CN103105627B - 地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其结构包括智能电极、屏蔽电极和电极自动控制装置。电极自动控制装置包括解码器、智能电极切换电路、智能电极开关电路、屏蔽电极开关电路。利用本发明，实现了对智能电极发射或接收功能的自动转换，控制智能电极按照用户定义的指令实现电极序列的自动切换，并能控制屏蔽电极的数目，从而实现聚焦层析激发极化的自动化程度高的发射与接收功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道或者坑道等地下工程中聚焦层析激发极化超前预报装置，具体地说是一种地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置。
背景技术
激发极化法作为一种重要的电磁勘探方法，以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。激发极化法是通过接收和分析各种异常体的激发极化效应来达到探测预报的目的。它有对隧道不良水体反映灵敏的特点，可用来预报工作面前方突水异常体情况，尤其可以预报隧道前方涌水量的情况。在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对隧道水体不良地质体的预报具有明显的效果。聚焦层析激发极化法是在聚焦电法的基础上，引入层析成像的概念，发展的一种新方法，可实现对隧道前方不良地质构造的层析成像，并能实现涌水量的估算，可以说，聚焦激发极化是目前所有超前探测方法中最有发展前景的方法之一。
聚焦层析激发极化法依靠屏蔽电极和主供电电极供电，测量电极接收地质体响应后的信号，来达到数据信号采集的目的，电极等测量装置的布置是影响聚焦层析激发极化法超前预报工作效率和预报精度的重要因素之一。聚焦层析激发极化法工作时需要在工作面周围打孔布置若干屏蔽电极，在工作面上打孔布置较多数量（20-40个）的测量电极，打如此多的电极孔，费时费工，严重影响施工；工作面上的电极在测量中既要作为供电电极向工作面供电，又要作为接收电极接收工作面的电压信号，需要在一个电极位置布置两个电极，一个铜电极作为供电电极，一个是不极化电极作为接收电极，增加了一倍电极孔和电极数量，且一般工作面断面较大，安装电极、连接电缆极为不便，须借助装载车，不易操作，危险系数较大且个别位置无法完成；且电极的测量跑极需要人工手动操作，操作不便、工作效率低下。
聚焦层析激发极化法，存在以下问题：①需要开发一种电极支撑体系，可以快速的安装供电电极与接收电极，且能够自动适应掌子面大小；②需要研发一种新型智能电极，能够实现供电电极与测量电极于一体，能够实现供电电极与测量电极的自动切换，且能够与岩石接触良好，避免在工作面上打孔；③需要研发供电与测量的自动控制装置，实现对电极的自动控制和切换，提高测量效率。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种集发射与接收于一体的智能电极，并能实现对智能电极自动化控制和切换，无须在工作面打孔，操作方面、自动化程度高的聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，包括智能电极、屏蔽电极、电极自动控制装置。智能电极固定在工作面上，屏蔽电极布置在工作面的周围发射屏蔽电流，在电极自动控制装置的控制下，控制智能电极的发射或接收功能切换，并控制智能电极按照用户定义的指令实现电极序列的自动切换，从而实现聚焦层析激发极化的自动化发射与接收功能。
