CN105044791A - 一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置及方法，该方法将钻进中的钻头作为供电电极A放置于孔中，工作面上布置三维阵列测量电极，电极N、电极B布置于工作面后方，随钻机钻进实时测量数据并实时三维反演成像，实现工作面前方不良地质的三维精细化实时成像探测。该方法可随钻实时测量不干扰钻进施工，供电电极位于钻孔中可避免隧道后方金属体等干扰，创造性的将钻头同时作为供电电极，对超前钻机改动较小，提高了孔中激发极化探查的探测精度与工作效率。

Description

一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置及方法

技术领域

本发明涉及一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置及方法。

背景技术

隧道不良地质的探查对于预防隧道施工灾害具有重要的作用，由于激发极化法对水构造等突涌水灾害源反映敏感，被广泛用于隧道灾害源探测。对于隧道施工风险相对较低的常规段落，通常采用普通的激发极化探测方式，供电与测量电极布置在工作面或者边墙，在较理想的探测条件下可实现隧道工作面前方的突涌水灾害源等不良地质的探查。激发极化最为电法探测方法，受体积效应影响较大，随着勘探深度的增加，分辨率将快速下降，从而只能对浅层地质环境进行探测。同时，在复杂探测条件下易受到掌子没后方低阻干扰(如后方含水体或锚杆、钢拱架等金属体)，使得探测结果不准确而无法满足隧道复杂环境探查的工程需求。

目前对于复杂环境隧道探查情况，尤其是隧道突涌水高风险段落的探查，通常采用钻探方法。而普通的钻探方法以钻孔取芯方式进行探测，如果钻孔能够直接揭露不良地质体，其结果较为直观明了，但是如果所钻孔的位置不在不良地质体的赋存区，容易产生一孔之见的问题，仅能预报钻孔直接揭露的地质情况，容易造成对突涌水灾害源等不良地质的漏报，且无法对整个工作面进行三维的探查。

一种较好的解决思路是在钻孔中搭载孔中探测系统，通过孔中探测系统可以较好的解决单纯钻探方法“一孔之见”的问题。同时位于孔中的供电电极由于距离突涌水等灾害源较近，可以实现不良地质体的精细化探测，且避免了工作面附近金属设备的干扰，从而探测精度更高，目前钻孔探测的方法与技术主要有：[1]非随钻孔中电阻率探查方法：该方法将探测装置放入提前钻好的钻孔中，虽然采用阵列式的测量电极，但未实现随钻杆的实时探测功能，在实际探测中需要停止钻杆工作并将钻杆取出以便探测系统放入钻孔进行探测，将会耗费大量的时间，也无法获取前方三维的地质状况。[2]随钻孔中激发极化探查方法：该方法将探测系统通过套筒布设在钻杆上面，其中供电电极A、观测电极M和N以及辅助电极A1和A2均安装在套筒上，供电电极系统与测量电极系统呈线性布置，为一维的观测系统无法实现工作面前方不良地质的三维成像。同时，目前的随钻探查方式中钻杆高速旋转过程中套筒易损坏，且连接供电与测量电极的电缆在钻孔中也容易损坏，实际应用中效率较低。

因此，综上所述孔中激发极化探查技术主要面临的问题如下：

大部分的孔中激发极化无法实现随钻探测，探测需要在钻头推进结束后重新布设来探测，耗费大量时间；而已有的随钻激发极化方法，旋转套筒以及连接电缆易损坏，在实际应用中效率较低。

随钻与非随钻的孔中激发极化探测方法的供电与测量电极布设在孔中，属于一维的观测方式，无法实现三维反演成像。

在钻进过程中未进行实时的测量数据处理，仅能在钻孔施做完毕后给出探测结果，不能在钻进过程中实时显示探测结果。

其中，参考文件为：

[1]聂利超，隧道施工含水构造激发极化定量超前地质预报理论及其应用[山东大学博士论文][D]、济南：山东大学，2014.

