(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111913221 A(43)申请公布日 2020.11.10
(21)申请号 202010659888.5(22)申请日 2020.07.10
(71)申请人 福建岩土工程勘察研究院有限公司
地址 350000 福建省福州市闽侯县上街镇
科技东路1号三层(72)发明人 苏德垠 卢俊彬 刘奇 王兵
杨少渊 阙陈燕 (51)Int.Cl.
G01V 3/08(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图4页
CN 111913221 A(54)发明名称
岩土勘测装置及勘测方法(57)摘要
包括最外层本发明涉及一种岩土勘测装置，
中空的钻杆和套设在钻杆内的探测杆；所述探测杆由多段用于探测导磁矿层的感应段和多段导体制成的连接段交替连接成棒体；所述感应段的结构包括位于中心的压电陶瓷芯体和紧箍压电陶瓷杆体的磁致伸缩环体；在压电陶瓷芯体上分别引出导线，导线连接至位于探杆上端的电流接收器；各压电陶瓷芯体产生的电流经处理器做信息处理；该装置和方法利用岩土中各种矿石导磁性的差异自动预判岩土中的矿物分布，特别是在确定目标导磁形矿物的勘测工作中效率极高，该勘测装置结构简单、轻巧，该勘测方法操作简便，使勘测工作相对智能化，操作人员无需带回大量的土样检测。
CN 111913221 A
权 利 要 求 书
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1.一种岩土勘测装置，其特征在于：包括最外层中空的钻杆(1)和套设在钻杆(1)内的探测杆(2)；所述探测杆(2)由多段用于探测导磁矿层的感应段(21)和多段导体制成的连接段(22)交替连接成棒体；所述感应段(21)的结构包括位于中心的压电陶瓷芯体(211)和紧箍压电陶瓷杆体(211)的磁致伸缩环体(212)；在压电陶瓷芯体(211)上分别引出导线，导线连接至位于探杆(2)上端的电流接收器(3)；各压电陶瓷芯体(211)产生的电流经处理器(4)做信息处理。
2.如权利要求2所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述连接段(22)的材质为非磁致伸缩材料的导体，并在外部嵌设箍紧阻尼橡胶(221)。
3.如权利要求1所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述连接段(22)的长度较感应段(21)长。
4.如权利要求2所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述压电陶瓷芯体(211)采用切变型压电陶瓷元件。
5.如权利要求2所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述压电陶瓷芯体(211)的结构使其将外部扭转力转化为直线型形变。
6.如权利要求5所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述压电陶瓷芯体(211)包括至少两个上下紧密贴合的柱形或环形压电陶瓷片(2111)，两压电陶瓷片(2111)一端面紧密贴合，贴合的一端面分别具有波浪形或锯齿形的起伏，两贴合端面的起伏相互契合互补，从而可以将两压电陶瓷片(2111)的相对扭转转化为轴向的压力，进而产生轴向的形变。
7.如权利要求2所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：还包括一显示器(5)；所述显示器(5)显示处理器(4)导出的数据。
8.如权利要求2所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述钻杆(1)外部具有便于旋转进给的螺纹，整体外形如一自攻螺丝。
9.如权利要求8所述的一种岩土勘测装置，其特征在于：所述钻杆(1)的材质选用具有高强度的马氏体不锈钢或沉淀硬化不锈钢。
10.一种岩土勘测方法，采用如权利要求1所述的岩土勘测装置，其特征在于，包括以下依序进行的步骤：
步骤一：使用设备或通过助力装置人工将钻杆(1)钻入岩土中，从钻杆(1)的中空部位插入探杆(2)至预定位置；
步骤二：由探杆(2)上端向其通入预设的高强度的直流电流或第一脉冲电流I1，该直流电流或第一脉冲电流I1沿探杆(2)向下；探杆(2)在流过直流电流或第一脉冲电流I1的情况下，其外部会产生环形的第一磁场B1；该第一磁场B1会使岩土中的导磁矿层磁化；