所述电极自动控制装置包括解码器、智能电极切换电路、智能电极开关电路、屏蔽电极开关电路组成，解码器连接智能电极切换电路与智能电极开关电路，同时解码器连接屏蔽电极开关电路，在用户指令的控制下，控制智能电极切换电路实现智能电极的发射/接收功能转换，控制智能电极开关电路实现智能电极序列的跑极，控制屏蔽电极开关电路实现屏蔽电极的导通，实现屏蔽电极的供电电极数目的自动控制与智能电极发射/接收的智能转换，从而实现聚焦层析激发极化法的自动化探测。
所述智能电极包括电极外壳、铜电极、铜电极导向架、硫酸铜电解液、圆形磁铁、磁场线圈和不极化电极接触块，铜电极的一端穿过电极外壳下端的不极化电极接触块，铜电极的另一端连接圆形磁铁，圆形磁铁的上部为磁场线圈，通过控制磁场线圈电流的方向，磁场线圈产生与圆形磁铁极性相同或相反的磁场，实现铜电极的上下切换；当磁场线圈产生的磁性与圆形磁铁相异时，圆形磁铁拉动铜电极向磁场线圈移动，铜电极的另一端收缩到不极化电极接触块的内部，不极化电极接触块与围岩接触，实现不极化电极接收功能；当磁场线圈产生的磁性与圆形磁铁相同时，圆形磁铁推动铜电极背离磁场线圈移动，铜电极的另一端伸出不极化电极接触块与围岩接触，实现供电电极供电功能。
电极外壳采用高强PVC材料，为中空的圆柱状，内部充满硫酸铜电解液，电极外壳的下端采用疏松多孔的陶瓷材料制作的不极化电极接触块，当不极化电极接触块与围岩接触时，可以实现不极化电极接收功能；不极化电极接触块中间有圆形孔并设有防漏圆管，且智能电极的上部设置有铜电极导向架，铜电极导向架为中间带有圆孔的PVC板，既防止硫酸铜电解液污染智能电极上方电路，又可以对铜电极起到导向作用，保证铜电极可以自由移动，从而实现智能电极发射/接收功能的转换。
所述智能电极切换电路与智能电极的磁场线圈连接，包括继电器开关和极性转换电路，在解码器控制下，控制电流方向的变化进而控制智能电极磁场线圈产生磁场的方向，推动智能电极的铜电极运动，实现智能电极发射/接收功能转换。
所述智能电极开关电路采用继电器开关，在解码器的控制下，实现智能电极与供电电极、接收电极的导通，可以智能的实现电极的导通，从而实现多个电极的自动跑极。
所述屏蔽电极开关电路主要由继电器电路组成，在解码器的控制下，控制屏蔽电极是否与屏蔽电流导通，实现屏蔽电极电极数目的自动调整。
所述屏蔽电极为自吸附屏蔽电极，自吸附屏蔽电极呈“品”字型，包括电极外壳、铜电极和吸附材料，铜电极底部尺寸大于顶部尺寸，底部设置有吸附材料，缩短了铜电极杆体的尺寸减轻自重，可以方面的将屏蔽电极固定到工作面上，同时可以有效的增大接触面积，降低接地电阻，提高屏蔽电极的供电效果；吸附材料采用导电胶，既可以将屏蔽电极粘结到工作面上，又能够较好的传导电流，屏蔽电极外壳采用PVC套管，可以避免隧道等地下工程复杂环境的绝缘保护，同时屏蔽电极外壳设置有接线插槽，可以方便的连接供电电缆，提高了工作效率。
所述地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置还包括电极导向轨，智能电极通过电极导向轨固定在工作面上，所述电极导向轨采用轻质高强的树脂材料，包括导轨杆、调整阀、刻度盘与固定卡。导轨杆上设置电极安装孔，每一个电极安装孔上安装一个电极，通过电极固定螺栓固定，可以快捷的固定智能电极；电极安装孔的两端各设置一个固定卡，通过弹簧卡槽安装在导轨杆侧面上，并可以通过按压实现固定卡的开/合；导轨杆上还设有调整阀，调整阀上设置有若干个调整孔，固定卡卡在调整孔中实现导轨杆与调整阀的固定，可以通过按压导轨杆上的固定卡，推动调整导轨杆穿入调整阀的长度，实现智能电极间距的任意调整，使得智能电极的安装数目可以调整，可以适应不同类型的工作面大小，同时导轨上可以设置有刻度盘，可以读出相邻两个智能电极的电极间距。
本发明的工作原理为，通过电极导向轨将智能电极固定在工作面上，屏蔽电极布置在工作面的周围发射屏蔽电流，在电极自动控制装置的控制下，控制智能电极的发射或接收功能切换，并控制智能电极按照用户定义的指令实现电极序列的自动切换，从而实现聚焦层析激发极化的自动化发射与接收功能。
