CN102262247B - 隧道突水超前预测装置及预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于核磁共振地下水探测方法的隧道突水超前预测装置及预测方法。收发一体多匝矩形或方形线圈，平行于掌子面布设，计算机控制高压电源，主控芯片通过驱动电路驱动发射桥路，产生激发磁场。放大电路将核磁共振信号放大后送到采集电路，采集电路通过A/D转换器将放大器输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机，对数据进行显示和存储和滤波处理，通过软件进行水文地质解释，将所采集到的核磁共振信号的初始振幅、衰减时间解释成含水率和孔隙度，将激发电流的大小解释成探测深度，进而给出掌子面前方地质体的含水率及潜在水体的赋存状态。本发明相对于其它勘探方法更直接有效，能有效的预报在隧道施工过程中的突水等地质灾害的发生。
Description
技术领域：
本发明涉及一种地球物理勘探仪器及探测方法，尤其利用核磁共振地下水探测装置进行隧道突水超前预报。
背景技术：
在隧道工程施工过程中，例如公路、铁路等隧道掘进中经常会遇到突水问题，轻则影响施工进度，重则造成隧道淹没、设备损毁甚至人员伤亡。采取有效的探测方法和仪器，对解决隧道突水问题能起到至关重要的作用。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。
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。
发明内容：
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足提供一种隧道突水超前预测装置及预测方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现的：
隧道突水超前预测装置，是由计算机1经串口总线11、高压电源4和发射桥路5与多匝线圈10的一端连接，计算机1经串口总线12、STC89C54主控芯片2的P3.0、P3.1、P4.0、发射驱动电路3、发射桥路5和配谐电容9与多匝线圈10的另一端连接，主控芯片2通过控制线16连接保护开关8，计算机1经串口总线连接放大电路6和保护开关8，保护开关8的两端与收发一体多匝线圈10的两端连接，放大电路6与采集电路7连接，计算机1通过串口总线14与采集电路7连接构成。
隧道突水超前预测方法，包括以下顺序和步骤：
a、将收发一体多匝线圈10置于掌子面上；
b、计算机1通过控制高压电源4的电压值来调整发射桥路5的激发电流；
c、STC89C54主控制芯片2产生20ms-30ms，频率为f0的信号，其中频率f0＝γB0/2π＝0.04258×B0，其中B0为当地地磁场强度，γ为旋磁比，水的旋磁比值为γ＝(2.67522128±0.00000081)×108s-1T-1，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行驱动；
d、高压电源4产生的输出电压对配谐电容9和收发一体多匝线圈10加入20ms-30ms的发射电流，激发工作面前方的潜在水体；
e、激发时，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在断开状态，对放大电路6进行保护，激发结束后，经过20ms-30ms的间隙时间，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在闭合状态，将收发一体多匝线圈10中所感应的信号通过保护开关8送入放大器6；
f、放大电路6对微弱的核磁共振信号放大后送到采集电路7，主控芯片2控制采集电路7的开始采集时间和结束采集时间，采集电路7通过A/D转换器将放大器6输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机1，对数据进行显示和存储；
g、由计算机1对所存储的数据进行滤波处理，然后利用核磁共振隧道突水超前预测反演软件进行水文地质解释，将所采集到的核磁共振信号的初始振幅、衰减时间解释成含水率和孔隙度，将激发电流的大小解释成探测深度，进而给出掌子面前方地质体的含水率及潜在水体的赋存状态。
有益效果：本发明应用核磁共振地下水探测技术，采用收发一体多匝矩形或方形线圈，将线圈置于隧道施工掌子面，探测掌子面附近的潜在含水体。本发明相对于其它勘探方法直接有效，有效预报在隧道施工掘进过程中的突水等地质灾害的发生。
附图说明：
附图1是隧道突水超前预测装置结构框图。
附图2是附图1中收发一体多匝线圈10的结构图
附图3是隧道突水超前预测装置在长松岭隧道的实验测试结果图
