應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下工程地質(zhì)超前探測領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在地下工程建設(shè)中，圍巖的斷層軟弱破碎帶和不良地質(zhì)體對隧道或巷道的工程建設(shè)造成極大的安全隱患，所以我們在隧道或者巷道的開挖之前必須探明前方的不良地質(zhì)體和前方的圍巖強(qiáng)度情況。目前對圍巖強(qiáng)度的探測主要采用鉆芯取樣的方式，使用鉆探法從現(xiàn)場取芯到得出實(shí)驗(yàn)報(bào)告的時(shí)間間隔長，嚴(yán)重的制約了施工的進(jìn)度，增加了工程預(yù)算成本；對不良地質(zhì)體的探測主要采用激發(fā)極化、鉆孔雷達(dá)等方法進(jìn)行，但由于鉆孔雷達(dá)和激發(fā)極化當(dāng)遇到復(fù)雜的地層環(huán)境時(shí)，探測結(jié)果往往存在較大的誤差，而單純的打孔測試只能探明打孔范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體情況，測量范圍小，代表性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題和不足:提供一種應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)，在鉆機(jī)對前方圍巖鉆進(jìn)中，不僅可以測定前方圍巖的強(qiáng)度、類別，還能利用鉆孔雷達(dá)測得較大范圍內(nèi)的圍巖分級及類別和不良地質(zhì)體。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0004]應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)，
[0005]包括:數(shù)字化鉆機(jī)，鉆孔探查儀，鉆孔雷達(dá)和主機(jī)，所述鉆孔探查儀的探頭和鉆孔雷達(dá)的發(fā)射天線均安裝于所述鉆機(jī)上；
[0006]所述數(shù)字化鉆機(jī)、鉆孔探查儀和鉆孔雷達(dá)分別將各自探測的數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，所述主機(jī)通過高精度巖層鉆孔探查儀記錄包括裂隙角度、數(shù)量、巖層分界中一種或幾種的圍巖信息，通過數(shù)字化鉆機(jī)實(shí)時(shí)獲取鉆孔徑范圍內(nèi)巖層的類別和物理力學(xué)性質(zhì)，通過鉆孔雷達(dá)預(yù)測鉆頭所在位置周圍一定范圍內(nèi)的圍巖狀況，并利用約束反演法將所收集的上述信息以巖層展布圖形式呈現(xiàn)出來；
[0007]所述主機(jī)對巖層性質(zhì)和不良地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)精確測定與大范圍預(yù)測相結(jié)合，精確的數(shù)據(jù)記錄與巖層性質(zhì)三維展布相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對地下圍巖進(jìn)行快速準(zhǔn)確的勘察和預(yù)報(bào)。
[0008]所述高精度巖層鉆孔探查儀的探頭和所述鉆孔雷達(dá)的發(fā)射天線均設(shè)于與數(shù)字化鉆機(jī)的鉆頭相連的鉆桿中心位置；所述數(shù)字化鉆機(jī)上設(shè)有探頭，所述探頭上設(shè)有在鉆進(jìn)過程中收集巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的傳感器，包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和軸壓力傳感器，所述探頭通過電線將所述傳感器收集的信息傳輸給主機(jī)。
[0009]所述主機(jī)包括鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，所述分析系統(tǒng)將鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中傳感器反映的巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與巖層鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，進(jìn)而精確判斷巖層類別和確定其物理力學(xué)性質(zhì)。
[0010]所述巖層鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，是通過大量全面試驗(yàn)所記錄的鉆機(jī)鉆進(jìn)各類巖層時(shí)傳感器測得和獲取的鉆機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、軸壓力、鉆頭位移、穿孔速率和鉆進(jìn)比功等數(shù)據(jù)，所建立起的各類巖體物理力學(xué)性質(zhì)與鉆進(jìn)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，所述巖體物理力學(xué)性質(zhì)包括巖體強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角。