本发明的有益效果是：
1>本发明通过解码器、多路继电器开关实现了电极自动控制，实现了对智能电极发射或接收功能的自动转换，并控制智能电极按照用户定义的指令实现电极序列的自动切换，并能控制屏蔽电极的数目，从而实现聚焦层析激发极化的自动化发射与接收功能。
2>本发明通过智能电极切换电路控制磁场线圈极性的变化，实现了发射电极与接收电极于一体，同一个电极既能作为供电电极又可以作为接收电极，同时设计了具有自吸附功能的屏蔽电极，极大的方便了测量操作，提高了工作效率。
3>本发明通过导轨杆和调节阀组成了电极导向轨，通过电极导向轨实现了智能电极的安装，实现电极间距的任意调整，使得智能电极的安装数目可以调整，可以适应不同类型的工作面大小。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是智能电极切换电路原理图。
图3是智能电极开关电路原理图。
图4是屏蔽电极开关电路原理图。
图5是智能电极结构示意图。
图6是智能电极剖面结构示意图。
图7是自吸附屏蔽电极剖面图。
图8是电极导向轨示意图。
其中，1、智能电极；2、自吸附屏蔽电极；3、电极控制解码器；4、智能电极切换电路；5、智能电极开关电路；6、屏蔽电极开关电路；7、第一继电器开关；8、极性转换电路；9、供电电极A；10、供电电极B；11、接收电极M；12、接收电极N；13、第二继电器开关；14、第三继电器开关；15、第四继电器开关；16、第五继电器开关；17、第六继电器开关；18、第一电极外壳；19、第一铜电极；20、铜电极导向架；21、硫酸铜电解液；22、圆形磁铁；23、磁场线圈；24、不极化电极接触块；25、防漏圆管；26、第二电极外壳；27、第二铜电极；28、吸附材料；29、导轨杆；30、调整阀；31、刻度盘；32、固定卡；33、电极安装孔；34、电极固定螺栓；35、调整孔。
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。
如图1所示，一种地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，主要包括：智能电极1、自吸附屏蔽电极2、电极自动控制装置、电极导向轨。智能电极1通过电极导向轨固定在工作面上，自吸附屏蔽电极2布置在工作面的周围发射屏蔽电流，在电极自动控制装置的控制下，控制智能电极1的发射或接收功能切换，并控制智能电极1按照用户定义的指令实现电极序列的自动切换，从而实现聚焦层析激发极化的自动化发射与接收功能。
所述电极自动控制装置包括电极控制解码器3、智能电极切换电路4、智能电极开关电路5、屏蔽电极开关电路6组成，电极控制解码器3连接智能电极切换电路4与智能电极开关电路5，同时电极控制解码器3连接屏蔽电极开关电路6，在用户指令的控制下，控制智能电极切换电路4实现智能电极1的发射/接收功能转换，控制智能电极开关电路5实现智能电极1序列的跑极，控制屏蔽电极开关电路6实现自吸附屏蔽电极2的导通，实现自吸附屏蔽电极2的供电电极数目的自动控制与智能电极1发射/接收的智能转换，从而实现聚焦层析激发极化法的自动化探测。
如图2所示，所述智能电极切换电路4与智能电极1的磁场线圈23连接，由第一继电器开关7、极性转换电路8组成，在电极控制解码器3控制下，控制电流方向的变化进而控制智能电极1的磁场线圈23产生磁场的方向，推动智能的电极铜电极运动，实现智能电极1发射/接收功能转换。
如图3所示，所述智能电极开关电路5采用第二继电器开关13、第三继电器开关14、第四继电器开关15、第五继电器开关16，在电极控制解码器3的控制下，实现智能电极1与供电电极A9、供电电极B10、接收电极M11、接收电极N12导通，可以智能的实现电极的导通，从而实现n个电极的自动跑极。