1计算机，2主控芯片，3发射驱动电路，4高压电源，5发射桥路，6放大电路，7采集电路，8保护开关，9配谐电容，10收发一体多匝线圈，11、12、13、14为串口总线，15、16为控制线。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：
隧道突水超前预测装置，是由计算机1经串口总线11、高压电源4和发射桥路5与多匝线圈10的一端连接，计算机1经串口总线12、STC89C54主控芯片2的P3.0、P3.1、P4.0、发射驱动电路3、发射桥路5和配谐电容9与多匝线圈10的一端连接，发射桥路5与收发一体多匝线圈10的另一端连接，STC89C54主控芯片2通过控制线16连接保护开关8，计算机1经串口总线连接放大电路6和保护开关8，保护开关8的两端与收发一体多匝线圈10的两端连接，放大电路6与采集电路7连接，计算机1通过串口总线14与采集电路7连接构成。
隧道突水超前预测方法，包括以下顺序和步骤：
a、将收发一体多匝线圈10置于掌子面上；
b、计算机1通过控制高压电源4的电压值来调整发射桥路5的激发电流；
c、STC89C54主控制芯片2产生20ms-30ms，频率为f0的信号，其中频率f0＝γB0/2π＝0.04258×B0，其中B0为当地地磁场强度，γ为旋磁比，水的旋磁比值为γ＝(2.67522128±0.00000081)×108s-1T-1，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行驱动；
d、高压电源4产生的输出电压对配谐电容9和收发一体多匝线圈10加入20ms-30ms的发射电流，激发工作面前方的潜在水体；
e、激发时，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在断开状态，对放大电路6进行保护，激发结束后，经过20ms-30ms的间隙时间，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在闭合状态，将收发一体多匝线圈10中所感应的信号通过保护开关8送入放大器6；
f、放大器电路6对微弱的核磁共振信号放大后送到采集电路7，STC89C54主控芯片2控制采集电路7的开始采集时间和结束采集时间，采集电路7通过A/D转换器将放大器6输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机1，对数据进行显示和存储；
g、由计算机1对所存储的数据进行滤波处理，然后利用核磁共振隧道突水超前预测反演软件进行水文地质解释，将所采集到的核磁共振信号的初始振幅、衰减时间解释成含水率和孔隙度，将激发电流的大小解释成探测深度，进而给出掌子面前方地质体的含水状况及潜在水体的赋存状态。
发射：通过计算机1将需要充电的电压值输出给高压电源4，当高压电源4的电源达到计算机1设定的电压值时，充电完成。同时由高压电源4传输给计算机1一个充电完成指令。STC89C54主控芯片2产生当地拉莫尔频率的发射方波，发射方波经过发射驱动电路3驱动后控制发射桥路5，高压电源4产生需要的电压给发射桥路5进行供电。发射桥路5连接配谐电容9以及收发一体多匝线圈10。配谐电容9和收发一体多匝线圈10构成LC串联谐振，收发一体多匝线圈10上产生高压交变电流，产生交变磁场，激发工作面前方的含水体。
接收：根据核磁共振探测原理，在激发含水体后撤去激发场，含水体中的氢质子会产生弛豫效应，收发一体多匝线圈10接收到一个呈衰减趋势变化的电信号。收发一体多匝线圈10接收到的信号通过开关8进入到放大电路6，该放大电路包含对接收信号的调理。信号经过滤波放大后进入到采集电路7，采集电路7将放大电路6输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给计算机1。
实施例1：
选择探测工作面，将收发一体多匝线圈10借助于固定支架安置在掌子面上。计算机1控制高压电源部分4，选择输出的电压值。进而改变收发一体多匝线圈10的激发电流的大小。由于收发一体多匝线圈10内通入的电流可以产生一个激发的磁场，激发磁场的强度不同，所超前探测的深度就随之改变，通过改变激发电流激发前方的潜在水体。
STC89C54主控芯片2产生20毫秒的激发频率信号，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行驱动。高压电源部分4产生的输出电压对配谐电容9和多匝发射/接收线圈10加入20毫秒的发射电流，激发掌子面前方的潜在水体。
