1.本发明属于地质勘探技术领域，尤其涉及一种单水平钻孔内地质勘探装置及方法。
背景技术：
2.地质勘探主要包括工程钻探和工程物探。钻探即在地层中钻孔，以鉴别和划分地表下地层，并可以沿孔深取岩心样品的一种勘探方法，可直接获取深层地质信息。但钻探耗时较长，且有“一孔之见”的局限性，仅能反映钻孔内的地质。
3.物探按工作条件分为地面物探和井下物探(测井)，按被探测的物理性质可分为电法、地震、声波、重力、磁法、放射性等方法，主要用于划分地层、区分岩性、确定软弱夹层、裂隙和破碎带位置及厚度、确定含水层的位置、厚度等，探测范围较广。
4.但大部分物探在地表操作，其测量精度易受地表设备铁元素、各种信号等的干扰，难以得到准确测量结果。目前可在水平钻孔内测量的物探仪器主要是石油领域的随钻测井仪器，需配合钻杆、钻具等一起使用，直径较大，不适用于取芯钻探形成的小直径钻孔，且结构复杂，成本较高。此外，现有的无线电波坑透仪也可在钻孔中使用，发射机和接收机分别位于两个地面钻孔内，发射机在一个钻孔内持续发出无线电波，电波经过两个钻孔之间的地质层投射到另一钻孔内被接收机接收，利用能量衰减来推测钻孔件的异常地质。但该方法需要2个钻孔，对于单钻孔条件下，无法实现地质探测功能。
技术实现要素：
5.(一)要解决的技术问题
6.为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种单水平钻孔内地质勘探装置及方法，从而解决了“一孔之见”，并排除地表设备铁元素、各种信号等对测量结果造成干扰的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
9.一方面，本发明提供了一种单水平钻孔内地质勘探装置，包括孔内装置和孔外装置，孔内装置和孔外装置连接，孔外装置用于将孔内装置下放至钻孔内或打捞出钻孔；孔内装置包括第一接收短节、第二接收短节和发射短节，第一接收短节、第二接收短节和发射短节之间通过连接短节呈直线连接；发射短节向周围地层发射无线电波，发射短节发射的无线电波由第一接收短节和第二接收短节的磁感应天线接收并得到场强数据。
10.进一步，孔外装置包括通水器、水龙头和泥浆泵，通水器的输出端放置于钻孔内用于钻孔液流向钻孔，通水器外表面与钻孔之间形成用于返水的环形间隙；水龙头与通水器的输入端连接，泥浆泵与水龙头之间通过管路连通，泥浆泵通过管路将钻孔液供入水龙头和通水器。
11.进一步，通水器通过夹持器与水龙头连接，夹持器能够夹持通水器前后移动。
12.进一步，孔内装置还包括存储短节，场强数据存储于存储短节，发射短节和存储短节之间连接有电池短节。
13.进一步，孔内装置还包括打捞短节，打捞短节与存储短节远离电池短节一端连接；孔外装置还包括鹅头和卷扬机，鹅头设置于水龙头远离通水器的一侧，通水器、水龙头和鹅头设置于支撑架上方，卷扬机设置于支撑架下方，卷扬机用于放出钢丝绳，钢丝绳绕设于鹅头依次从水龙头和通水器中伸出与打捞短节连接。
14.进一步，打捞短节外侧套设有活塞，活塞能够在钻孔液的压力驱动下带动孔内装置向钻孔的内部移动。
15.进一步，第一接收短节和第二接收短节均包括外筒和磁芯线圈，磁芯线圈位于外筒中；磁芯线圈包括接收线圈和磁芯，磁芯位于接收线圈中。
16.进一步，第一接收短节和第二接收短节均包括电路板，电路板包括信号接收电路，信号接收电路与磁芯线圈相连。
17.另一方面，本发明还提供了一种单水平钻孔内地质勘探方法，包括如下步骤：
18.s1：孔外装置将孔内装置下放至钻孔内的测量位置，孔内装置上布置有第一接收短节、第二接收短节和发射短节；
19.s2：发射短节向周围地层发射无线电波，第一接收短节和第二接收短节对无线电波进行接收；
