一种勘探孔深实时探测装置及钻探装置的制作方法

1.本实用新型涉及工程勘察钻探过程的信息化、智能化技术领域，特别是涉及一种勘探孔深实时探测装置及钻探装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
3.现有技术中对勘探孔深的探测主要有以下两类方案，一类为人工计算方法，此类方法依赖于现场的人工计算，测量手段简陋、测量误差大，作为现场一大要素的钻探班报表是完整记录钻进过程，目前由人工记录，不能实时获取；数据的准确性完全依赖于工人的技术经验和责任心，过程可控度差；另一类利用煤矿本安型孔深测量仪，此类方案需要专用磁性钻杆、探头等，且钻杆与探头在底部易损，改动大，造价高，是工勘钻机几倍，不具普及性；且需在钻杆中穿设连接探头的电缆，钻探过程每回次都需要对电线进行梳理和调整，施工非常不便，不适合工勘的回次取芯钻探；
4.发明人发现，现有的孔深测量方法无法实时精确获取勘探孔深，不能记录钻探工作全过程，如配杆、原位测试、取样等数据；也无法自动生成钻探记录表(班报表)。


技术实现要素：

5.本实用新型为了解决上述问题，提出了一种勘探孔深实时探测装置及钻探装置，实现勘探钻机的孔深实时测量，并可通过显示屏和数据传输，供相关人员查看，让工人对作业情况有着实时把握，让管理人员对整个工程进度有所掌握。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种勘探孔深实时探测装置，包括余尺测量装置、钻具信息录入装置及主控器，所述余尺测量装置和钻具信息录入装置与所述主控器连接；
8.所述余尺测量装置，包括分离式超声测距模块和短边测距模块；所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声接收单元以及固定于支架上的超声发射单元；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声发射单元固定为一体；
9.所述钻具信息录入装置，包括射频读写器及射频标签，所述射频标签固定于钻杆接箍内侧，所述射频读写器固定于钻探机架的脚架位置。
10.进一步的，所述超声接收单元安装在主动钻杆顶端高压水龙下部的非旋转部位，所述超声接收单元上设置有用于实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪。
11.进一步的，所述超声发射单元固定于支架上，所述支架包括三角架、可调高度柱以及活动悬臂，所述超声发射单元固定于所述活动悬臂上，所述支架独立于钻机；所述活动悬臂固定于可调高度固定杆上。
12.进一步的，通过调整所述可调高度固定杆，所述超声接收单元可进行高度调整。
13.进一步的，所述射频读写器连接有多个发射天线和多个接收天线，其中所述发射天线居中，所述接收天线分列于所述发射天线上下。
14.进一步的，所述主控器连接有存储单元，所述存储单元包括sd卡和eeprom。
15.进一步的，所述探测装置还包括供电模块，所述供电模块采用四模双电模式。
16.进一步的，所述双电包括内置锂电池和外接电源。
17.进一步的，所述四模双电模式供电方式包括野外太阳能供电、内置锂电充电替换供电、usb连正常电源供电、紧急状态下的干电池组供电四种模式。
18.一种钻探装置，所述钻探装置包括上述的一种勘探孔深实时探测装置。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
20.(1)本实用新型所述方案通过钻机机上余尺实时测量装置和钻具信息录入装置，应用超声波测距及物联网等技术实现了一种钻探孔深实时测量及过程记录的装置和方法；所述方案实现勘探钻机的孔深实时测量，并可通过显示屏和数据传输，供相关人员查看，让工人对作业情况有着实时把握，让管理人员对整个工程进度有所掌握；所述方案实现钻探记录表(原始班报表)的全自动生成；
