CN102221711A - 核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置及探测方法 - Google Patents

核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置及探测方法。由计算机经主控制单元、发射驱动电路和发射桥路分别与高压电源、配谐电容和发射与接收一体线圈连接，接收多匝线圈两端经第二保护开关、第二信号调理电路与多通道采集电路连接，计算机经主控制单元分别与第一保护开关和第二保护开关连接，第一保护开关经第一信号调理电路和多通道采集电路与第二信号调理电路连接构成。接收一体线圈垂直装在测点左侧，接收多匝线圈垂直装在右侧。本发明采用两个接收线圈同时接收核磁共振信号，根据接收回的信号进行数据处理，精确定位含水体的位置、大小、含水率、渗透系数。为矿井、隧道施工提供数据，能够准确预测突水引发的地质灾害。

Description

核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置及探测方法
技术领域：
本发明涉及一种利用核磁共振原理对坑道周围含水体进行精确定位的地球物理勘探设备，尤其是利用“一发二收”两个平行线圈对坑道上下或左右方水体进行精确定位的核磁共振探测装置及探测方法。
背景技术：
在隧道、矿井等地下掘进工程中，由于地质条件复杂，由地下水引起的突水等地质灾害时有发生，给施工带来了巨大的灾难和经济损失。对地下工程中周围的含水体进行准确的探测，可为减少未知水体引发的坑道突水事故提供重要信息。
目前具有的隧道突水超前预报技术主要有：
地质观测法：根据隧道内外地质调查结果，分析确定隧道施工掌子面前方地质体导、储水的可能性。该方法在相当程度上依赖于实施预报人员的经验及其对隧道址区工程地质条件的掌握程度；
探孔法：是一种直接探水的方法，对于基岩裂隙水效果明显。但对岩溶水、与地表水有直接联系的导水性能极好的断层破碎带涌水有较大的钻孔涌水危险；
红外探水法：利用地下水体产生的红外辐射场异常进行水体探测，对围岩岩体是否含水有效，但不能确定含水量的大小，且受隧道内施工干扰影响大；
视电阻率法：利用水体和岩体电阻率差异，判断是否可能有水和水体轮廓。但对于视电阻率参数与水差别不大的淤泥等地质体却难以区分；
瞬变电磁法：向工作面前方发射一束脉冲电磁场(称为一次场)，并在一次场间隙期间，利用接收探头测量前方目标体感应的涡流场变化。这种变化主要取决于目标体的电阻率和极化率。这种方法同样不能区分电阻率和极化率参数与水差别不大的淤泥等地质体；
地震法：利用地震探测设备激发一个人工地震波，波信号在隧道周围岩体内传播，当遇到岩石波阻抗差异界面(岩石强度发生变化、地层层面、节理面)时，特别是断层破碎带界面和溶洞、暗河、岩溶、淤泥带等不良地质界面时，一部分地震信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被探测设备的检波器接收。根据返回信号数据的延迟时间、强度和方向，通过软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软性岩带、破碎带、断层、含水岩层等)和位置及规模。由此推断出有可能的含水构造。可见，这种方法是根据推算出的地质构造预测含水构造的，不能作出是否肯定含水的结论；
声波探测法：利用掘进机械切割岩石所激发的声波信号的同步信号检测器，检测工作面前方经岩体反射回来的反射声波信号，经过分析计算，推断前方的地质构造，判断可能的含水构造。该方法也是一种间接判断法，不能直接定位地下水体；
温差法：一般情况下，随着埋深的加大，地面以下岩体的温度越来越高。但地下水体及其在岩体中的循环流动，会降低(常规水体)或提高(地下热水流)水体周边一定范围的岩体的温度。利用这一现象，通过测量隧道内温度的变化，预测前方可能的含水体。但不能准确得到潜在水体的含水量大小等重要的参数。
这些方法多数都是通过勘查含水构造及层位来对含水体是否存在进行判断的，是间接的测量方法，不能准确得到潜在水体的含水量大小等重要的参数。而利用核磁共振方法探测地下水是一种直接的探测方法。
