CN102819046A - 双d型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法。将双D型线圈核磁共振仪固定在掘进机的操作台上；以岩层中含水量35％作为可发生突水参数，正演得核磁共振标定信号，将核磁共振信号与标定信号比较，若核磁共振信号小于标定信号，则没有危险存在；若核磁共振信号大于标定信号，则有危险，核磁共振仪发出报警，停止掘进。采用双D型线圈，数据处理时将左右两个线圈采集信号做差值，提高了探测能力及信噪比，有效的抑制了噪声，实现了定距离突水探测，不需要停止掘进，连续探测，提高了探测效率和掘进效率。够实时准确的直接报出掘进前方是否有危险的预警，降低了因突水给矿工带来的生命危险和财产损失。

Description

双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探在水利水电工程及采矿领域的超前探测方法，尤其是基于双D型线圈核磁共振仪在巷道内随掘进机的掘进前方突水探测方法。

背景技术

核磁共振地下水探测方法(Magnetic Resonance Sounding，简称MRS方法)是一种直接地非破坏性的地球物理勘探方法。

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。

CN201554418U公开了一种钻孔防突水装置及采用该装置的钻孔机，该发明的钻孔防突水装置，由套管和与焊接在套管一端、并与套管连成一体的压紧装置构成，钻机钻杆从套管中穿过，所述的压紧装置，包括有与套管连为一体的盘根室，填充在盘根室内部、起压紧密封作用的盘根和一端焊接有法兰底座、一端深入到盘根室中并与盘根接触的盘根压盖，其中，所述的盘根室上焊接有法兰，法兰上开有孔，盘根压盖的法兰底座的法兰上也开有与其对应的孔，盘根压紧螺栓从孔中通过，将盘根压盖与盘根室连接固定，该实用新型在发生突水时，可迅速可靠地封闭突水，从而能够有效预防淹井事故，该实用新型同时还涉及了一种开采装置的钻孔机。

CN102062877A公开了一种对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法。是由计算机通过串口总线分别与系统控制器、大功率电源、信号采集单元相连，系统控制器经桥路驱动器、大功率H型发射桥路和配谐电容与发射线圈连结构成。与现有技术相比对前方是否存在含水体，以及含水体的含水量大小等重要信息做出准确、有效的检测。采用垂直布设线圈模式，有效的降低了线圈的占用面积，使该装置可以在更加狭小的空间中展开勘探工作。可在煤田矿井生产现场或隧道施工现场直接准确探明出前方一定距离内地下地质情况，减少因前方地质情况不明所引发的突水、涌泥等地质灾害造成的矿难或隧道施工中因地质灾害引发的各种事故。

上述发明的钻孔防突水装置可以探测矿下突水，但存在不足，那就是要先进行钻孔后进行判定。属于破坏性探测方法，工作效率低，并且有一定的危险性。而超前探测的核磁共振装置则系统装置复杂，受井下工频干扰严重，当超前探测的核磁共振装置工作时掘进机需停止工作并需一层一层向前激发，耗时时间长，工作效率低，浪费了人力和资源。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种采用双D型线圈核磁共振仪的随掘进机向巷道前方进行突水探测的方法。

将双D型线圈核磁共振仪固定到掘进机上，通过收发一体的固定大小对称的多匝双D型线圈4发射单一值的激发电流，当达到设定的发射时间停止发射。双D型线圈4将自动接收核磁共振信号。经过数据叠加处理与比较，确定继续掘进是否有危险。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

无论矿区的地质条件和采矿方法如何，当巷道前方岩层含水量超过35％时，继续掘进会存在危险，根据正演计算能够得到巷道前方含水量是否达到35％对应的核磁信号。由于核磁共振信号大小是和所测地区的含水量值成正比，所以在进行探测时，只需要将采集回来的核磁信号与含水量35％经过正演计算后的核磁信号大小进行比较，即能判断继续掘进是否安全。