21.(2)本实用新型所述方案对勘察钻探纯钻进时间进尺全过程跟踪量化，得到纯钻进进尺时间曲线，可反应岩土层的软硬强度及夹层情况，对地层自动划分、地质编录提供依据；建立勘探钻机孔深、压力及转速的实时关系，并传输至云端服务器，为进一步数据挖掘提供可能。
附图说明
22.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
23.图1为本公开实施例一中所述的功能实现结构图；
24.图2为本公开实施例一中所述的测距模块示意图；
25.图3为本公开实施例一中所述的钻孔深度数据显示界面示意图；
26.图4为本公开实施例一中所述的测量原理图。
具体实施方式：
27.下面结合附图与具体实施例对本实用新型做进一步的说明。
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.实施例一：
31.本实施例的目的是提供一种勘探孔深实时探测装置。
32.一种勘探孔深实时探测装置，包括余尺测量装置、钻具信息录入装置及主控器，所
述余尺测量装置和钻具信息录入装置与所述主控器连接；
33.所述余尺测量装置，包括分离式超声测距模块和短边测距模块；所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声接收单元以及固定于支架上的超声发射单元；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声发射单元固定为一体；
34.所述钻具信息录入装置，包括射频读写器及射频标签，所述射频标签固定于钻杆接箍内侧，所述射频读写器固定于钻探机架的脚架位置。
35.其中，所述超声接收单元安装在主动钻杆顶端高压水龙下部的非旋转部位，所述超声接收单元上设置有用于实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪。
36.所述超声发射单元固定于支架上，所述支架包括三角架、可调高度柱以及活动悬臂，所述超声发射单元固定于所述活动悬臂上，所述支架独立于钻机；所述活动悬臂固定于可调高度固定杆上；通过调整所述可调高度固定杆，所述超声接收单元可进行高度调整。
37.进一步的，所述射频读写器连接有多个发射天线和多个接收天线，其中所述发射天线居中，所述接收天线分列于所述发射天线上下。
38.进一步的，所述主控器连接有存储单元，所述存储单元包括sd卡和eeprom；所述存储单元用于大容量保存原数据及处理后的数据，在连接到移动终端时，完成对接积数据传输，同时在所述探测装置系统崩溃或突然断电的情况，有效保证系统重启后可继续运行。
39.进一步的，所述探测装置还包括供电模块，所述供电模块为四模双电模式，所述双电即内置锂电池及外接电源，支持电源热插拔；所述四模即供电方式包括野外太阳能供电、内置锂电充电替换供电、usb连正常电源供电、紧急状态下的干电池组供电四种模式。
40.如图1所示展示了本技术所述方案的功能结构示意图，结合图1，此处对本实施例中的所述勘探孔深实时探测装置的结构及功能进行详细说明：
41.所述主控器采用arm处理器，所述arm处理器利用自带的运算功能实现对数据的处理，包括对机上余尺采集数据采用滤波算法，数据有效性判断以及计算正确测量结果；所述数据有效性判断用于排出非取样过程，防止其录入取样过程中；对采集钻具录入数据与机上余尺数据同步并计算；其能实现在判断出非取样过程时，启动睡眠模式，关闭对数据的大部分处理过程，只保留对是否取样判断；其能够利用自带看门狗，在程序崩溃时，实现软件复位；
42.所述滤波算法主要包括消抖滤波算法和滑动平均滤波法；消抖滤波算法用来消除噪声极点，去除跳动大的噪点数据。滑动平均滤波法用于防止连续时间内数据的震荡，让数据趋于平滑；
43.所述主控器还连接有显示模块，所述显示模块实时显示勘探深度、采用功耗低、亮度高的段码液晶，液晶显示实时刷新显示数据；勘探孔信息交互模块
44.所述主控器与所述钻探深度实时测量模块采用无线通信模块进行数据交互，所述钻探深度实时测量模块所测量数据通过所述勘探孔信息交互模块，利用2.4g 无线通信的方式向控制主机发送数据；所述2.4g无线通信是世界通用ism频段，免许可使用；