潘玉玲、张昌达编著《地面核磁共振找水理论和方法》(2000.8，武汉，中国地质大学出版社ISBN 7-5625-1551-4)介绍了一种法国产的核磁共振找水仪，由发射系统、信号接收系统、微机控制与记录系统等部分组成。其有益效果为可以直接探测150米深度以内的地下水。
2006年吉林大学姜艳秋硕士学位论文《地面核磁共振找水仪发射机的研制》介绍了地面核磁共振找水仪发射机中各部分电路设计。2008年吉林大学高东旭硕士学位论文《核磁共振找水仪弱信号放大器设计》介绍了地面核磁共振找水仪信号调理电路设计。2009年吉林大学蒋川东硕士学位论文《核磁共振地下水探测系统数据处理软件的设计与应用介绍了通过核磁共振地下水探测信号的激发发射电流、发射持续时间、接收核磁共振信号初始幅度、弛豫时间等参数得到地下含水层与发射并接收线圈距离、厚度和含水率，并估计出渗透率和导水系数，涌水量的大小的方法。2010SR017733计算机软件著作权登记《核磁共振地下水探测仪(JLMRS)数据处理软件[简称：JLMRS数据处理软件V1.0》计算机软件实现了核磁共振探测中水文地质参数的计算方法，包括含水层与发射并接收线圈距离、水层厚度、含水率的计算，和渗透率、导水系数、涌水量等参数的估算。
理论上，只要有水的存在，就会产生核磁共振信号。但是这种核磁共振信号能否被测到，取决于探测仪器的探测灵敏度高低。水体规模越大，距离越近，信号就越强，也就容易被探测到，而这样的潜在水体也就容易对掘进工程构成损害。就目前可以达到的探测灵敏度而言，可以对工程造成上述影响规模和距离的水体是可以被测到的。
地质体中的水体不仅存在于掘进前方，在坑道的两侧、顶底板都可能存在，这是重要的安全隐患。
发明内容：
本发明的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置；
本发明的另一目的是提供一种核磁共振差分探测坑道突水超前预测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
是由计算机1通过串口总线14经高压电源4与发射桥路5连接，计算机1通过串口总线15与主控制单元2连接，计算机1通过串口总线16与信号调理电路6连接，计算机1通过串口总线17与多通道采集电路7连接，计算机1通过串口总线18与信号调理电路10连接，主控制单元2通过控制线19与发射驱动电路3相连接，主控制单元2通过控制线20分别与第一保护开关8和第二保护开关11连接，发射与接收一体线圈12两端经第一保护开关8和第一信号调理电路6与多通道采集电路7连接，接收多匝线圈13两端经第二保护开关11和第二信号调理电路10与多通道采集电路7连接，发射与接收一体线圈12一端与发射桥路5连接，另一端经配谐电容9与发射桥路5连接，主控制单元2经发射驱动电路3与发射桥路5连接构成。
核磁共振差分探测坑道突水超前预测方法，包括以下顺序和步骤：
a、铺设线圈，如探测坑道两侧，发射与接收一体线圈12竖直布设在前进方向左侧坑道壁上，接收多匝线圈13竖直布设在发射与接收一体线圈12的对面右侧坑道壁上；
b、打开核磁共振差分探测坑道突水超前探测装置，计算机1发出预测命令，主控制单元2通过控制线20控制保护开关8和保护开关11处于断开状态，对信号调理电路6和信号调理电路10进行保护；
c、主控制单元2产生20-30毫秒的拉莫尔频率的控制信号，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行控制；
d、计算机1通过串口总线14控制高压电源4，设置高压电源4的输出电压，改变高压电源4输出电压的大小，通过发射桥路5改变发射与接收一体线圈12和配谐电容9上的发射电流的大小，产生不同强度的激发磁场，激发不同距离的水体；
e、发射结束后经过20-30毫秒的间隙时间，主控制单元2控制保护开关8和保护开关11闭合，将发射与接收一体线圈12接收到的信号通过保护开关8送入信号调理电路6，将接收多匝线圈13接收到的信号通过保护开关11送入信号调理电路10；
f、信号调理电路6对左侧接收到的信号进行滤波处理和放大，信号调理电路10对右侧接收到的信号进行滤波处理和放大，计算机1通过控制线16控制信号调理电路6对左侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路7，计算机1通过控制线18控制信号调理电路10对右侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路7，计算机1通过串口总线17控制多通道采集电路7的采集开始与结束时间，多通道信号采集电路7利用模数转换器将信号调理电路6和信号调理电路10输出的模拟信号转换成数字信号，利用串口总线17，将转换后得到的数据送至计算机1，进行数据的保存与处理；