在双D型线圈4中通以固定方向的激发电流I，左右线圈中将产生激发磁场B1和B2，这两个激发磁场大小相等，方向相反。激发磁场B1和B2相应的将感应出核磁信号S1和S2，这两个信号也是大小相等，方向相反。当做数据采集时，需要接收核磁信号S1和S2，接收到的信号将不可避免的包含工频干扰噪声。工频干扰噪声在严格对称性的双D型线圈的左右线圈中是大小相等，方向相同的。采集回的信号是左右两个线圈中的采集信号的差值。由于核磁信号S1和S2大小相等、方向相反，使得到的有效数据比原核磁信号大一倍，有效地提高了探测能力。而左右线圈中的工频干扰噪声大小相等、方向相同，做差值将相互抵消，有效的抑制了噪声，提高了信噪比。

在测量之前，结合当地的地质条件，采矿方法以及井下巷道的大小来确定随掘进探测的双D型线圈的直径，不同的线圈直径探测深度不同。再根据核磁共振探测仪的技术指标，确定发射电流和发射时间，进而获得发射脉冲距，发射脉冲距的大小直接影响了探测深度。当确定了线圈直径及发射脉冲距，就确定了探测距离，从而实现随掘进前方有否突水的探测。

双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法，包括以下步骤：

a、将双D型线圈核磁共振仪2固定在掘进机1的操作台上；

b、根据巷道直径确定双D型线圈4的直径，将选定直径的双D型线圈4垂直竖立在掘进机操作台前方的垂直面上；

c、在仪器操作面板3上输入探测地点；

d、用磁力仪测取当地磁场，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

e、通过探测仪操作面板3将拉莫尔频率和发射脉冲距输入给双D型线圈核磁共振仪2；

f、参数设置完成后掘进机开始掘进，同时双D型线圈核磁共振仪2根据设置的参数开始工作，依据发射脉冲距确定探测距离；

g、在双D型线圈4中产生激发电流，双D型线圈核磁共振仪2自动进行发射和采集状态的切换，为提高测量精度双D型线圈核磁共振仪2自动将采集到的核磁信号进行多次叠加处理；

h、以岩层中含水量n(r)为35％作为可发生突水参数，通过核磁共振信号表达式：

其中，q＝I₀τ是脉冲矩，电流强度I₀与发射时间τ的乘积；x是超前探测距离；ω_L是Larmor角频率；M₀是净磁化强度；γ_P是氢质子的磁化率；B^⊥是发射场或接收场垂直于地磁场方向的分量；ζ是发射场或接收场的初始相位；n是含水量分布0≤n≤1。

正演得到核磁共振标定信号E₀，以E₀作为判断突水参照信号，

i、将叠加处理后的核磁共振信号与标定信号E₀进行比较，叠加处理后的核磁共振信号小于标定信号E₀，则没有危险存在，掘进机和双D型线圈核磁共振仪2继续工作；叠加处理后的核磁共振信号大于标定信号E₀，则得到有危险的信息，双D型线圈核磁共振仪2将发出报警信号，此时掘进机停止工作。

有益效果：采用双D型线圈核磁共振仪突水探测方法进行巷道内突水探测，提高了线圈探测能力及信噪比。在双D型线圈中通以固定方向的激发电流I，左右线圈中将产生激发磁场B1和B2，这两个激发磁场大小相等，方向相反。激发磁场B1和B2相应的将感应出核磁信号S1和S2，这两个信号也是大小相等，方向相反。当做数据采集时，需要接收核磁共振信号S1和S2，接收到的信号将不可避免的包含工频干扰噪声。工频干扰噪声在严格对称性的双D型线圈的左右线圈中是大小相等，方向相同的。采集回数据是左右两个线圈中的采集信号的差值。由于核磁信号S1和S2大小相等、方向相反，使得到的有效数据比原核磁信号大一倍，有效地提高了线圈探测能力。而左右线圈中的工频干扰噪声大小相等、方向相同，做差值将相互抵消，有效的抑制了噪声，提高了信噪比。