45.所述主控器连接有gprs模块，通过所述gprs模块和云服务器软件构成通信通道，gprs模块和云服务器进行数据的通信，通过云服务器和gprs模块间的加密的通信方式进行数据转换；
46.所述主控器还连接有gps模块，在系统启动时进行地理定位，将地位的经纬度传输给云服务器作为设备物理地址的标识，对钻孔所在位置做定位记录
47.通过实时时钟作为系统的工作时间，钻探深度的时间标度。钻探纯钻进时间指钻头在孔底对新地层钻探的时间，通过全过程记录，可以得到准确的纯钻机时间和相应进尺，从而得到纯钻进进尺时间曲线，可反应岩土层的软硬强度及夹层情况，对地层自动划分、地质编录提供依据。
48.所述主控器为整个系统的核心部分，是整个系统的数据分析处理、算法实现、逻辑控制。实时接收测距传感器传送的数据并把数据按照一定的格式个数据传输到云服务器，当和云服务器通信异常时暂存在控制主机本地的存储单元，当和云服务器通信正常时把数据再传输到云服务器。
49.所述显示模块(含警示灯)主要通过显示屏显示实时余尺距离，对数据错误或操作错误时做示警，并可在显示屏显示错误代码。
50.所述钻具信息录入模块能够让工人输入关于设备信息、钻孔基本信息以及现场钻具应用、现场测试、特殊情况等，与钻机上余测距数据进行匹配，完成系统性的统计工作。
51.所述钻具信息录入模块主要包括三种录入模式：键盘录入、语音录入、射频录入，其中键盘录入为基本录入方式，语音或射频录入为可选录入方式，可减少键盘手动操作带来的不便。
52.其中，所述键盘录入主要指可插拔专用键盘，键盘采用采用防水防尘结构，可输入数字0
‑
9，必要的字母；键盘可与控制主机连接；通过键盘和向系统编录已钻的杆号、系统设置的输入；方便钻具及现场数据录入，是录入的基本方式，也是录入模块必带设备；语音录入主要指主动降噪耳机及耳麦、语音识别系统等；射频录入主要指利用射频读写器和射频标签。
53.最后，通过所述主控器，计算正确测量结果通过钻具录入模块的钻具应用、机高及机上余尺实时测距数据的计算，实现孔深的实时计算：
54.孔深＝钻具总长(钻杆 岩芯管<含钻头> 主动钻杆)
‑
机高
‑
机上余尺；
55.获得的勘探孔深数据通过外扩存储器进行存储，所述外扩存储器包括sd卡模块和eeprom；其能够大容量保存原数据及处理后的数据，在连接到移动终端时，完成对接及数据传输；其能够在装置系统发生崩溃时(包括突然没电)，保留数据，等系统重启后，可以接着工作；也可以让工作人员插拔sd卡的方式把数据直接读取；
56.所述云端服务器将采集数据导出多种专业数据交换格式，分别形成各类相应表格，并支持excel和csv格式编辑。
57.进一步的，如图4所示为本技术所述方案的测量原理图，为了便于理解，此处结合图4对所述钻机机上余尺实时测量装置的结构及工作方式进行详细说明：
58.所述钻机机上余尺实时测量装置，包括分离式超声测距模块和短边测距模块；所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声接收单元以及固定于支架上的超声发射单元；所述短边测距模块用于测量所述超声发射单元与钻机立轴之间的垂直距离；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声发射单元固定为一体。
59.所述超声发射单元安装在主动钻杆顶端高压水龙下部的非旋转部位，所述超声发
射单元上设置有用于实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪。
60.所述超声接收单元固定于支架上，所述支架包括三角架、可调高度柱以及活动悬臂，所述超声接收单元固定于所述活动悬臂上，所述支架独立于钻机；所述活动悬臂固定于可调高度固定杆上，通过调整所述可调高度固定杆，所述超声接收单元可进行高度调整。
61.所述超声测距模块连接有数据采集模块，所述数据采集模块用于接收所述超声测距模块获取的数据；所述数据采集模块与数据处理控制模块连接，所述数据处理控制模块用于对获取的数据进行分析处理；所述数据处理控制模块将分析处理后的数据信息通过数据传输模块输入到数据存储模块进行存储。