20.s3：孔外装置打捞出孔内装置，并对孔内装置接收到的场强数据进行处理，当无反射无线电波达到第一接收短节和第二接收短节时，说明发射的无线电波未遇到地质异常区；当无线电波反射到第一接收短节和第二接收短节时，说明无线电波遇到地质异常区，通过对接收的实际场强和理论场强进行对比和计算，得出是否存在地质异常区，以及地质异常区的位置和范围。
21.进一步，s1中通过控制孔内装置的下放速度，使下放过程采用先匀加速再匀减速的运动状态，使孔内装置平稳到达测量位置。
22.(三)有益效果
23.本发明的有益效果是：
24.本发明提供的一种单水平钻孔内地质勘探装置及方法，将孔内装置下放到利用取芯钻探形成的单个的小直径钻孔内。孔内装置采用“一发双收”的工作方式得到基于无线电波反射的测量结果，其中的第一接收短节和第二接收短节互相验证，从而提高测量精度。
25.同时，由于孔内装置在钻孔内部，可排除地表设备铁元素、信号等干扰，得到较准确的磁场强度，快速、低成本地找出断层、溶洞、裂隙带、富水区等的位置和范围。本发明结构简单，操作简便，成本较低，且能够实现大范围的地质勘探。
附图说明
26.图1为单水平钻孔内地质勘探装置的结构示意图；
27.图2为第一接收短节和第二接收短节的结构示意图。
28.【附图标记说明】
29.1：孔内装置；11：第一接收短节；12：第二接收短节；13：发射短节；14：存储短节；15：连接短节；16：电池短节；17：打捞短节；18：活塞；101：外筒；102：磁芯线圈；1021：接收线
圈；1022：磁芯；103：电路板；
30.2：孔外装置；21：通水器；22：水龙头；23：鹅头；24：卷扬机；25：支撑架；26：钢丝绳；27：泥浆泵；28：管路；29：夹持器；
31.3：钻孔；4：地质异常体。
具体实施方式
32.为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
33.如图1-2所示，本发明提供一种单水平钻孔内地质勘探装置及方法，其中，如图1所示，单水平钻孔内地质勘探装置包括孔内装置1和孔外装置2，孔内装置1采用“一发双收”的工作方式用于得到基于无线电波反射的测量结果即场强数据。孔内装置1和孔外装置2连接，孔外装置2用于将孔内装置1下放至钻孔3内或打捞出钻孔3。
34.具体地，如图1所示，孔内装置1适用于取芯钻探形成的小直径钻孔。包括第一接收短节11、第二接收短节12、发射短节13、存储短节14和打捞短节17。第一接收短节11、第二接收短节12和发射短节13之间通过连接短节15呈直线连接，其中的连接短节15用于控制发射短节13与第一接收短节11和第二接收短节12的间距。优选地，第一接收短节11、第二接收短节12和发射短节13沿钻孔3轴向依次连接，此时，第一接收短节11外侧也连接有连接短节15，此处的连接短节15用于防止第一接收短节11直接接触钻孔3孔壁。
35.需要说明的是，“短节”为本领域的专有名词。
36.发射短节13向周围地层发射无线电波由第一接收短节11和第二接收短节12的磁感应天线接收得到场强数据，接收信号经过接收控制部分处理，存储在存储短节14中。工作时，测量开始时间和测量时间间隔可预先设置好，设置好后，发射短节13每隔固定时间发射一次无线电波，第一接收短节11和第二接收短节12可以进行互相验证，得到更准确的测量结果。
37.测量原理：无线电波通过钻孔3空腔及钻孔液传播的无线电波直达能量为理论场强数值，由于发射短节13与第一接收短节11和第二接收短节12的距离、钻孔3空腔大小、钻孔液成分等是固定且已知的，所以理论场强已知。如果未遇到地质异常区，第一接收短节11和第二接收短节12接收到的实际场强数值就为无线电波通过钻孔3空腔及钻孔液传播的无线电波直达能量，此时，第一接收短节11和第二接收短节12接收到的实际场强数值等于理论场强数值。若遇到地质异常区，第一接收短节11和第二接收短节12接收到的实际场强数值不仅包括无线电波通过钻孔3空腔及钻孔液传播的无线电波直达能量，还包括经过异常地质反射的无线电波能量，此时，第一接收短节11和第二接收短节12得到的实际场强不等于理论场强。
