CN102176059A - 隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备。其结构为：它包括发射机、接收机。发射机由发射单片机系统、二激发电流、多频信号波形合成、功率驱动、桥式双频逆变器、恒流逆变振荡器和过压过流保护等模块组成；接收机由接收单片机系统、输入保护、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理、差分输入放大和工控机等模块组成，其中工控机完成对硬件电路的操控和时域、频域信号的处理。利用本发明，可以完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率等参数的测量；实现了一机多能，节约了仪器成本，有效降低野外工作强度，可实现岩石完整性的探测，尤其可解决含水体的三维定位与水量的预测的难题。

Description

隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备

技术领域

本发明涉及一种隧洞或者坑道中基于激发极化法的超前地质预报系统，具体地说是一种隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备。

背景技术

隧道工程地质灾害是制约隧道施工的关键因素，往往由于隧道开挖前方地质情况不明，经常出现无法预料的地质灾害，如突水、突泥、坍塌等，为隧道施工带来了严重的安全问题和重大的经济损失。在井下进行煤矿开采过程中，也经常会遇到巷道突水等地质灾害，造成矿区水源枯竭、水与生态环境遭到破坏。所以隧道或坑道突水、透水事故给施工生产带来了重大灾难和经济损失，已经成为制约隧道或坑道等地下工程建设的瓶颈问题。隧道或坑道突、涌水源头(含水体)的超前探测是一直以来备受关注而未能解决的重大科技工程难题，尤其在含水体三维定位与水量预测方面缺乏行之有效的技术与装备。因此，研制隧道或坑道掘进面前方含水体超前探测系统与装备具有重要的意义和价值。

激发极化法作为一种重要的电磁勘探方法，通过接收和分析各种异常体的激发极化效应来达到探测目的，以其独特的优点(经济、无损、快速、信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。它具有对水体反映灵敏的特点，在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对水体的定位与水量预测具有明显的效果。

时间域激发极化法探水主要是利用地下水激发极化效应。其原理是向地下供入大小两种电流，将大电流作用下的二次场半衰时减去小电流作用下的二次场半衰时得到的差值即为半衰时之差，山东大学李术才、刘斌等研究发现在隧道或坑道中，半衰时之差与水量成线性正相关关系，提出了基于二电流激发极化半衰时之差法的含水体水量预测方法，这便是时域激发极化法用于水量预测的基础，同时他们提出了利用激发极化观测参数中的视电阻率数据反演进行含水体三维成像与定位的方法，他们的研究成果是本发明中时域激发极化模块的理论基础。由于二电流激发极化半衰时之差法需要解决大电流恒流脉动供电的技术难题，目前尚没有能够满足二电流激发极化半衰时之差法的时域激发极化仪器，也就是说目前缺乏用于隧道或坑道内含水体水量预测的激发极化仪器。

频域激发极化法主要研究激电参数与频率之间的关系，基于地下岩、矿石之间的激发极化效应的差异，在人工电场的作用下，观测和研究激发极化电场已达到找矿或解决其他地质问题的目的。目前普遍采用的是何继善发明的双频激电法及其仪器，其原理是在地面同时供入地下两个高低不同频率的电流，同时接收经过地质体响应的高频和低频对应的电位差，通过计算视频散率判断地质体的情况。但目前频域激发极化设备主要集中在地面勘探领域，用于隧道或坑道内的频域激发极化仪器较少。

从隧道或坑道超前地质预报的需要来看，时间域激发极化法和频率域激发极化法都是行之有效的探测手段。一方面，频域激电具有数据采集速度快、解释方便等优点，可以作为含水体异常普查方法；另一方面，二电流激发极化半衰时之差法具有三维定位和涌水量预测的重要功能，但耗时较长，可作为重点段落的预报方法。当使用频域激电法发现掌子面前方存在含水体的可能性，则采用二电流激发极化半衰时之差法进行含水体的三维定位和涌水量预测。但是，目前尚未有将时域和频域激发极化集成到一起的复合式激发极化仪器。因此，亟待开展复合式激发极化仪器的研发。

