题，解决了困扰检测行业多年的技术的问题，该装置突破了现场注水、放水的传统思路，开创了现场充气、排气的新思路，还提高了采集信号的质量。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是地震三分量干孔探头总设计剖面示意图；

图2是地震三分量干孔探头左半部设计剖面示意图；

图3是地震三分量干孔探头右半部设计剖面示意图；

图4是第一构件的结构剖面示意图；

图5是第二构件的结构剖面示意图；

图6是第三构件的结构剖面示意图；

图7是第四构件的结构剖面示意图。

附图标记说明：1、第一构件；2、第二构件；3、气囊；4、储水管；5、第三构件；6、第四构件；7、耦合气囊；8、传感器；9、电线；10、进水管；11、进排气管；12、第一空间；13、第二空间；14、第一水管通道；15、第二水管通道；16、第三水管通道；17、第一连接件；18、第二连接件；2-1、左开口；2-2、右开口；5-1、第一开孔；5-2、第二开孔；6-1、连接孔。

具体实施方式

实施例1：

一种地震三分量干孔探头，包括储水器和接收装置，储水器右连接接收装置，储水器包括第一构件1、第二构件2、气囊3、储水管4，第一构件1、气囊3、第二构件2从左向右依次连接且均位于储水管4内，气囊3的外部和储水管4之间为第一空间12，第二构件2开有第一水管通道14；

接收装置包括第三构件5、第四构件6、耦合气囊7、传感器8、电线9、进水管10和进排气管11，第三构件5右连接第四构件6且均位于耦合气囊7内，第三构件5外部和耦合气囊7之间为第二空间13，传感器8连于第三构件5内，电线9穿过第四构件6连接传感器8，进排气管11从右向左依次经第四构件6、第三构件5和第二构件2连通气囊3，第三构件5的上部和下部依次开有第二水管通道15和第三水管通道16，进水管10从右向左依次连通第三水管通道16、第二空间13、第二水管通道15、第一水管通道14和第一空间12。

实施例2：

如图1-3所示，一种地震三分量干孔探头，包括储水器和接收装置，储水器右连接接收装置，储水器包括第一构件1、第二构件2、气囊3、储水管4，第一构件1、气囊3、第二构件2从左向右依次连接且均位于储水管4内，气囊3的外部和储水管4之间为第一空间12，第二构件2开有第一水管通道14；接收装置包括第三构件5、第四构件6、耦合气囊7、传感器8、电线9、进水管10和进排气管11，第三构件5右连接第四构件6且均位于耦合气囊7内，第三构件5外部和耦合气囊7之间为第二空间13，传感器8连于第三构件5内，电线9穿过第四构件6连接传感器8，进排气管11从右向左依次经第四构件6、第三构件5和第二构件2连通气囊3，第三构件5的上部和下部依次开有第二水管通道15和第三水管通道16，进水管10从右向左依次连通第三水管通道16、第二空间13、第二水管通道15、第一水管通道14和第一空间12。

还包括第一连接件17和第二连接件18，第一连接件17为中空结构，第一连接件17连接在第二构件2和第三构件5之间，第一连接件17连通第一水管通道14和第二水管通道15，第二连接件18连接在第四构件6右端。

1)测试时，储水器和接收装置通过第一连接件17连接，打开进水管10并向内进水管10内注水，水从右向左依次通过第三水管通道16、第二空间13、第二水管通道15、第一连接件17和第一水管通道14进入第一空间12，第一空间12内充满水后关闭进水管10，将连接好的储水器和接收装置安置到需要测试的位置，通过进排气管11向气囊3内打气使气囊3膨胀，膨胀后的气囊3将位于第一空间12内的水经第二构件2、第一连接件17和第二水管通道15挤到第二空间13内并将耦合气囊7膨胀至与测试孔壁接触，传感器6进行测试；

2)测试结束后，通过进排气管11排出气囊3中的气体，第二空间13内的水经第二水管通道15、第一连接件17、第一水管通道14回流进第一空间12内，耦合气囊7与测试孔壁分开，移动地震三分量干孔探头到下一个测试点，重复以上过程。测试结束后拆开第一连接件17，第一连接件17方便连接和拆分储水器和接收装置，便于运输。

