本發明屬于地表塌陷勘測技術領域，具體涉及一種地下空穴的測量方法。

背景技術：

近年來，我國經濟進入飛速發展時期，在鐵路、公路、水利、交通等項目建設取得了很大的進展。但是，地理條件異常復雜多樣，這給我們建設施工方面帶來了壓力和困難，尤其是對于一些地下復雜的不良地質體，比如煤礦采空區、濕陷性黃土塌陷區、巖溶空穴、斷層破碎帶等，嚴重影響施工生產進度，造成不必要的經濟損失，同時，給施工人員的生命安全造成極大的危害。為了減少經濟損失，提高安全生產水平，有必要對這些地下空穴深度和空間大小進行測量，并采取有效措施對這些地下空穴加以填注。

目前，現有技術中地下空穴的測量方法主要有地質鉆探法、地質雷達測量法、靜力觸探法等，然而上述方法存在價格高，儀器使用復雜，維修保養困難等缺點，碰到復雜的地質結構，會存在測量不方便和測量不準確的問題。因此，需要一種價格適中，操作方便，適用范圍廣的地下空穴的測量方法。

技術實現要素：

本發明的任務在于提供一種利用流量流速關系測量地下空穴的方法，該方法操作簡便、適用范圍廣且結果準確可靠。

其技術解決方案包括：

一種測量地下空穴的方法，依次包括以下步驟：

a準備并安裝測量裝置，所述測量裝置包括儲氣罐、空氣壓縮機、雙翼風速表、鉆桿、主管道、第一支路管道和第二支路管道，將所述鉆桿的尾端連接所述雙翼風速表，將所述雙翼風速表的另一端與所述主管道連接，在所述主管道的末端連接有三通閥，所述三通閥分別與所述第一支管路、第二支管路連接，在所述第一支路管道上安設第一截止閥和第一壓力表；所述第二支路管道上依次安設第二截止閥、第二壓力表，將第二支路管道的尾端依次連接空氣壓縮機、儲氣罐；

b根據流量流速關系測量地下空穴的體積，若空穴內氣體近似真空狀態的塌陷區，則按照以下子步驟測量：

b1確保測量裝置的氣密性良好，并記錄所述雙翼風速表的端面面積；

b2將所述鉆桿的頭部插入測試鉆孔內，并用封堵膠囊堵住所述測試鉆孔，關閉第二截止閥，打開第一截止閥，觀察第一壓力表，若第一壓力表的指針發生轉動，則表明測試鉆孔的另一端存在地下空穴，此時立即按下雙翼風速表的開關，觀察計數器，每隔一定時間記錄風速的大小，直到雙翼風速表不再轉動時，再次按下雙翼風速表的開關，并關閉第一截止閥，記錄雙翼風速表自轉動到停止所用的時間；

c若空穴為含有高壓有害氣體的煤礦采空區，則按照以下子步驟測量：

c1確保測量裝置的氣密性良好，并記錄所述雙翼風速表的端面面積；

c2關將所述鉆桿的頭部插入測試鉆孔內，并用封堵膠囊堵住所述測試鉆孔，關閉第一、第二截止閥，并打開排氣閥、空氣壓縮機的反向開關，通過儲氣罐向測試鉆孔內通氣，觀察第二壓力表的指針，待儲氣罐氣體狀態為真空時，關閉排氣閥和空氣壓縮機的反向開關，停止通氣；

c3打開第二截止閥，通過儲氣罐向測試鉆孔內通氣，觀察第二壓力表，若表針轉動說明測試鉆孔的另一側存在地下空穴，立即按下雙翼風速表的開關，觀察計數器，每隔一定的時間記錄風速的大小，觀察第二壓力表，當指針不再變化時，打開空氣壓縮機的正向開關，將地下空穴的氣體抽入儲氣罐內，直到第二壓力表的指針維持在零刻度，儲氣罐停止通氣，關閉空氣壓縮機和第二截止閥，并記錄雙翼風速表自轉動到停止所用的時間；