[2]李术才，刘斌，王传武，等；隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置与方法[P]，中国：ZL201210583138.X。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置及方法，本发明可对隧道工作面前方地质情况做出三维成像，且可连续探测，效率高，精度准，实现了探测系统随钻测量、三维数据获取和实时反演成像的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，包括随钻供电系统、供电电极、钻头定位装置、三维阵列测量电极系统以及实时反演成像系统，其中，

所述随钻供电系统搭载于孔中的钻机钻进系统上，利用钻机钻进系统的钻头作为孔中激发极化供电电极，实现孔中激发极化随钻实时测量；

所述随钻供电系统，通过供电电极的连接电缆和旋转装置与控制器连接；

所述钻机钻进系统的钻头处设置有钻头定位装置，对钻头进行定位；

所述三维阵列测量电极系统布置在工作面上，接收钻头掘进过程中发射电流形成电场传输的电压信号，将测量的电极电压信号传输到控制器；

所述实时反演成像系统，设置在控制器上，根据控制器接收的钻头位置、三维阵列测量电极系统的电压信号进行实时的三维反演，实现随钻实时探查与三维成像。

所述随钻供电系统包括高强钻头、中空钻杆与双侧绝缘连接装置，高强钻头作为探测中的供电电极A，钻头尾部装有快速接头与置于钻杆内部的电缆连接，双侧绝缘连接装置中心有预留孔，连接高强钻头的电缆穿过绝缘装置的中心与控制器连接，连接装置两侧设计有螺纹，一侧连接高强钻头，另一侧连接中空钻杆，从而将金属的钻头与金属的钻杆隔开，实现孔中激发极化随钻实时测量。

所述供电电极的电缆位于中空钻杆的中间，在钻杆内部铺设到中空钻杆的后端，中空钻杆的后端侧面开有小孔并安装弹簧压片，弹簧压片与钻孔中的供电电极的电缆连接，同时在钻机支架上设计导电滑环，弹簧压片与导电滑环滑动连接，导电滑环通过电缆与控制器连接，从而实现在钻杆高速旋转模式下的供电电极电流的传输，使得孔中激发极化实时探测与钻机钻进施工同步进行。

所述钻头定位装置安装在钻机的支架上，包括转轴、定位磁环和感应器，连接仪器与导电滑环的电缆缠绕在转轴上，转轴随着钻头的钻进而转动，感应器感应转轴上的定位磁环，实现对钻头钻进的定位。

所述三维阵列测量电极系统包括若干个布置在工作面的电极，在探测过程中接收工作面的电压信号，通过电缆与控制器连接，并将测量的电极电压信号传输到控制器，三维阵列电极通过耦合材料快速安装在工作面上。

所述耦合材料为具有导电性能的快速硬化水泥，其成分及质量比为：快硬水泥：石墨：工业盐：水：膨润土＝5:1:1:2:1。

所述实时反演成像系统搭载在控制器上，控制器检测工作面的三维阵列测量电极的电压信号，实时反演成像系统将控制器测取的数据进行实时的三维反演，实现随钻实时探查与三维成像，并将结果实时显示。

基于所述的装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)将随钻供电系统搭载于孔中的钻机钻进系统上，连接供电电极、随钻供电系统和控制器，将钻头定位装置设置于钻头上；

(2)工作面上布置若干个三维阵列测量电极M，阵列电极围绕着掌子沿径向布置，形成三维阵列测量电极系统，电极通过导电的耦合材料快速安装在设计位置，每个测量电极通过多芯电缆连接到控制器，设置参考点位的电极N；

(3)随着钻机钻头掘进，通过钻头发射电流并形成电场，工作面上的阵列电极系接收电压信号，并通过多芯电缆传输到控制器；

(4)钻头每前进设定距离，搭载于仪器的实时反演成像系统对控制器采集的数据进行三维反演，将三维反演结果显示在控制器屏幕上。

所述步骤(2)中，将参考点位的电极N布置在工作面后方100m-150m范围的位置，将另一个供电电极B极布置在工作面后方200m-300m位置。

所述步骤(4)中，具体包括：

①钻机开始掘进设定距离后，将不同位置采集的数据送入实时反演成像系统，采用并行的三维反演方法进行迭代反演，输出钻进方向0到设定距离的三维成像结果I；

②钻机掘进至第二个设定距离时，以三维成像结果I的反演结果作为约束条件对第二设定距离钻进获取的数据进行约束反演，从而输出钻进方向两个设定距离内的三维成像结果；

③重复步骤②，直至钻机掘进到设计深度，从而输出整个钻孔深度的三维成像结果。

所述步骤(1)的具体方法为：将高强钻头、双面绝缘连接装置与中空钻杆依次旋紧连接，供电电缆布设在中空钻杆内部，供电电缆的一端与作为供电电极的金属钻头A连接，另一端连接钻杆尾端的弹簧压片连接，弹簧压片与固定在钻机支架上的导电滑环连接，最终通过电缆与控制器连接。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用搭载于钻机上的孔中激发极化进行探查，并设计了实时随钻的高强钻头与双侧绝缘连接装置，以钻机钻头作为供电电极且可随钻头钻进实时探查，实现了随钻孔中激发极化实时探查装置与方法，不需要钻机停机且不干扰钻进施工，极大的提高了探测效率；