如图4所示，所述屏蔽电极开关电路6主要由第六继电器开关17组成，在电极控制解码器3的控制下，控制m个屏蔽电极是否与屏蔽电流导通，实现自吸附屏蔽电极2电极数目的自动调整。
如图5所示，所述智能电极1由第一电极外壳18、第一铜电极19、铜电极导向架20、硫酸铜电解液21、圆形磁铁22、磁场线圈23、不极化电极接触块24组成，第一铜电极19的一端穿过第一电极外壳18下端的不极化电极接触块24，第一铜电极19的另一端连接圆形磁铁22，圆形磁铁22的上部为磁场线圈23，通过磁场线圈23电流的方向，磁场线圈23产生与圆形磁铁22极性相同或相反的磁场，实现第一铜电极19的上下切换；当磁场线圈23产生的磁性与圆形磁铁22相异时，圆形磁铁22拉动第一铜电极19向磁场线圈23移动，第一铜电极19的另一端收缩到不极化电极接触块24的内部，不极化电极接触块24与围岩接触，实现不极化电极接收功能；当磁场线圈23产生的磁性与圆形磁铁22相同时，圆形磁铁22推动第一铜电极19背离磁场线圈23移动，第一铜电极19的另一端伸出不极化电极接触块24与围岩接触，实现供电电极供电功能。
如图6所示，第一电极外壳18采用高强PVC材料，为中空的圆柱状，内部充满硫酸铜电解液21，第一电极外壳18的下端采用疏松多孔的陶瓷材料制作的不极化电极接触块24，当不极化电极接触块24与围岩接触时，可以实现不极化电极接收功能；不极化电极接触块24中间有圆形孔并设有防漏圆管25，且智能电极1的上部设置有铜电极导向架20，铜电极导向架20为中间带有圆孔的PVC板，既防止硫酸铜电解液21污染智能电极1上方电路，又可以对第一铜电极19起到导向作用，保证第一铜电极19可以自由移动，从而实现智能电极1发射/接收功能的转换。
如图7所示，所述自吸附屏蔽电极2呈“品”字型，由第二电极外壳26、第二铜电极27、吸附材料28组成，第二铜电极27底部尺寸大于顶部尺寸，底部设置有吸附材料28，缩短了第二铜电极27杆体的尺寸减轻自重，可以方面的将自吸附屏蔽电极2固定到工作面上，同时可以有效的增大接触面积，降低接地电阻，提高自吸附屏蔽电极2的供电效果；吸附材料28采用导电胶，既可以将自吸附屏蔽电极2粘结到工作面上，又能够较好的传导电流，自吸附屏蔽电极2外壳采用PVC套管，可以避免隧道等地下工程复杂环境的绝缘保护，同时自吸附屏蔽电极2外壳设置有接线插槽，可以方便的连接供电电缆，提高了工作效率。
如图8所示，所述电极导向轨采用轻质高强的树脂材料，由导轨杆29、调整阀30、刻度盘31与固定卡32组成。导轨杆29横截面为长方形，导轨杆29中部设置电极安装孔33，每一个电极安装孔33上安装一个电极，通过电极固定螺栓34固定，可以快捷的固定智能电极1；电极安装孔33的两端各设置一个楔形固定卡32，通过弹簧卡槽安装在导轨杆29侧面上，并可以通过按压实现固定卡32的开/合；导轨杆29上还设有调整阀30，调整阀30上设置有9个调整孔35，固定卡32卡在调整孔35中实现导轨杆29与调整阀30的固定，可以通过按压导轨杆29上的固定卡32，推动调整导轨杆29穿入调整阀30的长度，实现电极间距的任意调整，使得智能电极1的安装数目可以调整，可以适应不同类型的工作面大小，同时导轨上设置有刻度盘31，可以读出相邻电极的电极间距。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，包括智能电极、屏蔽电极、电极自动控制装置；智能电极固定在工作面上，屏蔽电极布置在工作面的周围发射屏蔽电流，在电极自动控制装置的控制下，控制智能电极的发射或接收功能切换，并控制智能电极按照用户定义的指令实现电极序列的自动切换，从而实现聚焦层析激发极化的自动化发射与接收功能；