[0011]所述分析系統(tǒng)根據(jù)獲取的信息，繪制各種參數(shù)隨鉆進(jìn)深度變化的曲線，包括鉆速隨深度變化的曲線、鉆進(jìn)比功隨深度變化的曲線。
[0012]所述鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)將分析的到的鉆孔周圍一定范圍內(nèi)巖層精確狀況以柱狀圖形式呈現(xiàn)。
[0013]所述鉆孔雷達(dá)具有三維精細(xì)化成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)將電磁波保存的圍巖信息以三維圖像形式呈現(xiàn)。
[0014]所述三維精細(xì)化成像系統(tǒng)，是對數(shù)據(jù)采集完畢后實(shí)行約束反演成像。
[0015]鉆孔雷達(dá)，包括用以探測鉆頭所在位置周圍一定范圍內(nèi)圍巖巖石參數(shù)和水層等不良地質(zhì)體的電磁波信號的發(fā)射天線和接收天線。
[0016]所述主機(jī)將所述圍巖信息的三維圖像和頻譜與圍巖等級數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，確定所預(yù)測的鉆孔周圍圍巖類別及不良地質(zhì)體的分布。
[0017]所述頻譜與圍巖等級數(shù)據(jù)庫，是在大量鉆孔雷達(dá)對不同圍巖類型實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)不同圍巖類型雷達(dá)波頻率特征，所建立的數(shù)據(jù)庫。
[0018]所述高精度巖層鉆孔探查儀設(shè)有位于鉆孔中心位置的具有不銹鋼外殼的探頭。
[0019]應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測方法，包括以下步驟:
[0020]步驟1:利用高精度巖層鉆孔探查儀對鉆頭所在位置圍巖裂隙角度、數(shù)量、巖層分界進(jìn)行記錄；
[0021]步驟2:鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)將鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中傳感器反映的巖石物理力學(xué)性質(zhì)與巖層信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對進(jìn)而精確判斷巖層類別和確定其物理力學(xué)性質(zhì)；
[0022]步驟3:利用鉆孔雷達(dá)對鉆頭所在位置周圍一定范圍內(nèi)圍巖巖石參數(shù)和不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測；
[0023]步驟4:主機(jī)將上述信息分析處理，融合生成巖層展布圖。
[0024]其中，步驟I包括:
[0025](I)將高精度巖層鉆孔探查儀的探頭安裝在與鉆頭相連的鉆桿中心位置，動力系統(tǒng)推動鉆頭鉆桿鉆入巖層；
[0026](2)鉆頭向前移動，探頭將鉆頭鉆進(jìn)過程中圍巖狀況包括巖層分界、裂隙角度、數(shù)量以電信號形式保存；
[0027](3)電信號通過高精度巖層鉆孔探查儀電線傳遞給主機(jī)；
[0028](4)主機(jī)將電信號保存的圍巖信息以錄像形式呈現(xiàn)。
[0029]步驟2包括:
[0030](I)鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，由鉆桿上的各種傳感器記錄扭矩、鉆頭轉(zhuǎn)速、軸壓力等數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)街鳈C(jī)；
[0031](2)主機(jī)中的鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)繪制各種參數(shù)隨鉆進(jìn)深度變化的曲線，包括鉆速隨深度變化的曲線、鉆進(jìn)比功隨深度變化的曲線；
[0032](3)將鉆進(jìn)參數(shù)隨深度變化的曲線與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，確定各深度的圍巖類別和物理力學(xué)性質(zhì)；
[0033](4)根據(jù)上述判斷，繪制圍巖類別與物理力學(xué)性質(zhì)隨深度變化的柱狀直觀圖像。
[0034]步驟3包括:
[0035](I)鉆孔雷達(dá)的發(fā)射天線安裝在與鉆頭相連的鉆桿中心位置，動力系統(tǒng)推動鉆頭鉆桿鉆入巖層；
[0036](2)鉆頭向前移動，發(fā)射天線將鉆頭鉆進(jìn)過程中鉆頭所在位置周圍一定范圍內(nèi)圍巖預(yù)測狀況包括巖石物理力學(xué)參數(shù)和水層等不良地質(zhì)體以電磁波形式保存；
[0037](3)發(fā)射電線將電磁波發(fā)射給接收天線；
[0038](4)接收天線將電磁波保存的圍巖預(yù)測信息傳遞給三維精細(xì)化成像系統(tǒng)；
[0039](5)三維精細(xì)化成像系統(tǒng)將電磁波保存的圍巖信息在主機(jī)上以三維圖像形式呈現(xiàn)；