(2)本发明将三维阵列测量电极沿径向布置在工作面上，突破了传统一维的观测模式，可以获取三维的观测数据，为工作面前方地质情况三维反演提供数据基础；同时利用导电耦合材料可以方便快速的布置在工作面上，提高了工作效率；

(3)本发明设计的供电电极电缆与旋转装置利用钻杆尾部的弹簧压片与导电圆环的滑动接触，解决了钻杆高速旋转而电缆不转的技术瓶颈，实现了孔中激发极化的随钻实时探查；

(4)本发明提出的孔中激发极化探查方法，采用前段探测结果对下一段约束的三维反演成像方法，实现了对工作面前方不良地质的三维精细化实时反演成像；

(5)本发明基于定位磁环设计了钻机钻头定位装置，可以实时获取钻头的位置，从而为阵列测量电极的数据归位提供钻孔深度依据；

(6)本发明提出的随钻实时三维孔中激发极化探查装置与方法，不干扰钻机钻进施工，极大的提高了工作效率，且可对工作面前方的不良地质情况实时三维反演成像，具有很好的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明的孔中激发极化探测装置的总体结构示意图；

图2是本发明的供电电极与测量电极观测装置示意图；

图3是本发明的供电系统系统示意图；

图4是本发明供电电缆与旋转装置结构示意图；

图5是本发明钻头作为供电电极定位装置示意图；

图6是本发明钻头作为供电电极定位装置示意图；

图7a是本发明溶洞三维反演结果示意图；

图7b是本发明溶洞三维提取结果示意图；

图7c是本发明水平切片结果示意图。

其中，1、隧道，2、围岩，3、电缆，4、现场主机，5、钻机，6、支架，7、导电滑环，8、钻杆，9、双侧绝缘螺母，10、钻头，11、工作面，12米字形测量电极M，13、供电电极A，14、中空钻杆，15、弹簧压片，16、绝缘台，17、钻机导轨，18、感应磁环，19、定位磁环，20、转轴，21、定位线轮，22、钻机固定架。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1为本探测方法与仪器安装结构示意图，主要由随钻供电系统、供电电极电缆3及其旋转装置、钻头10定位装置、三维阵列测量电极系、控制器以及实时反演成像系统组成。钻头10通过双侧绝缘装置与钻杆8连接，钻杆8与钻机5连接，导电滑环7固定于钻机支架6上面，电缆3的一端通过快速接头与钻头10连接，另一端与钻杆8尾部的弹簧压片15连接，弹簧压片15与导电滑环7连接，钻机5与现场主机4通过电缆3连接。

图2中的三维阵列测量系统由若干个布置在工作面11的电极系组成，在探测过程中接收工作面11的电压信号，通过多芯电缆3与控制器连接，并将测量的电极电压信号传输到控制器。三维阵列电极通过快速硬化水泥快速安装在工作面11上。

图3中随钻供电系统主要由高强金属钻头10、中空钻杆14与双侧绝缘连接装置组成。高强钻头10尾部装有快速接头与置于钻杆内部的电缆3连接，双侧绝缘螺母9的一侧螺纹连接高强钻头10，另一侧螺纹连接中空钻杆14的螺纹。

图4中供电电极电缆3及其旋转装置一端连接作为供电电极的高强钻头10，另一端通过导电滑环7连接控制器。连接电缆3位于中空钻杆14的中间，在钻杆内部铺设到钻杆的后端，与钻杆的后端的弹簧压片连接，弹簧压片15与导电滑环7滑动连接，导电滑环7通过电缆3与控制器连接。

图5中钻头10定位装置固定安装在钻机导轨17上，主要有轮轴20、定位磁环19、感应磁环18等组成。定位磁环19固定在定位线轮21上，感应磁环18固定在导轨上。随着钻杆旋转钻头10向前移动，供电电缆3带动定位线轮21转动，当定位磁环19转动到感应磁环18的位置，感应磁环18触发信号传输到主机，从而可实现对供电电极钻头10的定位，以便探测时可以记录不同位置供电时阵列测量电极的信号。

一种三维随钻激发极化精细化实时探查装置主要由随钻供电系统、供电电极电缆3及其旋转装置、钻头定位装置、三维阵列测量电极系统、控制器以及实时反演成像系统组成。随钻供电系统搭载于孔中的钻机钻进系统上，通过供电电极的连接电缆3以及旋转装置与控制器连接。三维阵列测量系统布置在工作面11获取三维的观测数据，通过实时反演成像系统实现工作面11前方不良地质体的三维实时精细化的探测。