d計算，步驟b2和步驟c3記錄到的風速大小均假設最低風速為v₁，最高風速為v₂，則按照式(1)取其平均速度

地下空穴的體積V按照式(2)計算

式(2)中，Q表示風流量，S表示雙翼風速表的端面面積，t表示雙翼風速表自轉動到停止所用的時間。

作為本發明的一個優選方案，在所述第二截止閥和第二壓力表之間的第二支路管道上安設有排氣閥。

作為本發明的另一個優選方案，所述雙翼風速表的兩端設置有法蘭盤，通過兩端的法蘭盤分別與鉆桿、主管道連接。

優選的，所述雙翼風速表由左翼和右翼兩部分組成，其中，左、右翼上各有三個葉片。

本發明所帶來的有益技術效果：

在測量裝置方面，本發明采用帶有封堵皮囊的皮導管插入測試鉆孔中，能夠有效地減少漏風量，提高測量的精確度；雙翼風速表通過法蘭盤與其他管路相連，在與三通閥連接的管道上分別設有第一壓力表和第二壓力表，通過觀察壓力表指針是否轉動可以判斷地下空穴存在與否，觀察并記錄雙翼風速表的風速和時間可以計算出地下空穴空間大小。該裝置結構設計合理，適用范圍廣，高效節能，能夠克服現有探測地下空穴儀器所存在探測范圍窄，價格昂貴和使用復雜的缺陷。

本發明測量方法，主要是利用了流量流速關系來對地下空穴的體積進行測量，在測量方法中，通過雙翼風速表、第一壓力表、第二壓力表等部件之間的配合，得到最低風速、最高風速、雙翼風速表自轉動到停止所用的時間等數據，進一步通過計算得到地下空穴的體積，本發明方法不同于現有技術中的測量方法，實例證明該測量方法操作簡單，結果準確可靠。

附圖說明

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

圖1為本發明所采用的測量裝置的結構示意圖；

圖2為雙翼風速表的正視圖；

圖3為雙翼風速表的側視圖；

圖中，1、封堵膠囊，2、鉆桿，3、雙翼風速表，4、法蘭盤，5、三通閥，6、第一截止閥，7、第一壓力表，8、第二截止閥，9、排氣閥，10、第二壓力表，11、空氣壓縮機，12、進氣閥，13、儲氣罐，14、開關，15、回零壓桿，16、計數器。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做詳細說明。

如圖1所示，本發明所采用的裝置，包括封堵膠囊1、鉆桿2、雙翼風速表3、第一壓力表7、第二壓力表10、空氣壓縮機11和儲氣罐13，其中，鉆桿2為空心鉆桿，測量時，鉆桿2的頭部插入測試鉆孔中，尾部連接在雙翼風速表3端部的法蘭盤4上，法蘭盤為螺紋法蘭，即在法蘭的內孔上加工管螺紋；為了保證鉆孔的密封性，在鉆桿與測試鉆孔的插入處用封堵膠囊1進行密封，在雙翼風速表3的兩端均連接法蘭盤4，位于另一端的雙翼風速表的法蘭盤4連接主管道，主管道的末端連接三通閥5，三通閥5的另外兩個接口，一個與第一支路管道連接，另一個與第二支路管道連接，其中，第一支路管道上依次連接有第一截止閥6、第一壓力表7。

第二支路管道上自上而下依次連接第二截止閥8、排氣閥9、第二壓力表10、空氣壓縮機11、進氣閥12和儲氣罐13。

結合圖2和圖3所示，雙翼風速表3，其中所謂的雙翼為左翼和右翼，在左翼和右翼上分別有三個葉片，當風流從雙翼風速表的左端面流入時，左翼上的葉片轉動；當風流從右端面流入時，右翼上的葉片轉動，且葉片能夠隨著風流的流通一直轉動，該雙翼風速表3上設置有開關14、回零壓桿15和計數器16，計算器16位于側面，該計數器能夠統計風流流過的速度及時間。由于地下空穴的面積一般較大，其流出或流入的風速一般為在0.8—25m/s為高速風流，故雙翼風速表軸及葉片采用的材料和CFJ-25高速風表的軸和葉片的材料相似。

本發明采用的空氣壓縮機可以雙向轉動，順時針旋轉時，將氣體壓入儲氣罐內；逆時針旋轉時，將氣體從真空儲氣罐排出。

上述地下空穴測量裝置安裝時，鉆桿2插入測試鉆孔，在雙翼風速表的兩端安裝法蘭盤4，鉆桿2直接與法蘭盤4相連，法蘭盤4連接主管道，在主管道的末端連接三通閥5，在與三通閥5的一個接口連接的第一支路管道上分別安裝第一截止閥6、第一壓力表7；在與三通閥5的另一個接口連接的第二支路管道上分別安裝第二截止閥8、排氣閥9、第二壓力表10，在第二壓力表10的另一端安裝空氣壓縮機11，與空氣壓縮機11另一端相連的管路上分別安裝進氣閥12和儲氣罐13。