采用随掘进机向巷道前方突水探测，实现了定距离的突水探测，不需要停止掘进，连续探测，提高了探测效率和掘进效率。够实时准确的直接报出掘进前方是否有危险的预警，降低了因突水给矿工带来的生命危险和财产损失。

附图说明

图1双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道布置图。

图2双D型线圈核磁共振仪操作面板3功能键布置图。

图3双D型线圈核磁共振仪发射线圈和接收线圈工作原理图。

1掘进机，2双D型线圈核磁共振仪，3探测仪操作面板，4双D型线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法无论矿区的地质条件和采矿方法如何，当巷道前方含水量超过35％时，继续掘进会存在危险，根据正演计算可以得到巷道前方安全含水量35％对应的核磁信号大小。由于仪器探测的核磁信号大小是和所测地区的含水量值成正比，所以在进行探测时，只需要将采集回来的核磁信号与含水量35％经过正演计算后的核磁信号大小进行比较，即可确定是否可以继续掘进。

在测量之前，根据各个矿区的不同开发利用方案，结合当地的地质条件，采矿方法以及井下巷道的大小来确定进行随进式探测的双D型线圈的直径。不同的线圈直径影响了探测深度。再根据核磁共振探测仪硬件上的限制条件，来确定发射电流及发射时间，来得到发射脉冲距，发射脉冲距的大小也影响了探测深度。当确定了线圈直径及发射脉冲距，就确定了探测距离，从而实现随掘进机向巷道前方进行突水探测。

双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法，包括以下步骤：

a、将双D型线圈核磁共振仪2固定在掘进机1的操作台上；

b、根据巷道直径确定双D型线圈4的直径，将选定直径的双D型线圈4垂直竖立在掘进机操作台前方的垂直面上；

c、在仪器操作面板3上输入探测地点；

d、用磁力仪测取当地磁场，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

e、通过探测仪操作面板3将拉莫尔频率和发射脉冲距输入给双D型线圈核磁共振仪2；

f、参数设置完成后掘进机开始掘进，同时双D型线圈核磁共振仪2根据设置的参数开始工作，依据发射脉冲距确定探测距离；

g、在双D型线圈4中产生激发电流，双D型线圈核磁共振仪2自动进行发射和采集状态的切换，为提高测量精度双D型线圈核磁共振仪2自动将采集到的核磁信号进行多次叠加处理；

h、以岩层中含水量n(r)为35％作为可发生突水参数，通过核磁共振信号表达式：

其中，q＝I₀τ是脉冲矩，电流强度I₀与发射时间τ的乘积；x是超前探测距离；ω_L是Larmor角频率；M₀是净磁化强度，γ_P是氢质子的磁化率，B^⊥是发射场或接收场垂直于地磁场方向的分量；ζ是发射场或接收场的初始相位；n是含水量分布0≤n≤1。

正演得到核磁共振标定信号E₀，以E₀作为判断突水参照信号；

i、将叠加处理后的核磁共振信号与标定信号E₀进行比较，叠加处理后的核磁共振信号小于标定信号E₀，则没有危险存在，掘进机和双D型线圈核磁共振仪2继续工作；叠加处理后的核磁共振信号大于标定信号E₀，则得到有危险的信息，双D型线圈核磁共振仪2将发出报警信号，此时掘进机停止工作。

实施例1

在东北某矿区的实地试验，测量之前，根据矿区的开发利用方案，结合当地的地质条件，采矿方法以及井下巷道的大小来确定进行随进式探测的双D型线圈的直径，不同的线圈直径影响了探测深度，本试验中采用200匝、2m直径双D型线圈；根据核磁共振探测仪的技术指标，确定发射电流I₀＝50A，发射时间τ＝40ms，经q＝I₀·τ计算得到发射脉冲距q＝2A·S；以岩层含水量n(r)达到35％时为判断可能有突水发生的参考值，当巷道前方含水量超过35％时，继续掘进会存在危险。