62.所述数据处理控制根据勾股定理，根据实时测距的斜边c和固定短边距离x，计算获取所述超声接收单元到所述钻杆顶端的垂直距离，即为机上余尺；结合钻杆总长、所述超声接收装置距地面的高度，则能实时获取钻探孔深；
63.机上余尺＝(斜边c^2
‑
短边x^2)^(1/2)。
64.所述超声接收单元到所述钻杆顶端的垂直距离即为超声接收装置上余尺寸，通过建立超声接收装置上余尺寸的采集装置，利用“孔深＝总杆长
‑
超声接收装置高度
‑
超声接收装置上余尺寸”这一原理，能够实时获取钻探孔深，打破了传统的直接探测孔深的固有思路，实现实时测量，且可完整记录钻探过程；超声测距装置均与钻机相互独立，避免钻机在钻进过程中因为震动对测量装置产生的影响，确保测距准确和设备稳定；此外，此套装置作为辅助装置，可以结合现有钻机共同使用，与数字化钻机相比，造价很低，节约成本。
65.在所述超声接收单元的安装位置还设置有用于测量所述超声接收装置至钻机立轴之间垂直距离的收发一体式超声测距模块；所述超声发射单元上设有用以实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪；使用收发一体式超声测距装置测量超声接收装置至钻机立轴之间垂直距离，并直接将所测数据传输至所述数据处理控制模块，便于数据处理控制模块直接利用勾股定理，获得超声接收装置上余尺寸；使用收发一体式超声测距装置测量距离精度较高。
66.所述数据采集模块包括：用于从外部移动设备调取既有数据至所述数据处理控制模块的数据导入模块；通过键盘和条形码扫描中的一种或多种组合方式获取相关数据的数据录入模块；通过与所述超声测距装置连接获取相关测距数据的自动采集模块。
67.所述超声发射单元安装在钻机立轴上方高压水龙下部的非旋转部位，其发射频率可调；将超声发射单元安装在高压水龙下部的非旋转部位，可以保证超声发射装置的稳定，提高测量精度。
68.所述支架的下部为三脚架，所述三脚架上方连接伸缩支架，所述伸缩支架的上端连接用于放置超声接收装置的活动悬臂；所述支架独立于钻机之外，避免因为钻机震动对超声接收造成影响；利用伸缩支架可以方便的调节固定支架的高度；伸缩支架上端连接活动悬臂，便于收放，携带方便。
69.所述数据处理分析模块对测距数据进行过滤，并判断所述测距数据的变化幅度，当所述变化幅度大于设定值时，所述实时测量装置转为省电模式；所述数据处理分析模块采用消抖滤波算法消除噪声极点，去除跳动大的噪点数据；采用滑动平均滤波法防止连续时间内数据的震荡，让测距数据趋于平滑；当测距数据变化幅度突然增大时，说明本回次钻探完毕；测距过程也相应终端，此时实时测量装置进入省电模式，一是节约能源，此外也利
于对测距数据的分析处理。
70.所述数据处理控制模块对测距数据进行分析，利用内设的同步时钟，绘制钻孔深度与钻进时间的曲线，得到地层岩性发生突变的精确深度位置，并获取钻机的有效工作时长；工程钻机在钻进取芯时，当遇到岩石非常破碎的情况时，提取出来的岩芯不连续，非常松散破碎，而且可能夹杂着卵石，对于这种情况，无法判断卵石的具体位置，也无法判断地层岩性发生突变的精确深度。利用钻孔深度与钻进时间曲线中，根据曲线的斜率，可以得出钻机钻进的速度，钻机的钻进速度对应着地层的软硬程度。当曲线的斜率变化不大时，说明钻机钻进速度大致相同，即相应部分的地层情况大致相同。当曲线出现突变时，其相应深度即为地层岩性发生突变的精确深度。
71.所述数据传输模块为无线通讯模块和有线通讯模块，所述无线通讯模块包括 gprs数据传输模块和/或蓝牙模块单元；所述有线通讯模块包括usb接口；通过有线或无线方式将储存数据进行传输，可以方便的实现数据的传递和共享。
72.进一步的，为了便于对所述钻具信息录入单元的理解，此处进行详细说明：
73.所述钻具信息录入单元的录入模式包括键盘录入、语音录入和射频录入；所述射频录入模式，包括射频读写器及射频标签，所述射频标签固定于钻杆接箍内侧，所述射频读写器固定于钻探机架的脚架位置，其高度高于钻探孔；