[0040](6)將呈現(xiàn)的圍巖信息和頻譜與圍巖等級數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，預(yù)測鉆孔周圍圍巖類別及水層等不良地質(zhì)體的分布。
[0041]步驟4包括:
[0042](I)將鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)和鉆孔探查儀得到的精確圍巖信息和鉆孔雷達(dá)預(yù)測的圍巖信息與圍巖距鉆孔中心的水平距離制作成巖層信息柱狀圖；
[0043](2)將數(shù)據(jù)庫中與探測巖層信息匹配的巖層各項(xiàng)參數(shù)加入柱狀圖中；
[0044](3)根據(jù)柱狀圖信息繪制出巖層展布圖。
[0045]本發(fā)明的有益效果:
[0046]一種應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)，包括小型數(shù)字化鉆機(jī)、高精度巖層鉆孔探查儀、鉆孔雷達(dá)、頻譜與圍巖等級數(shù)據(jù)庫、巖層鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫、鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)。
[0047]高精度巖層鉆孔探查儀可以將圍巖包括裂隙角度、數(shù)量、巖層分界等圍巖信息精確地以錄像的形式在顯示屏中展示出來。
[0048]鉆孔雷達(dá)在成像系統(tǒng)作用下可以將巖層預(yù)測信息，包括巖石物理力學(xué)參數(shù)和水層等不良地質(zhì)體通過與頻譜與圍巖等級數(shù)據(jù)庫比對以巖層展布圖形式呈現(xiàn)出來。
[0049]鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)將鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中傳感器反映的巖石物理力學(xué)性質(zhì)與巖層鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，進(jìn)而可以精確判斷巖層類別和確定其物理力學(xué)性質(zhì)。
[0050]利用地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)，不僅可以利用鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)精確測定所鉆孔徑范圍內(nèi)巖層的類別和物理力學(xué)性質(zhì)，并且可以利用鉆孔雷達(dá)預(yù)測鉆頭所在位置周圍一定范圍內(nèi)的圍巖狀況并以巖層展布圖形式呈現(xiàn)出來，還可以利用高精度巖層鉆孔探查儀將圍巖包括裂隙角度、數(shù)量、巖層分界等圍巖信息記錄下來。
[0051]本系統(tǒng)對巖層性質(zhì)和不良地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)精確測定與大范圍預(yù)測結(jié)合，精確數(shù)據(jù)記錄與巖層性質(zhì)三維展布相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對地下圍巖實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的勘察和預(yù)報(bào)。
[0052]本發(fā)明中將數(shù)據(jù)庫與成像系統(tǒng)結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)圖像與數(shù)據(jù)庫同時(shí)反映巖層信息、判斷巖層類別，同時(shí)將巖層信息以巖層展布圖形式呈現(xiàn)出來，直觀、快捷、準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0053]圖1:巖層信息展布圖；
[0054]圖2:組合鉆機(jī)示意圖；
[0055]圖3:地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測系統(tǒng)工作原理及流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0057]應(yīng)用于鉆機(jī)的地質(zhì)狀況實(shí)時(shí)反映與超前探測方法，包括以下步驟:
[0058]I)利用高精度巖層鉆孔探查儀對鉆頭所在位置圍巖裂隙角度、數(shù)量、巖層分界進(jìn)行記錄；
[0059]2)鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)將鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中傳感器反映的巖石物理力學(xué)性質(zhì)與巖層信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對進(jìn)而精確判斷巖層類別和確定其物理力學(xué)性質(zhì)；
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