38.第一接收短节11和第二接收短节12得到的场强数值存储于存储短节14，并通过理论计算得出地质异常区的位置和范围。以第一接收短节11为接收点为例，具体过程为：
[0039]ⅰ、设定发射短节13与第一接收短节11的距离为l，发射短节13发出的无线电波场强值为a，第一接收短节11处的实测场强值为b，无线电波在地质层内传播的能量衰减系数
为β1，地质异常区距离钻孔3的水平距离值为未知量x
p
，地质异常区距离地面的深度为未知量d
p
；
[0040]ⅱ、若发射的无线电波在钻孔3周围未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达第一接收短节11，无线电波在钻孔3空腔及钻孔液传播的能量衰减系数为β2；由于l、a、d、β1和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值b0为：若该接收点的实测场强值b＝b0，则说明第一接收短节11接收的反射无线电波未遇到地质异常区，若实测场强值b≠b0，则说明第一接收短节11接收的反射无线电波遇到地质异常区，对第一接收短节11的实测场强值b进入步骤ⅲ进行处理；
[0041]ⅲ、当无线电波在钻孔3周围遇到地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值b
p
的表达式：其中，为地质异常区反射的无线电波传播路径长度，θ
p
为与地质异常区反射的无线电波与第一接收短节11朝向之间的夹角
[0042][0043]ⅳ、为了求取步骤ⅲ中的x
p
值，因此构建深度扫描谱s(x
p
,|b-b
p
|)，b为第一接收短节11的实测场强值，具体过程为：
[0044]
a、设定x
p
的扫描间隔距离为δd，m为扫描次数，有0≤x
p
＝mδd，并设定m值；由于x
p
的最大值受发射源能量，接收器灵敏度，地层吸收系数和背景噪声等多个因素影响。因此，需根据具体的测试环境，进行标定；
[0045]
b、当m＝1时，x
p
＝δd；根据能得出此时的b
p
值，进而能求出对应的|b-b
p
|m＝1；
[0046]
c、再选择m＝2时，并重复步骤b，能求出|b-b
p
|m＝2；如此重复直至达到步骤a设定的m值，从而得出整个深度扫描谱s(d
p
,|b-b
p
|)，在扫描谱中选择|b-b
p
|的最小值对应的x
p
，进而根据第一接收短节11所处的深度，能得出地质异常区的深度d
p
，进而确定第一接收短节11对应的地质异常区空间位置(d
p
，x
p
)；
[0047]
ⅴ
、再将孔内装置1位于不同的测量位置，并进入步骤ⅰ，对各个测量位置进行测量，将各个测量位置对应的地质异常区空间位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处位置及范围。
[0048]
其中，发射短节13和存储短节14之间连接有电池短节16，电池短节16用于给孔内装置1供电。
[0049]
具体地，如图2所示，第一接收短节11和第二接收短节12均包括外筒101、磁芯线圈102和电路板103，磁芯线圈102位于外筒101中，磁芯线圈102包括接收线圈1021和磁芯1022，磁芯1022位于接收线圈1021中，电路板103包括信号接收电路、信号接收电路、放大电路、滤波电路等，接收线圈1021与信号接收电路相连。其中，磁芯线圈102的面积由接收线圈1021的面积和磁芯1022材料的磁导率决定，对提高第一接收短节11和第二接收短节12的接收的灵敏度有直接影响，所以可以通过控制磁芯线圈102的面积来实现精细测量。