对于隧道或坑道复合式激发极化仪器的研发，主要问题如下：①目前隧道或坑道地质预报工作中，频域激发极化仪器和时域激发极化仪器未集成，分别探测，导致工作效率较低，设备成本较高；②目前尚没有能够实现隧道含水体水量预测与三维成像的激发极化设备，大电流脉动恒流供电技术需要解决；③适应于隧道或坑道工作环境抗干扰技术与装置尚未解决。因此，研制具有较强抗干扰能力的隧道或坑道含水体预报专用复合式激发极化仪器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，它是在现有时域激发极化仪器和频域激发极化仪器的研究基础上对其进行一定的改进，结合了双方特点，它性能稳定、灵敏度高、方便实用且能批量生产，能够实时预报隧道等地下工程掌子面前方岩性的变化和含水层性质。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，它包括发射机和接收机，所述发射机主要由发射机单片机系统、二激发电流模块、多频信号波形合成模块、功率驱动模块、桥式双频逆变器、恒流逆变振荡器、电压电流取样模块、过压过流保护模块以及数据采集模块组成，其中发射机单片机系统分别控制二激发电流模块和多频信号波形合成模块输出相应时域和频域发射调制波形，通过同一功率驱动模块分别驱动桥式双频逆变器、恒流逆变振荡器输出相应信号；同时过压过流保护模块监测电压电流取样模块，并将信号送入发射机单片机系统；电压电流取样模块则与功率驱动模块连接，电压电流取样模块还与数据采集模块连接，数据采集模块与发射机单片机系统连接；

所述接收机主要由接收机单片机系统、输入保护模块、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块、差分输入放大模块、数据采集模块和工控机组成，接收信号依次通过输入保护模块、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块、差分输入放大模块、数据采样模块后经接收机单片机系统送入工控机进行数字信号的最终处理，完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率的测量。

所述发射单片机系统包含单片机、数字显示模块、时钟模块、数据存储模块、数据通信模块和手动控制模块，根据时/频状态控制命令控制发射机相关硬件电路进行时/频状态转换；

所述接收单片机系统包含单片机、数据存储模块和数据通信模块，控制接收机。

所述二激发电流模块控制功率驱动模块，通过恒流逆变振荡器实现大电流恒流脉动输出，以设置不同的供电时间、高电平脉宽和电流大小，电流设定值范围0～1A，步长0.1A；

所述多频信号波形合成模块对输出电压信号进行多频调制，由功率驱动模块通过桥式双频逆变器输出高频低频合成信号，高频频率范围为1～10Hz，步长1Hz，分频比为11、13或15。

所述过压过流保护模块，由连接在功率驱动模块上的电压电流取样模块实现对电流电压的控制，电压电流取样模块采用霍尔检测电路，时域模式下输出电压超过1050V自动保护，频域下输出电压超过400V自动保护。

所述输入保护模块为静电高压抑制电路，它吸收工作环境中的静电和浪涌冲击，保护后端电路。

所述接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块主要由共模和差模抑制电路、第一级50Hz限波器、差分输入放大模块、一级100Hz限波器、第二级50Hz限波器、8阶巴特沃斯低通滤波器组成；由共模和差模抑制电路吸收输入的共模、差模干扰信号，两级50Hz限波器初步吸收50Hz工频干扰，保证差分输入放大模块的直流工作点不随上述干扰信号漂移；差分输入放大模块输出信号，在经过一级50Hz限波器和一级100Hz限波器，充分抑制工频及工频谐波的干扰；8阶巴特沃斯低通滤波器，有40dB每十倍频程的衰减量，且保证带宽内信号的平坦。

所述信号放大模块包括5级增益放大器，它与5路ADC转换器连接，5路ADC转换器的输入双极性信号，最大信号电压为±10V，每级增益下转换输出的信号分辨率可达13位，最小分辨力±0.24Uv；5路ADC转换器的输出端与光电隔离电路连接，光电隔离电路与调零电路连接，调零电路为DAC电路，最小调零电压为±4.8uV；调零电路与差分输入放大模块连接。

所述工控机包含时/频信号识别模块、时域信号处理模块、频域信号处理模块和终端显示控制模块，对经过接收机处理后的信号，进行时域或频域的数字信号处理并终端显示，同时向接收机和发射机发送时/频信号控制指令；其中，时域信号处理模块将接收的波形直接送往工控机的处理模块，频域信号处理模块对送入的经处理优选过的复合波形，用数字信号处理方法同时得到低频和高频基波的幅度。