步骤三：待磁化预设的时间t1后，断开直流电流或第一脉冲电流I1，此时探测杆(2)产生的环形磁场消失，探测杆(2)附近被磁化的导磁矿层仍存在第二磁场B2，由于不同的矿层具有不同的导磁率，因此各矿层的第二磁场B2大小并不相同；
步骤四：由探测杆(2)上端向其通入预设的第二脉冲电流I2，该第二脉冲电流I2沿探测杆(2)向下，探测杆(2)外部产生环形的第三磁场B3，第三磁场B3与第二磁场B2产生干涉从而使探测杆(2)周围的磁场发生改变，其变化大小与不同位置的第二磁场B2的强度有关；变化的磁场使得由磁致伸缩材料做成的磁致伸缩环体(212)产生形变，进而带动压电陶瓷芯体(211)也产生形变，根据压电效应，其产生压电电流；
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权 利 要 求 书
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步骤五：该电流通过电流接收器(3)接收并发送至电流经处理器(4)做信息处理，显示器(5)显示处理器(4)导出的数据，内容包括各深度的矿层的导磁率数据以及可能的矿物种类。
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说 明 书岩土勘测装置及勘测方法
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技术领域
[0001]本发明涉及勘测领域，具体地说是岩土勘测装置及勘测方法。
背景技术
[0002]岩土勘察具有较为重要的作用，无论工程建设，采空区诊断，矿物勘测，地质水文检测等等均需要使用到，现有的岩土勘测方法主要为：工程地质测绘、勘探与取样、原位测试与室内试验、现场检验与监测。勘探工作包括物探、钻探和坑探等各种方法。[0003]现有的岩土勘测方法工作量极大，使用的设备体积重量均较大，且难以在现场获得大体的勘测数据，需要勘测人员具有丰富的专业知识和多年的经验才有可能在现场判断岩土地质情况，一般均要采样回实验室检测，这就造成了需要采集的土样极多，重量重难以搬运且岩土容易破碎难以保存和归类。造成了岩土勘测工作门槛高，工作强度大，环境恶劣等不利因素，难以吸引或留住年轻的人才，造成行业的衰落。发明内容
[0004]为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了岩土勘测装置及勘测方法，该装置和方法利用岩土中各种矿石导磁性的差异自动预判岩土中的矿物分布，特别是在确定目标导磁形矿物的勘测工作中效率极高，该勘测装置结构简单、轻巧，该勘测方法操作简便，使勘测工作相对智能化，操作人员无需带回大量的土样检测。[0005]本发明的技术方案如下：[0006]一种岩土勘测装置，包括最外层中空的钻杆和套设在钻杆内的探测杆；所述探测杆由多段用于探测导磁矿层的感应段和多段导体制成的连接段交替连接成棒体；所述感应段的结构包括位于中心的压电陶瓷芯体和紧箍压电陶瓷杆体的磁致伸缩环体；在压电陶瓷芯体上分别引出导线，导线连接至位于探杆上端的电流接收器；各压电陶瓷芯体产生的电流经处理器做信息处理。[0007]优选的，所述连接段的材质为非磁致伸缩材料的导体，并在外部嵌设箍紧阻尼橡胶。
[0008]可选的一种方案，所述压电陶瓷芯体采用切变型压电陶瓷元件。[0009]可选的另一种方案，所述压电陶瓷芯体的结构使其将外部扭转力转化为直线型形变；所述压电陶瓷芯体包括至少两个上下紧密贴合的柱形或环形压电陶瓷片，两压电陶瓷片一端面紧密贴合，贴合的一端面分别具有波浪形或锯齿形的起伏，两贴合端面的起伏相互契合互补，从而可以将两压电陶瓷片的相对扭转转化为轴向的压力，进而产生轴向的形变。
[0010]其中，勘测装置还包括一显示器；所述显示器显示处理器导出的数据。[0011]优选的，所述钻杆外部具有便于旋转进给的螺纹，整体外形如一自攻螺丝。[0012]优选的，所述钻杆的材质选用具有高强度的马氏体不锈钢或沉淀硬化不锈钢。[0013]一种岩土勘测方法，采用所述的岩土勘测装置，包括以下依序进行的步骤：
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说 明 书
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步骤一：使用设备或通过助力装置人工将钻杆钻入岩土中，从钻杆的中空部位插