地下空穴大致分為兩類，一類是空穴內氣體近似真空狀態的塌陷區，另一類是空穴含有高壓有害氣體的煤礦采空區。

在測量第一類地下空穴時，具體的測量方法為：

1)工作前，首先根據鉆孔的大小選擇合適鉆桿2及封堵膠囊1；估計待測地下空穴的空間大小，選擇合適量程的雙翼風速表3，然后按下回零壓桿15，將雙翼風速表調零并記錄所選雙翼風速表的端面面積，最后檢查各個管道是否漏氣，及時加固管道各部件；

2)工作時，先將鉆桿2伸入測試鉆孔內，用封堵膠囊堵住測試鉆孔，關閉第二截止閥8，然后打開第一截止閥6，觀察第一壓力表7，如果第一壓力表表針轉動說明鉆孔的另一端存在地下空穴，立即按下雙翼風速表3的開關14，觀察計數器16，每隔一定時間記錄風速的大小，直到雙翼風速表不再轉動時，按下雙翼風速表)的開關14，并關閉第一截止閥6，記錄雙翼風速表3自轉動到停止所用的時間。

在測量第二類地下空穴時，具體的測量方法為：

1)工作前，首先根據鉆孔的大小選擇合適鉆桿2及封堵膠囊1；估計待測地下空穴的空間大小，選擇合適量程的雙翼風速表3，按下回零壓桿15將雙翼風速表3調零，并記錄所選雙翼風速表3的端面面積，然后關閉第二截止閥8和第一截止閥6并打開排氣閥9和進氣閥12，打開空氣壓縮機11的反向開關并觀察第二壓力表的指針，待真空儲氣罐氣體狀態為真空時，關閉排氣閥9、進氣閥12和雙向空氣壓縮機11。

2)工作時，先將空心鉆桿2伸入測試鉆孔內，用封堵膠囊堵住測試鉆孔，打開第二截止閥8和進氣閥12，觀察第二壓力表10，若第二壓力表表針轉動說明測試鉆孔的另一側存在地下空穴，立即按下雙翼風速表3的開關14，觀察計數器16，每隔一定的時間記錄風速的大小，觀察第二壓力表10，當表針，當指針不再變化時，打開雙向空氣壓縮機11的正向開關，將地下空穴的氣體抽入空儲氣罐13內，直到指針維持在零刻度范圍內，關閉進氣閥12、空氣壓縮機11和第二截止閥8，最后記錄雙翼風速表3自轉動到停止所用的時間。

無論氣體進入還是排出地下空穴，氣體都是在做變速運動，因此在求風速時，選擇氣體流速的平均熟讀為最大風速和最小風速和的平均值，計算公式如下：

式中，表示平均速度，v₁表示最低速度，v₂表示最高速度，Q表示風流量，S表示風速表的端面面積，t表示風速表轉動的時間，V表示地下空穴的體積

實施例1：在實驗室取一體積為12m³的儲氣罐，抽成近似真空狀態，選取橫截面半徑為12cm的風速表，首先將鉆桿伸入與儲氣罐相連的一段管路內，用封堵膠囊堵住管路，關閉第二截止閥8，然后打開第一截止閥6，觀察第一壓力表7，如果第一壓力表表針轉動說明管路的另一端存在地下空穴，立即按下雙翼風速表3的開關14，觀察計數器16，每隔3s記錄風速的大小，直到雙翼風速表不再轉動時，按下雙翼風速表)的開關14，并關閉第一截止閥6，記錄雙翼風速表3自轉動到停止所用的時間，如表1所示。

表1

由公式計算得：

v_平均＝(23+0)/2＝11.5m/s

V＝(11.5·0.045)·24＝12.4m³

所求體積與儲氣罐體積相似，故此方法可以應用到實際測量中。

需要說明的是，在本說明書的教導下本領域技術人員所做出的任何等同方式，或明顯變型方式均應在本發明的保護范圍內。