本发明的实际应用过程操作简单：

1>连接外接电源、发射机、接收机和测量电极。

2>启动接收机，打开控制软件，选择时域模式或是频域模式。

3>时域模式需打开端口，设置采样时间、间隔；频域则需打开端口，设置频率和分频比。

4>开始调零，待曲线显示窗口电压曲线在零点时停止调零。

5>开始采样和发射——先点击“开始采样”，然后点击“开始发射”。

6>停止发射和采样——停止采样动作，以便于保存曲线和采样值，停止采样系统的采样动作。

7>保存和打开曲线数据——“保存数据”按钮，此时可以保存本次测量的数据，并可用图形形式显示所保存数据。

8>退出程序——“退出”按钮。

本发明的有益效果是：

1>该发明实现了时域激发极化法和频域激发极化法的硬件及软件集成，可以完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率等参数的测量，使其不仅能够实现对含水构造的快速探测，而且能够估算涌水量，提高了探测效果和工作效率，降低了设备研制成本。

2>该发明实现了时域的大电流恒流脉动输出，供电电流范围0～1A，频域输出高、低频对数多，为研究最佳隧道前方水系探测方案提供了有效手段；实现了自动极化补偿，抗干扰能力强，并能实时显示数据采集曲线，方便用户判断数据采集的真实性。

3>以湖北翻坝高速公路为例，说明本发明的有益效果。在鸡公岭隧道左洞进口ZK19+509处开展了一次激发极化法超前地质预报，采用本发明的仪器设备，主要采集了视电阻率、半衰时等数据。数据采集及反演结果图8、图9、图10所示。

预报在ZK19+512位置开始拱顶右上部出现两条含导水裂隙，在ZK19+520-ZK19+530段落水量明显减小，沿裂隙股状或线状滴水，不存在大的含水裂隙等构造。经过跟踪开挖记录，预报结果与开挖结果一致。

综上所述，该发明为解决隧道或坑道施工期不良地质特别是含水体的三维定位难题提供了有效的途径，已经在青岛胶州湾海底隧道、湖北翻坝高速等多个工程实践中得到成功应用，可满足目前国家重点工程建设中地质灾害控制的迫切需求，将带来可观的经济效益与社会效益。

附图说明

图1是本发明发射机原理框图。

图2是本发明发射机数字电源主控制器电路图。

图3本发明发射机通信电路图。

图4是本发明接收机原理框图。

图5是本发明接收机框图。

图6本发明接收机检测电路图。

图7本发明接收机通信电路图。

图8为视频散率曲线图。

图9为视电阻率曲线。

图10为激发极化半衰时之差。

其中，1.发射机单片机系统，2.二激发电流模块，3.多频信号波形合成模块，4.功率驱动模块，5.桥式双频逆变器，6.恒流逆变振荡器，7.电压电流取样模块，8.过压过流保护模块，9.数据采集模块，10.接收机单片机系统，11.输入保护模块，12.接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块，13.差分输入放大模块，14.数据采样模块，15.静电高压抑制电路，16.共模和差模抑制电路，17.第一级50Hz限波器，18.一级100Hz限波器，19.第二级50Hz限波器，20.8阶巴特沃斯低通滤波器，21.5级增益放大器，22.5路ADC转换器，23.光电隔离电路，24.调零电路，25.时/频信号识别模块，26.时域信号处理模块，27.频域信号处理模块，28.终端显示控制模块，29.工控机，30.单片机，31.数字显示模块，32.时钟模块，33.数据存储模块，34.数据通信模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1、图2、图3中，发射机主要由发射机单片机系统1、二激发电流模块2、多频信号波形合成模块3、功率驱动模块4、桥式双频逆变器5、恒流逆变振荡器6、电压电流取样模块7、过压过流保护模块8以及数据采集模块9组成，其中发射机单片机系统1分别控制二激发电流模块2和多频信号波形合成模块3输出相应时域和频域发射调制波形，通过同一功率驱动模块4分别驱动桥式双频逆变器5、恒流逆变振荡器6输出相应信号；同时过压过流保护模块8监测电压电流取样模块7，并将信号送入发射机单片机系统1；电压电流取样模块7则与功率驱动模块4连接，电压电流取样模块7还与数据采集模块9连接，数据采集模块9与发射机单片机系统1连接。