74.本实施例中的钻杆信息的录入采用射频录入模式，具体的，所述钻杆信息录入装置，包括钻杆、射频标签以及射频读写器，所述钻杆的接手位置的圆杆截面处设置有钻孔，所述射频标签内嵌入所述钻孔中；所述射频读写器为双射双收模式，其中发射天线居中，接收天线位于所述发射天线上下。
75.进一步的，为适应勘探作业，选取能够承受持续高温和高压、磨损腐蚀等恶劣环境，所述射频标签的外部结构采用金属螺纹标签，结合所述钻孔，所述金属螺纹标签可以被快速嵌入到钻杆，稍内嵌确保不易磨损；同时，为适应钻探操作的具体情况，所述射频标签内部结构采用无源标签，其不需要带有任何形式的电源，在外部特定频率磁场的作用下，产生感应电流，从而获得能量，自动发送出带有钻杆信息的射频信号，避免了有源标签需要定期更换电源的问题；
76.所述射频读写器固定于钻探机架的脚架位置，其高度高于所述钻孔位置；所述双摄双收模式包括第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线以及第二接收天线，其用于对射频标签在发射天线上下范围内出现的先后时间进行逻辑判断，确定钻探过程的加杆、减杆动作，连接并自动录入钻探记录仪系统；所述第一发射天线与第二发射天线居中，所述第一接收天线与第二接收天线分列于所述发射天线上下；所述第一接收天线与第一发射天线之间、所述第一发射天线与第二发射天线之间以及所述第二发射天线与第二接收天线之间均设置有隔离材料，本实施例中采用的隔离材料为铝合金材料，其有效的防止了发射信号与接收信号间的干扰；
77.所述钻杆信息录入的基本策略具体如下：
78.射频读写器固定在钻探机架旁的脚架处，高度略高于所述钻孔孔口，设置为双射双收模式，将设定数据的无线电载波信号同时经过发射天线向外发射，当射频标签进入发射天线的工作区时(钻杆安装到位)，射频标签被激活后即将自身存储的信息代码经天线发射出去；系统的接收天线接收到射频标签发出的载波信号，经天线的调制器传给读写器；读
写器对接到的信号进行解调、解码，送现场控制器处理、存储；发射天线居中，接收天线分列其上下，中间均设置隔离材料；通过对射频标签在上下范围内出现的先后时间进行逻辑判断，能够有效确定钻探过程的加杆、减杆动作，连接并自动录入钻探记录仪系统。
79.进一步的，结合附图4对所述勘探孔深实时探测装置的工作原理及流程进行详细说明：
80.(1)数据采集(勘探孔深相关数据采集以及对钻机压力及转速的数据采集)，具体的，通过所述钻探深度实时测量模块实时测量机上余尺数据以及现场钻具信息，通过所述勘探孔信息交互模块，将勘探相关数据传输到所述主控器，所述主控器利用接收到的数据进行处理，获得实时的勘探孔深；所述孔深的具体计算公式为：
81.孔深＝钻具总长(钻杆 岩芯管<含钻头> 主动钻杆)
‑
(机高 机上余尺)。
82.(2)数据处理
83.将采集到的信号传输至所述主控器，所述主控器对原始信号进行处理，将原始信号转换成距离信息；把得到的距离信息进行有效性判断，判断是否是取样过程中的值，设为一次结果；是，则往sd卡里存储；否，则丢弃；将得到的一次结果的值进行滤波处理，使数据趋于平滑稳定，设为二次结果；将二次结果的值换算成最终结果(如孔深)；将最终结果输出至显示屏上，并同时往移动终端设备传输；
84.按回次记录并同步时间、孔深、压力、转速数据以及其他钻探数据，并传输至云端服务器以及现场其他蓝牙采集模块，如现场编录仪等。
85.通过对钻探全过程记录数据的分析处理，自动生成钻探记录表(班报表)。
86.实施例二：
87.本实施例的目的是提供一种钻探装置。
88.一种钻探装置，所述钻探装置包括上述的一种勘探孔深实时探测装置。
89.上述实施例提供的一种勘探孔深实时探测装置和钻探装置完全可以实现，具有广阔应用前景。
90.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
91.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。