g、计算机1将发射与接收一体线圈12和接收多匝线圈13两个线圈接收到的核磁共振信号进行数据处理，获得弛豫时间、初始振幅和相移参数；
h、计算机1通过差分反演判断水体的相对位置，当发射与接收一体线圈12接收得到的初始振幅大于接收多匝线圈13接收得到的初始振幅，水体在左侧，当接收多匝线圈13接收到的初始振幅大于发射与接收一体线圈12接收到的初始振幅，水体在右侧，当接收多匝线圈13和发射与接收一体线圈12接收得到的初始振幅基本没有差别，左右两侧都有水体；
i、计算机1通过发射电流值和发射持续时间反演得到水体与发射与接收一体线圈12的距离；
j、计算机1通过初始振幅反演得到水体所处地质体的含水率，通过弛豫时间反演得到水体所处地质体的渗透系数。
有益效果：本发明结合核磁共振探测原理，采用两个接收线圈同时接收核磁共振信号，根据接收回的信号进行数据处理，精确地定位含水体的位置、大小、含水率、渗透系数，为矿井、隧道施工提供参考数据，能够更加准确地避免由未知水体引起的突水灾害。
附图说明：
图1是核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置结构图。
图2是附图1中多通道采集电路7的结构框图
图3是核磁共振差分探测坑道突水超前预测方法施工示意图，左侧为发射-接收一体多匝线圈12，右侧为接收多匝线圈13。
1计算机，2主控制单元，3发射驱动电路，4高压电源，5发射桥路，6第一信号调理电路，7多通道采集电路，8第一保护开关，9配谐电容，10第二信号调理电路，11第二保护开关，12发射-接收一体多匝线圈，13接收多匝线圈，14、15、16、17、18串口总线，19、20控制总线。
具体实施方式：
核磁共振差分探测坑道突水超前预测是通过如下方式实施的：
是由计算机1通过串口总线14经高压电源4与发射桥路5连接，计算机1通过串口总线15与主控制单元2连接，计算机1通过串口总线16与信号调理电路6连接，计算机1通过串口总线17与多通道采集电路7连接，计算机1通过串口总线18与信号调理电路10连接，主控制单元2通过控制线19与发射驱动电路3相连接，主控制单元2通过控制线20分别与第一保护开关8和第二保护开关11连接，发射与接收一体线圈12两端经第一保护开关8和第一信号调理电路6与多通道采集电路7连接，接收多匝线圈13两端经第二保护开关11和第二信号调理电路10与多通道采集电路7连接，发射与接收一体线圈12一端与发射桥路5连接，另一端经配谐电容9与发射桥路5连接，主控制单元2经发射驱动电路3与发射桥路5连接构成
附图2中的待采集信号1和待采集信号2分别来自附图1中的第一信号调理电路6和第二信号调理电路10。
核磁共振差分探测坑道突水超前探测方法，包括以下顺序和步骤：
a、铺设线圈，如探测坑道两侧，发射与接收一体线圈12竖直布设在前进方向左侧坑道壁上，接收多匝线圈13竖直布设在发射与接收一体线圈12的对面右侧坑道壁上；
b、打开核磁共振差分探测坑道突水超前探测装置，计算机1发出预测命令，主控制单元2通过控制线20控制保护开关8和保护开关11处于断开状态，对信号调理电路6和信号调理电路10进行保护；
c、主控制单元2产生20-30毫秒的拉莫尔频率的控制信号，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行控制；
d、计算机1通过串口总线14控制高压电源4，设置高压电源4的输出电压，改变高压电源4输出电压的大小，通过发射桥路5改变发射与接收一体线圈12和配谐电容9上的发射电流的大小，产生不同强度的激发磁场，激发不同距离的水体；
e、发射结束后经过20-30毫秒的间隙时间，主控制单元2控制保护开关8和保护开关11闭合，将发射与接收一体线圈12接收到的信号通过保护开关8送入信号调理电路6，将接收多匝线圈13接收到的信号通过保护开关11送入信号调理电路10；