入探杆至预定位置；[0015]步骤二：由探杆上端向其通入预设的高强度的直流电流或第一脉冲电流I1，该直流电流或第一脉冲电流I1沿探杆向下；探杆在流过直流电流或第一脉冲电流I1的情况下，其外部会产生环形的第一磁场B1；该第一磁场B1会使岩土中的导磁矿层磁化；[0016]步骤三：待磁化预设的时间t1后，断开直流电流或第一脉冲电流I1，此时探测杆产生的环形磁场消失，探测杆附近被磁化的导磁矿层仍存在第二磁场B2，由于不同的矿层具有不同的导磁率，因此各矿层的第二磁场B2大小并不相同；[0017]步骤四：由探测杆上端向其通入预设的第二脉冲电流I2，该第二脉冲电流I2沿探测杆向下，探测杆外部产生环形的第三磁场B3，第三磁场B3与第二磁场B2产生干涉从而使探测杆周围的磁场发生改变，其变化大小与不同位置的第二磁场B2的强度有关；变化的磁场使得由磁致伸缩材料做成的磁致伸缩环体产生形变，进而带动压电陶瓷芯体也产生形变，根据压电效应，其产生压电电流；[0018]步骤五：该电流通过电流接收器接收并发送至电流经处理器做信息处理，显示器显示处理器导出的数据，内容包括各深度的矿层的导磁率数据以及可能的矿物种类。[0019]本发明具有如下有益效果：[0020]1、该装置和方法利用岩土中各种矿石导磁性的差异自动预判岩土中的矿物分布，特别是在确定目标导磁形矿物的勘测工作中效率极高，该勘测装置结构简单、轻巧，该勘测方法操作简便，使勘测工作相对智能化，操作人员无需带回大量的土样检测。[0021]2、本发明利用了磁致伸缩材料在变化磁场中会产生形变的特点，利用不同矿层导磁性的差异，产生能反应矿层导磁性的磁场变化，该变化的磁场促使磁致伸缩材料发生不同程度的形变，进而带动压电陶瓷发生跟着发生不同程度的形变，产生不同大小的压电电流，该电流可以反映磁场变化，进而反映导磁层，系统通过与预先在相同参数下试验获得的数据比对，即可大体判断矿层的种类；由于相同矿物的成分在一定范围内，差异相比不同矿物较小，因此该判断具有较高的准确性。[0022]3、本发明的探测杆既用来磁化矿层，又用来产生环形磁场与磁化后矿层产生的磁场相交，同时还作为钻杆的结构加强件，以及作为定位不同矿层深度的电子标杆，还利用了杆体的结构特点实现扭转形变，同时发挥多种作用，其巧妙的集成了环环相扣的多种能力，从而有效的实现了本发明的目的，结构简单但集成度极高。[0023]4、本发明不止单纯的利用磁致伸缩材料在变化磁场中的形变，而是结合压电陶瓷，利用压电效应以电流的方式传递和识别矿物种类的信息，可以同时测得多矿层的矿物种类，且数据相互之间不会互相干扰，显著的提高效率和准确性。[0024]5、本发明设置的阻尼橡胶能够有效防止各磁致伸缩环体的形变通过连接段传递而互相干扰。[0025]6、本发明的勘测方法操作简单，可以规范化，从而大大降低了对勘测人员的技能和经验要求，操作省力，速度快，便于大范围推广，特别对于确定目的的寻找导磁矿物的任务有更高的效率和成功率。
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说 明 书
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附图说明
[0026]图1为本发明勘测时的示意图；
[0027]图2为本发明感应段与连接段的局部示意图；[0028]图3为本发明感应段的结构示意图；
[0029]图4为本发明压电陶瓷芯体采用两片压电陶瓷片时的结构示意图。[0030]图中附图标记表示为：[0031]1-钻杆、2-探测杆、21-感应段、211-压电陶瓷芯体、2111-压电陶瓷片、212-磁致伸缩环体、22-连接段、221-阻尼橡胶、3-电流接收器、4-处理器、5-显示器。具体实施方式
[0032]下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。[0033]参见图1至4，一种岩土勘测装置，该勘测装置可用于勘测岩土层的磁导率，进而以此确定岩土中导磁矿层的分布情况，甚至可以大体确定岩土中导磁矿层的种类和厚度；[0034]该勘测装置主体部分为柱形，包括最外层中空的钻杆1和套设在钻杆1内的探测杆2；钻杆1采用便于螺旋旋进的结构，利用外部旋进机器或直接通过手动的方式钻入岩土层中，钻杆1由于本装置无需取土，因此主体直径可以相对细长，可以多段拼接；探测杆2可以内箍在钻杆1中不与钻杆1分离，同时作为钻杆1的结构加强件，与钻杆1一样可以采用多段拼接的结构；也可以采用可分离的结构，钻杆1只是作为钻入岩土层的作用，在钻杆1钻入岩土层后，探测杆2再从钻杆1的中空位置插入。
[0035]探测杆2由多段用于探测导磁矿层的感应段21和多段导体制成的连接段22交替连接成棒体；各感应段21具有相同的长度，感应段21和连接段22的长度没有要求，可以根据需要设计长度，对于钻入较深，无需较高的勘测精度的情况下，连接段22可以设计得较长；若需要较细致的岩土导磁矿层数据，则连接段22可以设计得短些，这样相邻感应段21的间距就会较小，可以更细致的勘测矿层数据。
