CN104199114A - 一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，包括如下步骤：S1.利用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布，在此基础上，利用有限元方法获得激发磁场的分布，进行地下介质电性分布的核磁共振正演；S2.根据实测数据取得核磁共振的初始振幅，利用瞬变电磁电阻率确定地下含水率分布初始值，在此基础上，进行核磁共振反演，获取地下含水率分布。本发明通过瞬变电磁与核磁共振联合解释技术，提高了传统核磁解释方法的准确性，实现了隧道超前预报对掌子面前方水体灾害以及含水量大小的预报。

Description

一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术

技术领域

本发明涉及一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术。

背景技术

近年来，随着国民经济的发展，我国加大了对基础设施建设的支持力度，特别是随着西部开发进程的深入，在道路(公路、铁路)、水利水电、矿产开发等的施工中往往要遇到一些埋深大、长度大的隧道。在设计阶段，有关这些隧道的地质资料都是在地表获得的。受地表覆盖层或地质条件的影响和地表方法技术、成本的限制，这些资料往往与实际情况有很大的误差，不能反映一些较细的地质情况。导致在隧道施工中将可能面临诸多地质灾害，如突水突泥、岩爆、塌方、瓦斯突出等。其中突(涌)水、突(涌)泥灾害是隧道施工中的主要地质灾害之一，在国内外隧道特大事故中，突(涌)水、突(涌)泥灾害在死亡人数和发生次数上均居于前列，成为制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题，给隧道施工带来了严重的安全问题和经济损失，并极易诱发次生地质灾害和生态环境问题。因此，隧道掌子面前方含水地质构造的超前探测已经成为亟待研究和解决的重要工程科技难题。

目前国内常用的隧道含水构造的超前预报方法可分为地质分析法和地球物理方法。地质分析法主要包括超前导洞(坑)法、超前水平钻孔法、工程地质调查法等，其优点是灵活而可靠：可以根据需要探测和了解隧道开挖前方几米、几十米甚至上百米范围内围岩的工程地质情况；可以通过岩芯观察和分析对隧道开挖前方的断层破碎带等含水构造进行准确定位；可以通过钻孔等方法对水体进行及时排除。地质分析法的主要缺点是人为因素影响大、工作效率低而所需成本高，有时与隧道施工冲突而影响施工进度。当遇到水体、瓦斯突出或其他灾害时，可能会造成仪器、人身的重大意外损失。钻孔方法所能达到的探测区域有限，一般不能形成“面”或“体”的概念。地球物理方法主要包括地震反射波探测法、地质雷达探测法、瞬变电磁法、激发极化法等。地震波法一般是在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发，接收波阻抗界面产生反射波而推断前方地质构造。其主要缺点是成本较高，且需要外力激发，有可能诱发地质灾害。地质雷达探测是利用不同岩体的波阻抗的不同和分界面对电磁波的反射原理对探测目标体进行成像，该方法能十分清楚地显现探测面前方一定范围内的岩石、空洞、水体等不均匀体的分布情况和岩性变化情况。该方法是一种无损探测，不足之处在于超前探测的距离不大，总的来说该方法进行超前探测的距离一般不大于30m，以15m以内效果最好。瞬变电磁法具有仅测量二次场、对低阻体敏感的特点，但分辨能力欠佳，一般要求异常体埋深不超过其规模的两倍。激发极化法对含水构造的电阻率参数有较好的识别度，且其半衰时参数与含水率有直接相关关系，但难以准确圈定含水体位置和评价含水量。应当指出的是，这些地球物理方法的探测目标均为可含水构造或者物性异常带，而非直接寻找水体。

核磁共振方法是一种可直接探测水体的地球物理方法，它利用人工激发的电磁场使地下氢原子的宏观磁矩产生扳倒角，在断开电流之后，宏观磁矩在地磁场的作用下产生旋进运动，其频率为氢核所特有。用铺设在地面的线圈接收宏观磁矩产生的进动信号，就可以探测水体的存在。但核磁共振只能给出含水率的空间变化，对于赋存介质的电阻率分布却很难有准确的描述，这是由于核磁共振发射的是单频电磁波，且接收的信号是水体中的氢原子旋进衰减过程中释放的电磁波，而非电磁感应衰减过程释放的电磁信号，而电性介质的分布情况会直接影响频率域电磁波的传播和分布。因而对电性介质分布的了解程度，直接影响着核磁共振探测的解释精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，提高磁共振探测的解释精度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，包括如下步骤：