f、信号调理电路6对左侧接收到的信号进行滤波处理和放大，信号调理电路10对右侧接收到的信号进行滤波处理和放大，计算机1通过控制线16控制信号调理电路6对左侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路7，计算机1通过控制线18控制信号调理电路10对右侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路7，计算机1通过串口总线17控制多通道采集电路7的采集开始与结束时间，多通道信号采集电路7利用模数转换器将信号调理电路6和信号调理电路10输出的模拟信号转换成数字信号，利用串口总线17，将转换后得到的数据送至计算机1，进行数据的保存与处理；
g、计算机1将发射与接收一体线圈12和接收多匝线圈13两个线圈接收到的核磁共振信号进行数据处理，获得弛豫时间、初始振幅和相移参数；
h、计算机1通过差分反演判断水体的相对位置，当发射与接收一体线圈12接收得到的初始振幅大于接收多匝线圈13接收得到的初始振幅，水体在左侧，当接收多匝线圈13接收到的初始振幅大于发射与接收一体线圈12接收到的初始振幅，水体在右侧，当接收多匝线圈13和发射与接收一体线圈12接收得到的初始振幅基本没有差别，左右两侧都有水体；
i、计算机1通过发射电流值和发射持续时间反演得到水体与发射与接收一体线圈12的距离；
j、计算机1通过初始振幅反演得到水体所处地质体的含水率，通过弛豫时间反演得到水体所处地质体的渗透系数。
本装置的具体工作过程是：
以坑道测点左侧的垂直面为线圈12的安装平面，安装线圈12，在线圈12的对面(即坑道测点右侧)的垂直面为线圈13的安装平面，安装线圈13；主控制单元2通过控制线20控制保护开关8和保护开关11，使其处于断开状态，对第一信号调理电路6和第二信号调理电路10进行保护；主控制单元2产生20-30毫秒的当地拉莫尔频率的控制信号，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行控制；计算机1通过串口总线14控制高压电源4，设置高压电源4的输出电压；改变高压电源4输出电压的大小，通过发射桥路5，改变在发射线圈12和配谐电容9上的发射电流的大小，即产生不同强度的激发磁场，激发不同距离的水体。发射结束后经过20毫秒的间隙时间，主控制单元2控制第一保护开关8和第二保护开关11闭合，将线圈12中所接收到的信号通过第一保护开关8送入第一信号调理电路6，将线圈13所接收到的信号通过第二保护开关11送入第二信号调理电路10；第一信号调理电路6对左侧接收到的信号进行滤波处理和放大，第二信号调理电路10对右侧接收到的信号进行滤波处理和放大，计算机1通过控制线16控制第一信号调理电路6对左侧微弱的信号进行放大和滤波，送至多通道采集电路7，计算机1通过控制线18控制第二信号调理电路10对右侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路7，计算机1通过串口总线17控制多通道信号采集电路7的采集开始与结束时间，多通道信号采集电路7利用模数转换器将第一信号调理电路6和第二信号调理电路10输出的模拟信号转换成数字信号，利用串口总线17，将转换后得到的数据送至计算机1，进行数据的保存与处理；计算机1将发射-接收一体多匝线圈12和接收多匝线圈13两个线圈接收到的核磁共振信号进行特征参数提取，获得弛豫时间、初始振幅和相移等参数，利用核磁共振差分探测坑道突水超前预测反演软件进行反演处理；如果线圈12接收得到的初始振幅大于线圈13接收得到的初始振幅，便说明水体在左侧。反之如果线圈13接收得到的初始振幅大于线圈12接收得到的初始振幅，便说明水体在右侧，如果线圈13和线圈12接收得到的初始振幅基本没有差别，说明左右两侧都有水体。
利用发射电流的大小和发射持续时间便可反演出水体与发射-接收一体多匝线圈12的距离。由计算机1计算得到的初始振幅可反演得到含水率。由计算机1计算得到弛豫时间可反演得到水体所处地质体渗透系数。计算机1将发射与接收一体线圈12和接收多匝线圈13两个线圈接收到的核磁共振信号进行数据处理，获得弛豫时间、初始振幅和相移参数；通过初始振幅反演得到水体所处地质体的含水率，通过弛豫时间反演得到水体所处地质体的渗透系数。