所述发射单片机系统1包含DSP单片机30，DSP单片机30分别与数字显示模块31、时钟模块32、数据存储模块33和数据通信模块34连接，根据时/频状态控制命令控制发射机相关硬件电路进行时/频状态转换。DSP单片机30还接受一个手动控制信号。

所述二激发电流模块控制功率驱动模块，通过控制恒流逆变振荡器实现大电流恒流脉动输出，以设置不同的供电时间、高电平脉宽和电流大小，电流设定值范围0～1A，步长0.1A。

所述多频信号波形合成模块对输出电压信号进行多频调制，控制功率驱动模块通过桥式双频逆变器输出高频低频合成信号，高频频率范围为1～10Hz，步长1Hz，分频比为11、13或15。

所述过压过流保护模块，由连接在功率驱动模块上的电压电流取样模块实现对电流电压的控制，电压电流取样模块采用霍尔检测电路，时域模式下输出电压超过1050V自动保护，频域下输出电压超过400V自动保护。

图4、图5、图6、图7中，所述接收机主要由接收机单片机系统10、输入保护模块11、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块12、差分输入放大模块13、数据采集模块14和工控机组成，接收信号依次通过输入保护模块11、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块12、差分输入放大模块13、数据采样模块14后经接收机单片机系统10送入工控机29进行数字信号的最终处理，完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率的测量。

所述接收单片机系统10包含DSP单片机30，DSP单片机30分别与数字显示模块31、时钟模块32、数据存储模块33、数据通信模块34连接，它控制接收机。

所述输入保护模块11为静电高压抑制电路15，它吸收工作环境中的静电和浪涌冲击，保护后端电路。

所述接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块12主要由共模和差模抑制电路16、第一级50Hz限波器17、差分输入放大模块13、一级100Hz限波器18、第二级50Hz限波器19、8阶巴特沃斯低通滤波器20组成；由共模和差模抑制电路16吸收输入的共模、差模干扰信号，两级50Hz限波器初步吸收50Hz工频干扰，保证差分输入放大模块的直流工作点不随上述干扰信号漂移；差分输入放大模块13输出信号，在经过第二级50Hz限波器18和一级100Hz限波器19，充分抑制工频及工频谐波的干扰；8阶巴特沃斯低通滤波器20，有40dB每十倍频程的衰减量，且保证带宽内信号的平坦。

所述信号放大模块包括5级增益放大器21，它与5路ADC转换器22连接，5路ADC转换器的输入双极性信号，最大信号电压为±10V，每级增益下转换输出的信号分辨率可达13位，最小分辨力±0.24Uv；5路ADC转换器22的输出端与光电隔离电路23连接，光电隔离电路23与调零电路24连接，调零电路24为DAC电路，最小调零电压为±4.8uV；调零电路与差分输入放大模块连接。

所述工控机29包含时/频信号识别模块25、时域信号处理模块26、频域信号处理模块27和终端显示控制模块28，对经过接收机处理后的信号，进行时域或频域的数字信号处理并终端显示，同时向接收机和发射机发送时/频信号控制指令；其中，时域信号处理模块将接收的波形直接送往工控机的处理模块，频域信号处理模块对送入的经处理优选过的复合波形，用数字信号处理方法同时得到低频和高频基波的幅度。

本发明在工作时，首先利用频域激发极化法进行隧道或坑道超前探测快速普查，若频域探测数据未发现异常则继续隧道或坑道掘进；如有异常则采用时域激发极化法超前探测，采用三维成像技术和水量估算方法可以对含水构造进行三维定位和水量估算。

Claims (9)