随钻供电系统主要由高强金属钻头10、中空钻杆14与双侧绝缘连接装置组成。高强钻头作为探测中的供电电极，由高强金属构成，其主要成分为金刚石粉末和硬质合金，导电性良好，且与围岩2耦合较好。高强钻头10尾部装有快速接头与置于钻杆内部的电缆3连接，钻头10在探测过程中同时施作供电电极A13。

双侧绝缘连接装置由玻璃钢制成的，具有绝缘耐、高温、抗磨、抗震动、抗冲击的特性，其结构中心有预留孔，连接高强钻头10的电缆3可以穿过绝缘装置的中心与控制器连接，连接装置两侧设计有螺纹，一侧连接高强钻头10，另一侧连接中空钻杆14，从而将金属的钻头10与金属的钻杆隔开，从而实现利用钻头10作为孔中激发极化供电电极，进而实现孔中激发极化随钻实时测量的功能。

供电电极电缆3及其旋转装置一端连接作为供电电极的高强钻头10，另一端通过导电滑环7连接控制器。连接电缆3位于中空钻杆14的中间，在钻杆内部铺设到钻杆的后端。钻杆的后端侧面开有1个小孔并安装弹簧压片15，弹簧压片15与钻孔中的供电电极的电缆3连接，同时在钻机支架6上设计导电滑环7，弹簧压片15与导电滑环7滑动连接，导电滑环7通过电缆3与控制器连接，从而实现在钻杆高速旋转模式下的供电电极电流的传输，解决了电缆3与钻杆的不同步问题，使得孔中激发极化实时探测与钻机钻进施工同步进行。

钻头10定位装置安装在钻机5的支架6上，主要有转轴20、定位磁环19、感应器等组成。连接仪器与导电滑环7的电缆3缠绕在转轴20上，转轴20随着钻头10的钻进而转动，通道感应器感应转轴20上的感应磁环18，实现对钻头10钻进的定位。

三维阵列测量系统由若干个布置在工作面11的电极系组成，在探测过程中接收工作面11的电压信号，通过多芯电缆3与控制器连接，并将测量的电极电压信号传输到控制器。三维阵列电极可通过耦合材料快速安装在工作面11上，其中耦合材料为具有导电性能的快速硬化水泥，其主要成分及比例(质量)为：快硬水泥：石墨：工业盐：水：膨润土＝5:1:1:2:1可以在隧道1施工中快速的完成电极的布置，节约时间，缩短工期。

实时反演成像系统搭载在控制器上，控制器具有多通道采集功能，可在较短时间内测完布置在工作面11的三维阵列测量电极的电压信号，而实时反演成像系统将控制器测取的大量数据进行实时的三维反演，实现随钻实时探查与三维成像，并将结果实时显示。

以某隧道1为例，隧道1断面为拱形，隧道1断面为12m×8m，隧道1施工进行到里程YK15+488附近，为了探明前方地质情况，为施工提供依据和指导，采用三维随钻激发极化超前预报方法进行探测，步骤如下：

(1)将高强金属钻头、双面绝缘连接装置与中空钻杆14依次旋紧连接，供电电缆3布设在中空钻杆14内部，供电电缆3的一端与作为供电电极的金属钻头(A)连接，另一端连接钻杆尾端的弹簧压片15连接，弹簧压片15与固定在钻机支架6上的导电滑环7连接，最终通过电缆3与控制器连接。

(2)工作面11上布置16个三维阵列测量电极M，阵列电极围绕着掌子沿径向布置，电极通过导电的耦合材料快速安装在设计位置。每个测量电极通过多芯电缆3连接到控制器。

(3)将参考点位的电极N布置在工作面11后方120m范围的位置，将另一个供电电极B极布置在工作面11后方250m位置。

(4)随着钻机钻头掘进，通过钻头发射电流并形成电场，工作面11上的阵列电极系接收电压信号，并通过多芯电缆3传输到控制器。

(5)钻头每前进0、5m搭载于仪器的实时反演成像系统对控制器采集的数据进行三维反演，将三维反演结果显示在控制器屏幕上。具体方法为：

①钻机5开始掘进0、5m后，将不同位置采集的数据送入实时反演成像系统，采用并行的三维反演方法进行迭代反演，输出钻进方向0-0、5m的三维成像结果。

②钻机5掘进至1、0m时，以0-0、5m的反演结果作为约束条件对0、5m-1、0m钻进获取的数据进行约束反演，从而输出钻进方向0-1、0m的三维成像结果。

③重复步骤②，直至钻机5掘进到设计深度30m，从而输出整个钻孔深度30m范围内的三维成像结果，如图7a、图7b、图7c所示。

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 (10)