S1、利用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布，在此基础上，利用有限元方法获得激发磁场的分布，进行地下介质电性分布的核磁共振正演；

S2、根据实测数据取得核磁共振的初始振幅，利用瞬变电磁电阻率确定地下含水率分布初始值，在此基础上，进行核磁共振反演，获取地下含水率分布。

作为优选，所述S1步骤中核磁共振正演的步骤为利用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布：依据等效导电平面理论有：

$\frac{\∂B_z\left(t\right)}{\∂t}=\frac{K}{S}F\left(\stackrel{\‾}{m}\right),K=\frac{6I}{a^2}---\left(1\right)$

其中，式中S为纵向电导，K为与发射接收有关的常数，I为发射电流大小，a为发射回线半径，F为一个与时间和电导都有关的函数；

F的表达式为：

$F\left(\stackrel{\‾}{m}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{m}}{{(1+4{\stackrel{\‾}{m}}^2)}^{3/2}},\stackrel{\‾}{m}=\frac{h}{a}+\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Sa}}---\left(2\right)$

其中h为薄板深度，t为接收时刻；

纵向电导S可以通过下式求得：

$S_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{KF}\left(\stackrel{\‾}{m}\right)}{\∂B_z\left(t\right)/\∂t}---\left(3\right)$

则电阻率ρ_τ(h)＝dh/dS，对应深度为 $H_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)={(m-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}})}^{1/3}{(\frac{9}{8}m-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}})}^{2/3}.$

作为优选，所述的有限元方法计算激发磁场分布的具体方法为：采用直立六面体剖分、线性插值获得刚度矩阵，采用稀疏矩阵存储方法存储刚度矩阵，对左端包含电性分布信息、右端包含源项信息的方程组进行求解即可求得激发磁场分布。

作为优选，所述步骤S1中核磁共振正演的初始振幅公式为：

$E_0\left(q\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{M}_0}{I}\∫B_{\⊥}\sin \left(\mathrm{\γ}\frac{B_{\⊥}}{I}q\right)n\left(r\right)\mathrm{dv}---\left(3\right)$

其中，式中E₀为自由衰减信号的初始振幅，ω₀为当地的拉莫尔频率，M₀为质子磁矩，I为发射电流，γ为质子磁旋比，n为某点处的含水率，q为发射脉冲距，B_⊥为激发磁场垂直于地磁场的分量。

作为优选，所述S2步骤中核磁共振反演的步骤为：

S21、根据实测数据取得核磁共振的初始振幅；

S22、根据瞬变电磁电阻率确定地下含水率分布初始值，岩层电阻率大小与含水状况具有一定相关性，根据电阻率大小来初步推测岩层含水状况，从而给出一个较理想含水状况反演初值，可以减少反演迭代次数，提高计算效率，假设含水岩层电阻率限定在一定范围，且含水率与岩层电阻率假设满足简单负线性关系，则只需添加含水岩体对应最小最大电阻率取值，即可为含水率反演赋初值。

S23、按照设定的研究尺度，将研究空间离散化为网格单元，各网格内部物性均匀分布。

作为优选，所述的S2步骤中核磁共振反演的初始振幅的公式为：

$E=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j{n}_j---\left(1\right)$

在多个脉冲距激发下，上式可以表示为矩阵形式的方程组：

Kn＝E    (2)