通过核磁信号表达式：

其中，q＝I₀τ是脉冲矩，电流强度I₀与持续时间τ的乘积；x是超前探测距离；ω_L是Larmor角频率；M₀是净磁化强度，γ_P是氢质子的磁化率，B^⊥是发射场或接收场垂直于地磁场方向的分量；ζ是发射场或接收场的初始相位；n是含水量分布0≤n≤1。

计算得到本试验的探测距离为20m～30m，核磁信号E₀值为2nV作为核磁共振仪器的标定信号。由于仪器探测的核磁信号大小是和所测地区的含水量值成正比，所以在进行探测时，只需要将采集回来的核磁信号与核磁信号标定值E₀进行比较，即可确定是否可以继续掘进。

双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测具体探测方法：

a：将双D型线圈核磁共振仪2固定到掘进机1的操作台上；

b：将选定直径的双D型线圈4垂直竖立在掘进机操作台前方；

c：在仪器操作面板3上输入探测地点；

d：用磁力仪测取当地磁场，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

e：通过探测仪操作面板3将拉莫尔频率和发射脉冲矩输入给双D型线圈核磁共振仪2；

f：参数设置完成后掘进机开始掘进，同时双D型线圈核磁共振仪2根据设置的参数开始工作；

g：在双D型线圈4中产生激发电流I₀=50A。双D型线圈核磁共振仪2自动进行发射和采集状态的切换，为了提高测量精度双D型线圈核磁共振仪2自动将采集到的核磁信号进行多次叠加处理；

h：岩层中含水量n(r)为35％时，通过核磁信号表达式：

得到核磁信号E₀，此核磁信号E₀作为核磁仪器的标定信号；

i：掘进开始的5米内测得的核磁共振信号经叠加处理后E₀＝1.8nV，小于标定信号E₀＝2nV，则没有危险存在，掘进机和双D型线圈核磁共振仪2继续工作。当继续向前掘进60米，掘进前方30米处采集到的核磁共振信号经叠加处理后的核磁共振信号为E₀＝2.5nV，大于标定信号E₀＝2nV，则得到有危险的信息，双D型线圈核磁共振仪2发出报警信号，此时掘进机停止工作。

Claims (1)

1.一种双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法，包括以下步骤：

a、将双D型线圈核磁共振仪(2)固定在掘进机(1)的操作台上；

b、根据巷道直径确定双D型线圈(4)的直径，将选定直径的双D型线圈(4)垂直竖立在掘进机操作台前方；

c、在仪器操作面板(3)上输入探测地点；

d、用磁力仪测取当地磁场，通过f_L(Hz)＝0.04258*B₀(nT)换算出拉莫尔频率；

e、通过探测仪操作面板(3)将拉莫尔频率和发射脉冲距输入给双D型线圈核磁共振仪(2)；

f、参数设置完成后掘进机开始掘进，同时双D型线圈核磁共振仪(2)根据设置的参数开始工作，依据发射脉冲距确定探测距离；

g、在双D型线圈(4)中产生激发电流，双D型线圈核磁共振仪(2)自动进行发射和采集状态的切换，为提高测量精度双D型线圈核磁共振仪(2)自动将采集到的核磁信号进行多次叠加处理；

h、以岩层中含水量n(r)35％作为可发生突水参数，通过核磁共振信号表达式：

式中，q＝I₀τ是脉冲矩，电流强度I₀与发射时间τ的乘积；x是超前探测距离；ω_L是Larmor角频率；M₀是净磁化强度，γ_P是氢质子的磁化率，B^⊥是发射场或接收场垂直于地磁场方向的分量；ζ是发射场或接收场的初始相位；n是含水量分布0≤n≤1；

i、将叠加处理后的核磁共振信号与标定信号E₀进行比较，叠加处理后的核磁共振信号小于标定信号E₀，则没有危险存在，掘进机和双D型线圈核磁共振仪2继续工作；叠加处理后的核磁共振信号大于标定信号E₀，则得到有危险的信息，双D型线圈核磁共振仪(2)发出报警信号，此时掘进机停止工作。

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