CN106291724B - 一种用于地下核磁共振探水的发射/接收线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下核磁共振探水的发射/接收线圈，它包括固定轴（1）、中心支架（2）、电磁感应线圈（3）、Y型架（4）、球面装置（5）和张闭装置（6）；固定轴（1）的前端连接球面装置（5）的球头（12），球面装置（5）的球窝（13）外壁固定有发散的Y型架（4），Y型架（4）的顶端固定连接在方形的中心支架（2）的交角上，四个张闭装置（6）布置于中心支架（2）的四边上，电磁感应线圈（3）沿张闭装置（6）的边绕制。本发明的优点是：增加了地下预报探水的测试深度。

Description

一种用于地下核磁共振探水的发射/接收线圈

技术领域

本发明属于地下工程超前地质预报的技术领域，具体涉及一种用于地下核磁共振探水的发射/接收线圈。

背景技术

目前我国已经成为世界上隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家。随着我国基础设施建设进程的加快，在交通、水利水电及矿产资源开发等领域还将会修建更多的长大隧道、隧洞等地下工程。这些隧道工程普遍具有埋深大、洞线长、水文地质条件复杂等显著特点，加之施工前期的地质勘查工作难以查清隧洞沿线的水文地质条件，导致在隧道施工中将面临诸多地质灾害，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。

隧道施工地质超前预报研究的主要任务就是探测隧道施工掌子面前方不良地质体的分布，目前主要探测手段直接钻探法、地震波法、高密度电法、地质雷达法和核磁共振法。直接钻探法最能反映掌子面前方围岩含水情况，但存在造价高，且只针对单个探水区域，耗时非常长的缺点；地震波法所需仪器精度高，预报里程长，但预测时作业区需要较好的围岩，如果作业区围岩不好，精度将大大降低；高密度电法测试需较大测试面积，对于地下隧道而言，预报里程非常短；地质雷达法根据天线频率，一般测试30m左右，但受到外界地磁波干扰且需较干燥环境，无法准确预测含水区深度。因而，开发更准确高效的超前地质预报探水设备及方法具有重要意义。

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和弛豫时间等参数得到地下含水层至发射、接收线圈的距离厚度和含水率，并估计出渗透率和导水系数，涌水量的大小的方法。

中国专利文献CN102819046A于2012年12月12日公开了一种双D型线圈核磁共振仪随掘进机巷道前方突水探测方法，它将核磁共振仪固定在掘进机的操作台上，根据所测核磁共振信号数据处理时预报巷道含水层，实现了定距离突水探测，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。但是该专利存在预报里程非常短的缺陷，核磁共振信号随着探测深度的增加，信号衰减严重，同时，隧道的断面尺寸受限，无法将线圈做得很大。而核磁共振探水设备的探测深度与线圈的直径有关，在地表探水时线圈不受限制，可以设置较大面积，而在地下探水线圈面积受隧道断面尺寸限制，能探测到的深度非常浅，这个问题在国际上公认为难题。

发明内容

针对地下核磁共振探水所面临的技术问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于地下核磁共振探水的发射/接收线圈，它能增加地下预报探水的测试深度。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的，它包括固定轴、中心支架、电磁感应线圈、Y型架、球面装置和张闭装置；固定轴的前端连接球面装置的球头，球面装置的球窝外壁固定有发散的Y型架，Y型架的顶端固定连接在方形的中心支架的交角上，四个张闭装置布置于中心支架的四边上，电磁感应线圈沿张闭装置的边绕制。

由于张闭装置可展开和闭合，内部的线圈就可以同时展开或收回，最大化满足隧道断面尺寸测试；固定轴顶端与Y型架通过球面装置连接，Y型架和线圈在球面装置下可以在半空间任意转动。核磁共振探水设备的接收线圈与所接收磁感应强度的垂直度决定了接收线圈信号的大小，根据电磁感应原理，接收线圈与磁感应强度垂直时，对应的核磁共振信号最大，探测含水区的深度相应为最大；另外，接收线圈的面积大小也影响电磁感应所得信号的大小，接收线圈的面积越大，获得的感应信号也越大。

隧道内掌子面围岩前方含水体未知，故隧道内磁感应强度最大方向也不清楚，而且受到施工器械等外界干扰。本发明利用球面装置调整线圈的方位，最终能找到接收线圈获得最强信号的方位角，同时在探测时，四个线圈可全部张闭分散开，增大了核磁共振信号发射和接受的面积，提高了核磁共振信号发射和接受的能量。因而，本发明的优点是：增加了地下预报探水的测试深度。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构示意图；

图2为球面装置的示意图；

图3为张闭装置的结构图；

图4为使用本发明的线路结构图。

图中：1.固定轴；2.中心支架；3.电磁感应线圈；4.Y型架；5.球面装置；6.张闭装置；7.单片机；8.本发明线圈；9.多频道接收系统；10.发射系统；11.计算机；12.球头；13.球窝；14.外边；15.中间边；16.拐点处螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明包括固定轴1、中心支架2、电磁感应线圈3、Y型架4、球面装置5和张闭装置6；固定轴1的前端连接球面装置5的球头12，球面装置5的球窝13外壁固定有发散的Y型架4，Y型架4的顶端固定连接在方形的中心支架2的交角上，四个张闭装置6布置于中心支架2的四边上，电磁感应线圈3沿张闭装置6的边绕制。

如图2所示，上述球面装置5包括球头12和球窝13，球窝13包裹球头12，球头12在球窝13内空中转动而不发生脱离。球头12在球窝13内有转动的自由度，完成一定角度的自由转动，带动Y型架4的顶端的中心支架2自由转动。