1.一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：包括随钻供电系统、供电电极、钻头定位装置、三维阵列测量电极系统以及实时反演成像系统，其中，

所述随钻供电系统搭载于孔中的钻机钻进系统上，利用钻机钻进系统的钻头作为孔中激发极化供电电极，实现孔中激发极化随钻实时测量；

所述随钻供电系统，通过供电电极的连接电缆和旋转装置与控制器连接；

所述钻机钻进系统的钻头处设置有钻头定位装置，对钻头进行定位；

所述三维阵列测量电极系统布置在工作面上，接收钻头掘进过程中发射电流形成电场传输的电压信号，将测量的电极电压信号传输到控制器；

所述实时反演成像系统，设置在控制器上，根据控制器接收的钻头位置、三维阵列测量电极系统的电压信号进行实时的三维反演，实现随钻实时探查与三维成像。

2.如权利要求1所述的一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：所述随钻供电系统包括高强钻头、中空钻杆与双侧绝缘连接装置，高强钻头作为探测中的供电电极A，钻头尾部装有快速接头与置于钻杆内部的电缆连接，双侧绝缘连接装置中心有预留孔，连接高强钻头的电缆穿过绝缘装置的中心与控制器连接，连接装置两侧设计有螺纹，一侧连接高强钻头，另一侧连接中空钻杆，从而将金属的钻头与金属的钻杆隔开，实现孔中激发极化随钻实时测量。

3.如权利要求1所述的一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：所述供电电极的电缆位于中空钻杆的中间，在钻杆内部铺设到中空钻杆的后端，中空钻杆的后端侧面开有小孔并安装弹簧压片，弹簧压片与钻孔中的供电电极的电缆连接，同时在钻机支架上设计导电滑环，弹簧压片与导电滑环滑动连接，导电滑环通过电缆与控制器连接，从而实现在钻杆高速旋转模式下的供电电极电流的传输，使得孔中激发极化实时探测与钻机钻进施工同步进行。

4.如权利要求1所述的一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：所述钻头定位装置安装在钻机的支架上，包括转轴、定位磁环和感应器，连接仪器与导电滑环的电缆缠绕在转轴上，转轴随着钻头的钻进而转动，感应器感应转轴上的定位磁环，实现对钻头钻进的定位。

5.如权利要求1所述的一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：所述三维阵列测量电极系统包括若干个布置在工作面的电极，在探测过程中接收工作面的电压信号，通过电缆与控制器连接，并将测量的电极电压信号传输到控制器，三维阵列电极通过耦合材料快速安装在工作面上。

6.如权利要求5所述的一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：所述耦合材料为具有导电性能的快速硬化水泥，其成分及质量比为：快硬水泥：石墨：工业盐：水：膨润土＝5:1:1:2:1。

7.如权利要求1所述的一种三维随钻激发极化岩体精细成像装置，其特征是：所述实时反演成像系统搭载在控制器上，控制器检测工作面的三维阵列测量电极的电压信号，实时反演成像系统将控制器测取的数据进行实时的三维反演，实现随钻实时探查与三维成像，并将结果实时显示。

8.基于如权利要求1-7中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将随钻供电系统搭载于孔中的钻机钻进系统上，连接供电电极、随钻供电系统和控制器，将钻头定位装置设置于钻头上；

(2)工作面上布置若干个三维阵列测量电极M，阵列电极围绕着掌子沿径向布置，形成三维阵列测量电极系统，电极通过导电的耦合材料快速安装在设计位置，每个测量电极通过多芯电缆连接到控制器，设置参考点位的电极N；

(3)随着钻机钻头掘进，通过钻头发射电流并形成电场，工作面上的阵列电极系接收电压信号，并通过多芯电缆传输到控制器；

(4)钻头每前进设定距离，搭载于仪器的实时反演成像系统对控制器采集的数据进行三维反演，将三维反演结果显示在控制器屏幕上。

9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，将参考点位的电极N布置在工作面后方100m-150m范围的位置，将另一个供电电极B极布置在工作面后方200m-300m位置。

10.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体包括：

①钻机开始掘进设定距离后，将不同位置采集的数据送入实时反演成像系统，采用并行的三维反演方法进行迭代反演，输出钻进方向0到设定距离的三维成像结果I；

②钻机掘进至第二个设定距离时，以三维成像结果I的反演结果作为约束条件对第二设定距离钻进获取的数据进行约束反演，从而输出钻进方向两个设定距离内的三维成像结果；

③重复步骤②，直至钻机掘进到设计深度，从而输出整个钻孔深度的三维成像结果。