1.一种隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，它包括发射机和接收机，其特征是，所述发射机主要由发射机单片机系统(1)、二激发电流模块(2)、多频信号波形合成模块(3)、功率驱动模块(4)、桥式双频逆变器(5)、恒流逆变振荡器(6)、电压电流取样模块(7)、过压过流保护模块(8)以及数据采集模块(9)组成；其中发射机单片机系统(1)分别控制二激发电流模块(2)和多频信号波形合成模块(3)输出相应时域和频域发射调制波形，通过同一功率驱动模块(4)分别驱动桥式双频逆变器(5)、恒流逆变振荡器(6)输出相应信号；同时过压过流保护模块(8)监测电压电流取样模块(7)，并将信号送入发射机单片机系统(1)；电压电流取样模块(7)则与功率驱动模块(4)连接，电压电流取样模块(7)还与数据采集模块(9)连接，数据采集模块(9)与发射机单片机系统(1)连接；

所述接收机主要由接收机单片机系统(10)、输入保护模块(11)、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块(12)、差分输入放大模块(13)、数据采集模块(14)和工控机(29)组成，接收信号依次通过输入保护模块(11)、接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块(12)、差分输入放大模块(13)、数据采样模块(14)后经接收机单片机系统(10)送入工控机(29)进行数字信号的最终处理，完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率的测量。

2.根据权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述发射单片机系统和接收单片机系统结构相同，均包含单片机(30)，单片机(30)分别与数字显示模块(31)、时钟模块(32)、数据存储模块(33)、数据通信模块(34)连接；其中发射单片机系统根据时/频状态控制命令控制发射机相关硬件电路进行时/频状态转换；所述接收单片机系统则控制接收机。

3.根据权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述二激发电流模块(2)控制功率驱动模块(4)，通过恒流逆变振荡器(6)实现大电流恒流脉动输出，以设置不同的供电时间、高电平脉宽和电流大小，电流设定值范围0～1A，步长0.1A。

4.如权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述多频信号波形合成模块(3)对输出电压信号进行多频调制，控制功率驱动模块(4)通过桥式双频逆变器(5)输出高频低频合成信号，高频频率范围为1～10Hz，步长1Hz，分频比为11、13或15。

5.根据权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述过压过流保护模块(8)由连接在功率驱动模块上的电压电流取样模块(7)实现对电流电压的控制，电压电流取样模块(7)采用霍尔检测电路，时域模式下输出电压超过1050V自动保护，频域下输出电压超过400V自动保护。

6.根据权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述输入保护模块(11)为静电高压抑制电路，它吸收工作环境中的静电和浪涌冲击，保护后端电路。

7.如权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述接地补偿、工频信号抑制与噪声处理模块(12)主要由共模和差模抑制电路(16)、第一级50Hz限波器(17)、差分输入放大模块(13)、一级100Hz限波器(18)、第二级50Hz限波器(19)、8阶巴特沃斯低通滤波器(20)组成；由共模和差模抑制电路(16)吸收输入的共模、差模干扰信号，两级50Hz限波器初步吸收50Hz工频干扰，保证差分输入放大模块(13)的直流工作点不随上述干扰信号漂移；差分输入放大模块(13)输出信号，经过一级50Hz限波器(17)和一级100Hz限波器(18)充分抑制工频及工频谐波的干扰；8阶巴特沃斯低通滤波器(20)，有40dB每十倍频程的衰减量，且保证带宽内信号的平坦。

8.根据权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述信号放大模块包括5级增益放大器(21)，它与5路ADC转换器(22)连接，5路ADC转换器(22)输入双极性信号，最大信号电压为±10V，每级增益下转换输出的信号分辨率可达13位，最小分辨力±0.24Uv；5路ADC转换器(22)的输出端与光电隔离电路(23)连接，光电隔离电路(23)与调零电路(24)连接，调零电路(24)为DAC电路，最小调零电压为±4.8uV；调零电路(24)与差分输入放大模块(13)连接。

9.如权利要求1所述的隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备，其特征是，所述工控机包含时/频信号识别模块(25)、时域信号处理模块(26)、频域信号处理模块(27)和终端显示控制模块(28)，对经过接收机处理后的信号，进行时域或频域的数字信号处理并终端显示，同时向接收机和发射机发送时/频信号控制指令；其中，时域信号处理模块(26)将接收的波形直接送往工控机，频域信号处理模块(27)对送入的经处理优选过的复合波形，用数字信号处理方法同时得到低频和高频基波的幅度。

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