水在储水器和接收装置之间来回流动，解决各测点耦合问题，解决了困扰检测行业多年的技术的问题，该装置突破了现场注水、放水的传统思路，开创了现场充气、排气的新思路，还提高了采集信号的质量。

实施例3

如图4所示，在实施例1的基础上，所述第一构件1左端为椎体结构，椎体机构的右端为阶梯状结构，阶梯状结构的外径大小从左向右依次递减，阶梯状结构的右端采用倒角结构。第一构件1起到支撑储水管4的作用，同时第一构件1还可根据需要向左或向右推进起到导向作用便于储水排水，椎体结构可降低推进时的阻力，倒角结构便于气囊3和第一构件1的连接，同时拆卸方便。

如图5所示，所述第二构件2为圆柱体结构，圆柱体的中心轴为水平方向，圆柱体的左半部外径小于右半部外径，圆柱体的左半部轴向开有左开口2-1，左开口2-1的开口方向向左，圆柱体的右半部轴向开有右开口2-2，右开口2-2的开口方向向右，左开口2-1和右开口2-2不相通，圆柱体的右端采用倒角结构，第一水管通道14位于圆柱体的右下半部，第一构件1右端连接第二构件2左端，进排气管11连通左开口2-1。第二构件2起到支撑储水管4的作用，同时第二构件2还可根据需要向左或向右推进起到导向作用便于储水排水，圆柱体的右端采用倒角结构减少推进时的阻力，同时保证拆卸方便，左开口2-1易于气囊3进气，右开口2-2易于连接第一连接件17。

如图6所示，所述第三构件5为圆柱体结构，圆柱体的中心轴为水平方向，圆柱体的左部外径小于右部外径，圆柱体的左部轴向开有第一开孔5-1，第一开孔5-1的开口方向向左，圆柱体的右部轴向开有第二开孔5-2，第二开孔5-2的开口方向向右，第一开孔5-1和第二开孔5-2不相通，第二水管通道15和第三水管通道16依次位于圆柱体的左上部和右下部，传感器8位于第二开孔5-2内。所述传感器8数量为三个，三个传感器8相互垂直且位于第二开孔5-2内。进行地震穿透测试时确保地震穿透测试时记录的高品质，提高测量精度。第一开孔5-1便于连接第一连接件17，第二开孔5-2便于内置传感器8，圆柱体的左部外径小于右部外径方便水流动，第三构件5起到支撑耦合气囊7和连接第一连接件17的作用，结构简单。

如图7所示，所述第四构件6为圆柱体结构，圆柱体的中心轴为水平方向，圆柱体左部外径小于中部外径，中部外径小于右部外径，圆柱体右部左端采用倒角结构，圆柱体右部右端为椎体结构，圆柱体右部轴向开设连接孔6-1，连接孔6-1连接第二连接件18，第二连接件18为螺丝。第四构件6起到封堵传感器8的作用，圆柱体左部外径小于中部外径，中部外径小于右部外径起到很好的封堵效果，同时第四构件6易于拆卸，便于检查传感器，操作和维修方便，第二连接件18用于连接其他部件，例如推杆，便于推动第四构件6。

实施例4

一种地震三分量干孔探头测试方法，包括如下步骤：

1)测试时，储水器和接收装置通过第一连接件17连接，打开进水管10并向内进水管10内注水，水从右向左依次通过第三水管通道16、第二空间13、第二水管通道15、第一连接件17和第一水管通道14进入第一空间12，第一空间12内充满水后关闭进水管10，将连接好的储水器和接收装置安置到需要测试的位置，通过进排气管11向气囊3内打气使气囊3膨胀，膨胀后的气囊3将位于第一空间12内的水经第二构件2、第一连接件17和第二水管通道15挤到第二空间13内并将耦合气囊7膨胀至与测试孔壁接触，传感器6进行测试；

2)测试结束后，通过进排气管11排出气囊3中的气体，第二空间13内的水经第二水管通道15、第一连接件17、第一水管通道14回流进第一空间12内，耦合气囊7与测试孔壁分开，移动地震三分量干孔探头到下一个测试点，重复以上过程。

解决各测点耦合问题，解决了困扰检测行业多年的技术的问题，该装置突破了现场注水、放水的传统思路，开创了现场充气、排气的新思路，还提高了采集信号的质量。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。