上面是以探测坑道左右方向的水体为例说明，当探测上下方向的水体时，只要把上面的“左”改为“下”，把“右”改为“上”即可探测坑道顶板、底板的突水超前预测。掘进前方的突水预测，只要将发射与接收一体线圈12竖直布设在掘进前方的掌子面上即可预测掘进前方的水体。

Claims (2)

1.一种核磁共振差分探测坑道突水超前预测装置，其特征在于，是由计算机(1)通过串口总线(14)经高压电源(4)与发射桥路(5)连接，计算机(1)通过串口总线(15)与主控制单元(2)连接，计算机(1)通过串口总线(16)与信号调理电路(6)连接，计算机(1)通过串口总线(17)与多通道采集电路(7)连接，计算机(1)通过串口总线(18)与信号调理电路(10)连接，主控制单元(2)通过控制线(19)与发射驱动电路(3)相连接，主控制单元(2)通过控制线(20)分别与第一保护开关(8)和第二保护开关(11)连接，发射与接收一体线圈(12)两端经第一保护开关(8)和第一信号调理电路(6)与多通道采集电路(7)连接，接收多匝线圈(13)两端经第二保护开关(11)和第二信号调理电路(10)与多通道采集电路(7)连接，发射与接收一体线圈(12)一端与发射桥路(5)连接，另一端经配谐电容(9)与发射桥路(5)连接，主控制单元(2)经发射驱动电路(3)与发射桥路(5)连接构成。
2.一种核磁共振差分探测坑道突水超前预测方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：
a、铺设线圈，如探测坑道两侧，发射与接收一体线圈(12)竖直布设在前进方向左侧坑道壁上，接收多匝线圈(13)竖直布设在发射与接收一体线圈(12)对面的右侧坑道壁上；
b、打开核磁共振差分探测坑道突水超前探测装置，计算机(1)发出预测命令，主控制单元(2)通过控制线(20)控制保护开关(8)和保护开关(11)处于断开状态，对信号调理电路(6)和信号调理电路(10)进行保护；
c、主控制单元(2)产生20-30毫秒的拉莫尔频率的控制信号，通过发射驱动电路3对发射桥路(5)进行控制；
d、计算机(1)通过串口总线(14)控制高压电源(4)，设置高压电源(4)的输出电压，改变高压电源(4)输出电压的大小，通过发射桥路(5)改变发射与接收一体线圈(12)和配谐电容(9)上的发射电流的大小，产生不同强度的激发磁场，激发不同距离的水体；
e、发射结束后经过20-30毫秒的间隙时间，主控制单元(2)控制保护开关(8)和保护开关(11)闭合，将发射与接收一体线圈(12)接收到的信号通过保护开关(8)送入信号调理电路(6)，将接收多匝线圈(13)接收到的信号通过保护开关(11)送入信号调理电路(10)；
f、信号调理电路(6)对左侧接收到的信号进行滤波处理和放大，信号调理电路(10)对右侧接收到的信号进行滤波处理和放大，计算机(1)通过控制线(16)控制信号调理电路(6)对左侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路(7)，计算机(1)通过控制线(18)控制信号调理电路(10)对右侧微弱的信号进行放大和滤波，送至信号多通道采集电路(7)，计算机(1)通过串口总线(17)控制多通道采集电路(7)的采集开始与结束时间，多通道信号采集电路(7)利用模数转换器将信号调理电路(6)和信号调理电路(10)输出的模拟信号转换成数字信号，利用串口总线(17)，将转换后得到的数据送至计算机(1)，进行数据的保存与处理；
g、计算机(1)将发射与接收一体线圈(12)和接收多匝线圈(13)两个线圈接收到的核磁共振信号进行数据处理，获得弛豫时间、初始振幅和相移参数；
h、通过差分反演判断水体的相对位置，当发射与接收一体线圈(12)接收得到的初始振幅大于接收多匝线圈(13)接收得到的初始振幅，水体在左侧，当接收多匝线圈(13)接收到的初始振幅大于发射与接收一体线圈(12)接收到的初始振幅，水体在右侧，当接收多匝线圈(13)和发射与接收一体线圈(12)接收得到的初始振幅基本没有差别，左右两侧都有水体；
i、计算机1通过发射电流值和发射持续时间反演得到水体与发射与接收一体线圈(12)的距离；
j、计算机(1)通过初始振幅反演得到水体所处地质体的含水率，通过弛豫时间反演得到水体所处地质体的渗透系数。
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