其中 $K=\left[\begin{array}{ccc}{K}_{11}& ..& K_{1N}\\ .& & .\\ .& & .\\ K_{M1}& ..& K_{\mathrm{MN}}\end{array}\right],$ M为发射脉冲矩的个数，N为剖分单元总个数；K_ij表示在第i个脉冲矩激发的条件下，第j个单元内产生的核磁共振初始振幅，n＝(n₁，n₂，......n_N)^T为划分的每个单元的含水率；E＝(E₁，E₂，......E_M)^T为脉冲距激发情况下地面核磁共振信号的大小，求解方程组(2)即可获得各单元含水率值。

本发明通过综合瞬变电磁和核磁共振探测技术进行联合解释，能够提供地下介质的电性分布和含水率分布，能够更好的给出掌子面前方水体灾害的详细信息。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本具体实施的一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，包括如下步骤：

S1、利用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布，在此基础上，利用有限元方法获得激发磁场的分布，进行地下介质电性分布的核磁共振正演；

S2、根据实测数据取得核磁共振的初始振幅，利用瞬变电磁电阻率确定地下含水率分布初始值，在此基础上，进行核磁共振反演，获取地下含水率分布。

所述S1步骤中核磁共振正演的步骤为利用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布：依据等效导电平面理论有：

$\frac{\∂B_z\left(t\right)}{\∂t}=\frac{K}{S}F\left(\stackrel{\‾}{m}\right),K=\frac{6I}{a^2}---\left(1\right)$

其中，式中S为纵向电导，K为与发射接收有关的常数，I为发射电流大小，a为发射回线半径，F为一个与时间和电导都有关的函数；

F的表达式为：

$F\left(\stackrel{\‾}{m}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{m}}{{(1+4{\stackrel{\‾}{m}}^2)}^{3/2}},\stackrel{\‾}{m}=\frac{h}{a}+\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Sa}}---\left(2\right)$

其中h为薄板深度，t为接收时刻；

纵向电导S可以通过下式求得：

$S_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{KF}\left(\stackrel{\‾}{m}\right)}{\∂B_z\left(t\right)/\∂t}---\left(3\right)$

则电阻率ρ_τ(h)＝dh/dS，对应深度为 $H_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)={(m-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}})}^{1/3}{(\frac{9}{8}m-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}})}^{2/3}.$

所述的有限元方法计算激发磁场分布的具体方法为：采用直立六面体剖分、线性插值获得刚度矩阵，采用稀疏矩阵存储方法存储刚度矩阵，对左端包含电性分布信息、右端包含源项信息的方程组进行求解即可求得激发磁场分布。

所述步骤S1中核磁共振正演的初始振幅公式为：

$E_0\left(q\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{M}_0}{I}\∫B_{\⊥}\sin \left(\mathrm{\γ}\frac{B_{\⊥}}{I}q\right)n\left(r\right)\mathrm{dv}---\left(3\right)$

其中，式中E₀为自由衰减信号的初始振幅，ω₀为当地的拉莫尔频率，M₀为质子磁矩，I为发射电流，γ为质子磁旋比，n为某点处的含水率，q为发射脉冲距，B_⊥为激发磁场垂直于地磁场的分量。

所述S2步骤中核磁共振反演的步骤为：

S21、根据实测数据取得核磁共振的初始振幅；

S22、根据瞬变电磁电阻率确定地下含水率分布初始值，岩层电阻率大小与含水状况具有一定相关性，根据电阻率大小来初步推测岩层含水状况，从而给出一个较理想含水状况反演初值，可以减少反演迭代次数，提高计算效率，假设含水岩层电阻率限定在一定范围，且含水率与岩层电阻率假设满足简单负线性关系，则只需添加含水岩体对应最小最大电阻率取值，即可为含水率反演赋初值。

S23、按照设定的研究尺度，将研究空间离散化为网格单元，各网格内部物性均匀分布。

所述的S2步骤中核磁共振反演的初始振幅的公式为：

$E=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j{n}_j---\left(1\right)$

在多个脉冲距激发下，上式可以表示为矩阵形式的方程组：

Kn＝E    (2)