[0036]感应段21的结构包括位于中心的压电陶瓷芯体211和紧箍压电陶瓷杆体211的磁致伸缩环体212；当磁致伸缩环体212形变时，由于其紧箍压电陶瓷芯体211，所以会带动压电陶瓷芯体211形变，从而产生压电电流，在压电陶瓷芯体211上分别引出导线，导线连接至位于探测杆2上端的电流接收器3；各压电陶瓷芯体211产生的电流经处理器4做信息处理，处理的内容主要为将接收的电流与预存的电流与矿层导磁率的对应数据，以及矿层导磁率与可能的矿物的种类的对应数据做对比，结合各感应段21的位置信息，从而得到，并在显示器5中显示各深度的矿层的导磁率数据以及可能的矿物种类。优选的，所述压电陶瓷芯体211为环形，一方面使压电陶瓷芯体211更容易变形，另一方面是为了利用其中间的孔洞使导线穿过连接至位于钻杆1后端的电流接收器3。
[0037]连接段22的材质为非磁致伸缩材料的导体，并在外部嵌设箍紧阻尼橡胶221，从而使整根探测杆2成为棒状导体，并且各感应段21的形变不会相互产生干扰，可以同时测得不同深度的岩土导磁矿层的数据。[0038]探测过程中，首先使用设备或通过助力装置人工将钻杆1钻入岩土中，从钻杆1的中空部位插入探测杆2至预定位置；
[0039]由探测杆2上端向其通入预设的高强度的直流电流或第一脉冲电流I1，该直流电
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流或第一脉冲电流I1沿探测杆2向下；探测杆2在流过直流电流或第一脉冲电流I1的情况下，其外部会产生环形的第一磁场B1；该第一磁场B1会使岩土中的导磁矿层磁化；待磁化预设的时间t1后，断开直流电流或第一脉冲电流I1，此时探测杆2产生的环形磁场消失，但由于探测杆2附近的导磁矿层已经被磁化，因此此时探测杆2附近的导磁矿层仍存在第二磁场B2，由于不同的矿层具有不同的导磁率，因此各矿层的第二磁场B2大小并不相同；[0040]由探测杆2上端向其通入预设的第二脉冲电流I2，该第二脉冲电流I2沿探测杆2向下，探测杆2外部产生环形的第三磁场B3，第三磁场B3与第二磁场B2产生干涉从而使探测杆2周围的磁场发生改变，其变化大小与不同位置的第二磁场B2的强度有关；变化的磁场使得由磁致伸缩材料做成的磁致伸缩环体212产生形变，进而带动压电陶瓷芯体211也产生形变，根据压电效应，其产生压电电流，该电流通过电流接收器3接收并发送至电流经处理器4做信息处理，从而得到，并在显示器5中显示各深度的矿层的导磁率数据以及可能的矿物种类。
[0041]岩石的磁性主要决定于组成岩石的矿物的磁性，并受成岩后地质作用过程的影响。一般说，橄榄石、辉长石、玄武岩等基性、超基性岩浆岩的磁性最强；变质岩次之；沉积岩最弱。岩浆岩的磁性取决于岩石中铁磁性矿物的含量。结构构造相同的岩石，铁磁性矿物含量愈高，磁化率值愈大。铁磁性侵入岩的天然剩余磁化强度，按酸性、中性、基性、超基性的顺序逐渐变大。铁磁性侵入岩的特点是q值一般小于1。由接触交代作用而形成的岩石，q值可达1～3,甚至更大。沉积岩的磁性主要也是由铁磁性矿物的含量决定的。分布最广的沉积岩造岩矿物，如石英、方解石、长石、石膏等，为反磁性或弱顺磁性矿物。菱铁矿、钛铁矿、黑云母等矿物之纯净者是顺磁性矿物；含铁磁性矿物杂质者具有强顺磁性。沉积岩的磁化率和天然剩余磁化强度值都比较小。变质岩的磁性是由其原始成分和变质过程决定的。原岩为沉积岩的变质岩，磁性一般比较弱；原岩为岩浆岩的变质岩在变质作用相同时，其磁性一般比原岩为沉积岩的变质岩强。大理岩和结晶灰岩为反磁性变质岩。岩石变质后，磁性也发生变化。蛇纹石化的岩石磁性比原岩强；云英岩化、粘土化、绢云母化和绿泥石化的岩石，磁性比原岩减弱。
[0042]由于该种方式磁致伸缩环体212产生的形变主要为扭转形变，因此为了获得更优化的压电电流，因此压电陶瓷芯体211采用切变型压电陶瓷元件，参见图4，或者设计压电陶瓷芯体211的结构使其将外部扭转力转化为直线型形变，从而采用直线型压变陶瓷元件即可实现，该种设计的压电陶瓷芯体211包括至少两个上下紧密贴合的柱形或环形压电陶瓷片2111，两压电陶瓷片2111一端面紧密贴合，贴合的一端面分别具有波浪形或锯齿形的起伏，两贴合端面的起伏相互契合互补，从而可以将两压电陶瓷片2111的相对扭转转化为轴向的压力，进而产生轴向的形变。[0043]优选的，为了使探测杆2产生的磁场磁化外部导磁矿层，钻杆1的材质选用具有高强度的马氏体不锈钢或沉淀硬化不锈钢。其外部具有便于旋转进给的螺纹，整体外形如一自攻螺丝。
[0044]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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