所述电极自动控制装置包括解码器、智能电极切换电路、智能电极开关电路、屏蔽电极开关电路组成，解码器连接智能电极切换电路与智能电极开关电路，同时解码器连接屏蔽电极开关电路，在用户指令的控制下，控制智能电极切换电路实现智能电极的发射/接收功能转换，控制智能电极开关电路实现智能电极序列的跑极，控制屏蔽电极开关电路实现屏蔽电极的导通，实现屏蔽电极的供电电极数目的自动控制与智能电极发射/接收的智能转换，从而实现聚焦层析激发极化法的自动化探测。
2.如权利要求1所述的地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，所述智能电极包括电极外壳、铜电极、铜电极导向架、硫酸铜电解液、圆形磁铁、磁场线圈和不极化电极接触块，铜电极的一端穿过电极外壳下端的不极化电极接触块，铜电极的另一端连接圆形磁铁，圆形磁铁的上部为磁场线圈，通过磁场线圈电流的方向，磁场线圈产生与圆形磁铁极性相同或相反的磁场，实现铜电极的上下切换；当磁场线圈产生的磁性与圆形磁铁相异时，圆形磁铁拉动铜电极向磁场线圈移动，铜电极的另一端收缩到不极化电极接触块的内部，不极化电极接触块与围岩接触，实现不极化电极接收功能；当磁场线圈产生的磁性与圆形磁铁相同时，圆形磁铁推动铜电极背离磁场线圈移动，铜电极的另一端伸出不极化电极接触块与围岩接触，实现供电电极供电功能；
电极外壳采用PVC材料，为中空的圆柱状，内部充满硫酸铜电解液，电极外壳的下端采用疏松多孔的陶瓷材料制作的不极化电极接触块，当不极化电极接触块与围岩接触时，能够实现不极化电极接收功能；不极化电极接触块中间有圆形孔并设有防漏圆管，且智能电极的上部设置有铜电极导向架，铜电极导向架为中间带有圆孔的PVC板，既防止硫酸铜电解液污染智能电极上方电路，又能够对铜电极起到导向作用，保证铜电极能够自由移动，从而实现智能电极发射/接收功能的转换。
3.如权利要求2所述的地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，所述智能电极切换电路与智能电极的磁场线圈连接，包括继电器开关和极性转换电路，在解码器控制下，控制电流方向的变化进而控制智能电极磁场线圈产生磁场的方向，推动智能电极的铜电极运动，实现智能电极发射/接收功能转换。
4.如权利要求1所述的地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，所述智能电极开关电路采用继电器开关，在解码器的控制下，实现智能电极与供电电极、接收电极的导通。
5.如权利要求1所述的地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，所述屏蔽电极开关电路主要由继电器电路组成，在解码器的控制下，控制屏蔽电极是否与屏蔽电流导通。
6.如权利要求1所述的地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，所述屏蔽电极为自吸附屏蔽电极，自吸附屏蔽电极呈品字型，包括电极外壳、铜电极和吸附材料，铜电极底部尺寸大于顶部尺寸，底部设置有吸附材料。
7.如权利要求1所述的地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置，其特征是，所述地下工程聚焦层析激发极化法超前预报发射与测量装置还包括电极导向轨，智能电极通过电极导向轨固定在工作面上，所述电极导向轨采用树脂材料，包括导轨杆、调整阀、刻度盘与固定卡；导轨杆上设置电极安装孔，电极安装孔上安装电极，通过电极固定螺栓固定；电极安装孔的两端各设置一个固定卡，通过弹簧卡槽安装在导轨杆侧面上；导轨杆上还设有调整阀，调整阀上设置有若干个调整孔，固定卡卡在调整孔中实现导轨杆与调整阀的固定。
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