[0050]
另外，如图1所示，存储短节14远离电池短节16一端连接有打捞短节17。打捞短节17外侧套设有活塞18，活塞18表面由耐磨材料支撑，用于在钻孔液的压力驱动下带动孔内装置1向钻孔3的内部移动。
[0051]
如图1所示，孔外装置2包括通水器21、水龙头22、泥浆泵27、鹅头23和卷扬机24，通水器21的输出端放置于钻孔3内用于钻孔液流向钻孔3，通水器21外表面与钻孔3之间形成用于返水的环形间隙。水龙头22与通水器21的输入端连接，泥浆泵27与水龙头22之间通过管路28连通，泥浆泵27通过管路28将钻孔液供入水龙头22和通水器21。其中，泥浆泵27的出口流量可通过电气程序控制大小。
[0052]
特别地，通水器21通过夹持器29与水龙头22连接，夹持器29能够夹持通水器21前后移动使通水器21在工作时伸入钻孔3内，在非工作时缩回钻孔3外。
[0053]
鹅头23和卷扬机24控制钢丝绳26的伸缩。鹅头23设置于水龙头22远离通水器21的一侧，通水器21、水龙头22和鹅头23设置于支撑架25上方，卷扬机24设置于支撑架25下方，卷扬机24放出钢丝绳26，钢丝绳26绕设于鹅头23依次从水龙头22和通水器21中伸出与打捞短节17连接。工作时，通过控制钢丝绳26的下放/打捞长度来控制孔内装置1的测量位置，通过控制泥浆泵27的出口流量来控制孔内装置1的下放速度。
[0054]
下放过程：根据拟进行钻孔3内测量的位置，设置卷扬机24的最大转动时间，控制钢丝绳26的长度能够使孔内装置1到达测量位置。将孔内装置1对准钻孔3，打开泥浆泵27，采用水压下放的方式将孔内装置1下放到测量位置。在下放过程中，为减小对孔内装置1的损坏，整个下放过程采用先匀加速再匀减速的运动过程，使孔内装置1平稳到达测量位置。根据下放距离，控制泥浆泵27的出口流量(根据液体连续性方程速度v＝流量q/面积a)来控制孔内装置1的下放速度。孔内装置1到达指定位置后，关闭泥浆泵27，静止一段时间，得到测量结果。如需达到下个测量点，可重复以上过程。
[0055]
打捞过程：根据目前钢丝绳26的长度，设定卷扬机24的最大转动时间。在打捞过程中，为减小对孔内装置1的损坏，尽量降低控制卷扬机24转动的电机转速以控制孔内装置1的打捞速度，整个打捞过程采用先匀加速再匀减速的运动过程，使孔内装置1最终平稳到达钻孔3孔口。
[0056]
其中，单水平钻孔内地质勘探方法，包括如下步骤：
[0057]
s1：孔外装置2将孔内装置1下放至钻孔3内的测量位置，孔内装置1上布置有第一接收短节11、第二接收短节12和发射短节13；
[0058]
s2：测量过程：发射短节13向周围地层发射无线电波，第一接收短节11和第二接收短节12对无线电波进行接收；
[0059]
s3：孔外装置2打捞出孔内装置1，并对孔内装置1接收到的场强数据进行处理，当无反射无线电波达到第一接收短节11和第二接收短节12时，说明发射的无线电波未遇到地
质异常区；当无线电波反射到第一接收短节11和第二接收短节12时，说明无线电波遇到地质异常区，通过对接收的实际场强和理论场强进行对比和计算，得出是否存在地质异常区，以及地质异常区的位置和范围。
[0060]
其中，s1中通过控制孔内装置1的下放速度，使下放过程采用先匀加速再匀减速的运动状态，使孔内装置1平稳到达测量位置。孔内装置1若需达到下个测量点，则重复s1-s2，不需要再测时，进行打捞。
[0061]
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0062]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。