其中 $K=\left[\begin{array}{ccc}{K}_{11}& ..& K_{1N}\\ .& & .\\ .& & .\\ K_{M1}& ..& K_{\mathrm{MN}}\end{array}\right],$ M为发射脉冲矩的个数，N为剖分单元总个数；K_ij表示在第i个脉冲矩激发的条件下，第j个单元内产生的核磁共振初始振幅，n＝(n₁，n₂，......n_N)^T为划分的每个单元的含水率；E＝(E₁，E₂，......E_M)^T为脉冲距激发情况下地面核磁共振信号的大小，求解方程组(2)即可获得各单元含水率值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用瞬变电磁纵向电导解释方法取地下电性分布，在此基础上，利用有限元方法获得激发磁场的分布，并实现地下介质电性分布的核磁共振正演；

S2、根据实测数据取得核磁共振的初始振幅，利用瞬变电磁给出的电阻率确定地下含水率分布初始值，在此基础上，进行核磁共振反演，获取地下含水率分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，其特征在于，所述S1步骤中核磁共振正演的步骤为利用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布：依据等效导电平面理论有：

$\frac{\∂B_z\left(t\right)}{\∂t}=\frac{K}{S}F\left(\stackrel{\‾}{m}\right),K=\frac{6I}{a^2}---\left(1\right)$

其中，式中S为纵向电导，K为与发射接收有关的常数，I为发射电流大小，a为发射回线半径，F为一个与时间和电导都有关的函数；F的表达式为：

$F\left(\stackrel{\‾}{m}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{m}}{{(1+4{\stackrel{\‾}{m}}^2)}^{3/2}},\stackrel{\‾}{m}=\frac{h}{a}+\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Sa}}---\left(2\right)$

其中h为薄板深度，t为接收时刻；

纵向电导S可以通过下式求得：

$S_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{KF}\left(\stackrel{\‾}{m}\right)}{\∂B_z\left(t\right)/\∂t}---\left(3\right)$ 则电阻率ρ_τ(h)＝dh/dS，对应深度为 $H_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)={(m-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}})}^{1/3}{(\frac{9}{8}m-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}})}^{2/3}.$

3.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，其特征在于，所述的有限元方法计算激发磁场分布的具体方法为：采用直立六面体剖分、线性插值获得刚度矩阵，采用稀疏矩阵存储方法存储刚度矩阵，对左端包含电性分布信息、右端包含源项信息的方程组进行求解即可求得激发磁场分布。

4.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，其特征在于，所述步骤S1中核磁共振正演的初始振幅公式为：

$E_0\left(q\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{M}_0}{I}\∫B_{\⊥}\sin \left(\mathrm{\γ}\frac{B_{\⊥}}{I}q\right)n\left(r\right)\mathrm{dv}---\left(3\right)$

其中，式中E₀为自由衰减信号的初始振幅，ω₀为当地的拉莫尔频率，M₀为质子磁矩，I为发射电流，γ为质子磁旋比，n为某点处的含水率，q为发射脉冲距，B_⊥为激发磁场垂直于地磁场的分量。

5.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，其特征在于，所述S2步骤中核磁共振反演的步骤为：

S21、根据实测数据取得核磁共振的初始振幅；

S22、根据瞬变电磁电阻率确定地下含水率分布初始值；

S23、按照设定的研究尺度，将研究空间离散化为网格单元，各网格内部物性均匀分布。

6.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁与核磁共振联合解释的隧道超前预报技术，其特征在于，所述的S2步骤中核磁共振反演的初始振幅的公式为：

$E=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j{n}_j---\left(1\right)$

在多个脉冲距激发下，上式可以表示为矩阵形式的方程组：

Kn＝E

        (2)

其中 $K=\left[\begin{array}{ccc}{K}_{11}& ..& K_{1N}\\ .& & .\\ .& & .\\ K_{M1}& ..& K_{\mathrm{MN}}\end{array}\right],$ M为发射脉冲矩的个数，N为剖分单元总个数；K_ij表示在第i个脉冲矩激发的条件下，第j个单元内产生的核磁共振初始振幅，n＝(n₁，n₂，......n_N)^T为划分的每个单元的含水率；E＝(E₁，E₂，......E_M)^T为脉冲距激发情况下地面核磁共振信号的大小。