在激发时，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在断开状态，对放大电路6进行保护。激发结束后，经过20毫秒，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在闭合状态，将多匝发射/接收线圈10中所产生的信号通过保护开关送入放大器电路6。放大电路6对微弱的信号放大后，将信号送到采集电路7，STC89C54主控芯片2控制采集电路7的开始采集时间与结束采集时间，采集电路2通过A/D转换器将放大器6输出的模拟信号转换成数字信号，将转换后得到的数据送至计算机1，对数据进行显示和存储。计算机1对所存储的数据进行水文地质解释。将存储的核磁共振信号进行处理，然后对其进行数据解释，将所采集到的核磁共振信号的初始振幅解释成含水率，将所采集到的核磁共振信号的衰减时间解释成孔隙度，发射电流值与发射时间解释成水体与掌子面的距离。进而给出掌子面前方地质体中潜在水体的含水量及其赋存状态。
实施例2：
选择探测工作面，将收发一体多匝线圈10借助于固定支架安置在掌子面上。计算机1控制高压电源部分4，选择输出的电压值。进而改变收发一体多匝线圈10的激发电流的大小。由于收发一体多匝线圈10内通入的电流可以产生一个激发的磁场，激发磁场的强度不同，所超前探测的深度就随之改变，通过改变激发电流激发前方的潜在水体。
STC89C54主控芯片2产生30毫秒的激发频率信号，通过发射驱动电路3对发射桥路5进行驱动。高压电源部分4产生的输出电压对配谐电容9和多匝发射/接收线圈10加入30毫秒的发射电流，激发掌子面前方的潜在水体。在激发时，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在断开状态，对放大电路6进行保护。激发结束后，经过30毫秒，STC89C54主控芯片2控制保护开关8，使它处在闭合状态，将多匝发射/接收线圈10中所产生的信号通过保护开关送入放大器电路6。放大电路6对微弱的信号放大后，将信号送到采集电路7，STC89C54主控芯片2控制采集电路7的开始采集时间与结束采集时间，采集电路2通过A/D转换器将放大器6输出的模拟信号转换成数字信号，将转换后得到的数据送至计算机1，对数据进行显示和存储。计算机1对所存储的数据进行水文地质解释，将存储的核磁共振信号进行处理，然后对其进行数据解释，将所采集到的核磁共振信号的初始振幅解释成含水率，将所采集到的核磁共振信号的衰减时间解释成孔隙度，发射电流值与发射时间解释成水体与掌子面的距离。进而给出掌子面前方地质体中潜在水体的含水量及其赋存状态。
Claims (1)
1.一种隧道突水超前预测方法，所述方法采用一种隧道突水超前预测装置，所述装置其特征在于计算机(1)经第一串口总线(11)、高压电源(4)和发射桥路(5)与收发一体多匝线圈(10)的一端连接，计算机(1)经第二串口总线(12)、主控芯片(2)、发射驱动电路(3)、发射桥路(5)和配谐电容(9)与收发一体多匝线圈(10)的另一端连接，主控芯片(2)通过控制线(16)连接保护开关(8)，计算机(1)经第三串口总线(13)连接放大电路(6)和保护开关(8)，保护开关(8)的两端与收发一体多匝线圈(10)的两端连接，放大电路(6)与采集电路(7)连接，计算机(1)通过第四串口总线(14)与采集电路(7)连接；
所述方法包括以下步骤：
a、将收发一体多匝线圈(10)置于掌子面上；
b、计算机(1)通过控制高压电源(4)的电压值来调整发射桥路(5)的激发电流；
c、主控芯片(2)产生20ms-30ms，频率为f0的信号，其中频率f0＝γB0/2π=0.04258×B0，其中B0为当地地磁场强度，γ为旋磁比，水的旋磁比值为γ=(2.67522128±0.00000081)×108s-1T-1，通过发射驱动电路(3)对发射桥路(5)进行驱动；
d、高压电源(4)产生的输出电压对配谐电容(9)和收发一体多匝线圈(10)加入20ms-30ms的发射电流，激发工作面前方的潜在水体；
e、激发时，主控芯片(2)控制保护开关(8)，使它处在断开状态，对放大电路(6)进行保护，激发结束后，经过20ms-30ms的间隙时间，主控芯片(2)控制保护开关(8)，使它处在闭合状态，将收发一体多匝线圈(10)中所感应的信号通过保护开关(8)送入放大电路(6)；
f、放大电路(6)对微弱的核磁共振信号放大后送到采集电路(7)，主控芯片(2)控制采集电路(7)的开始采集时间和结束采集时间，采集电路(7)通过A/D转换器将放大电路(6)输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机(1)，对数据进行显示和存储；
g、由计算机(1)对所存储的数据进行滤波处理，然后利用核磁共振隧道突水超前预测反演软件进行水文地质解释，将所采集到的核磁共振信号的初始振幅、衰减时间解释成含水率和孔隙度，将激发电流的大小和时间解释成探测深度，进而给出掌子面前方地质体的含水状况及潜在水体的赋存状态。
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