如图3所示，张闭装置6包括一个外边14、两侧的中间边15和中间边的拐点处螺栓16，中间边15绕拐点处螺栓16弯折，中间边15一端连接外边14的端头，中间边15另一端连接中心支架2一个边的端头。

中间边15的两部分错开后通过拐点处螺栓16连接为一个整体边，中间边15的一个部分边长为整体边的一半。

如图3a为张闭装置张开状态图，两侧的中间边15通过拐点处螺栓16向外伸展，外边14远离中心支架的一边，电磁感应线圈随张闭装置的中间边和外边向外扩展。

如图3b为张闭装置闭合状态图，中间边15通过拐点处螺栓16向内收折，外边14接近中心支架的一边，电磁感应线圈随张闭装置的中间边收折而变小。

在图1中，固定轴1与相关测试设备相连，起固定整个线圈的作用；中心支架2和Y型架4起支撑线圈作用；球面装置5起转动线圈作用；张闭装置6起闭合和张开线圈作用。

隧道开挖存在台车等器械，而且一般隧道采取上下台阶等，因而，即使隧道断面大，也无法采用和断面尺寸差不多的线圈。本发明线圈可全部收折于张闭装置中，线圈大小根据隧道断面尺寸确定。探测使用时，线圈可由张闭装置分散开，用于发射或接受核磁共振信号；探测完毕后，线圈全部收折于中心支架处。

为了进一步增大线圈的接收信号，所述电磁感应线圈3均为多匝线圈。多匝线圈的电感系数由自感系数和互感系数组成，线圈匝数决定了自感系数和互感系数的大小，自感系数公式为，L＝μ₀a[ln^(8a/R)-1.75]，式中，L为线圈自感系数，μ₀为普朗克系数，a为线圈边长，R为线圈内阻。互感系数公式为，r₁,r₂为不同线圈的半径，K、k和E为积分函数值。线圈匝数并不是匝数越多，测试信号越大，因为存在内阻也变大的问题。为避免互感对感应信号的消减作用，线圈的匝数不宜过多，可根据自感系数公式计算确定。

如图4所示，本发明的连接线路有：单片机7、发射系统10、多频道接收系统9和本发明线圈8。单片机7用于信号的输出和输入；发射系统10由大功率发射电路模块、频率模块和变换器模块组成，变换器模块用于产生工作电压，频率模块作用是产生所需工作的发射频率，变换器模块和频率模块产生的信号传输于大功率发射电路模块，再将信号传至本发明线圈8；本发明线圈8用于核磁共振信号的发射和接收；多频道接收系统9由切换电路和放大器组成，切换电路作用是：待发射信号通过线圈传导至所测隧道围岩后，转换电路，将本发明线圈8由发射信号转变为接收反射信号，经放大器将信号放大，传至单片机7，上述步骤全部通过计算机11控制。

使用本发明进行探测地下水的过程是：

1、将本发明的线圈放置于所测试的围岩(隧道的掌子面或边墙)，按图4所示将电路连接起来并检查其正常运行情况；

2、用磁力仪测取当地磁场B，通过w₀(Hz)＝0.04258*B(nT)，换算出拉莫尔频率隧道所在地的拉摩尔频率w₀，然后计算所需的脉冲电流I(t)＝I cos(wt)，(0≤t≤τ)，式中w＝2πw₀，I、τ分别为交变电流脉冲的幅度和持续时间。发射系统10的变换器模块电源，使其电压达到所要求的电压，接着控制频率发生器使其产生当地的拉莫尔频率；将参数信息(包括探测深度，分层数，天线长度、形状等)传输于计算机11，然后将这些参数换算成发射频率，变换器电压值，发射时间等信息，并传送给单片机7。

3、将本发明的线圈贴近所测试的围岩，然后把电磁感应线圈3从中心支架2分散开来，这样能增加接收或发射信号的面积；放置好后，接通电源，信号在电磁感应线圈3围绕中心支架2作用下将向围岩发射约几十ms的电磁波。电磁感应线圈3通过中心支架2将线圈端头连接到多频道接收系统9和发射系统10。

4、将开关切换至接收机，此时多频道接收系统9变换器将步骤3充当发射线圈的电磁感应线圈3转变为接收线圈，同时将接收地下各种物质所产生的核磁共振信号。

5、改变脉冲参数并记录信号，由中的发射信号幅度I和接收信号横向弛豫时间根据放大器处理所得信号，经过反演可得到不同深度处各含水层的含水量、孔隙度及渗透率等数据。如果所得测试深度不理想，将线圈绕固定轴1转动一定角度，直到得到围岩最大含水深度。

在式中，E(t)为感应电压，V为探测含水区的体积，x为含水区半径，为离线圈中心点距离；w₀为探测区拉莫尔频率；M₀为探测区水的核磁化强度；为含水量分布；为线圈接收的磁感应强度的垂直分量；γ为质子旋磁比；为线圈发射的磁感应强度的垂直分量；q为脉冲矩；t为脉冲消逝时间；为横向弛豫时间。

探测区拉摩尔频率w₀、质子旋磁比γ和探测区水的核磁化强度M₀均为常数，为定值，含水量分布依据探测区含水量，一般取0～1，也为定值。脉冲矩q，脉冲消逝时间t和横向弛豫时间由激励电源决定的，可根据发射系统供应电源得到。线圈接收的磁感应强度的垂直分量线圈发射的磁感应强度的垂直分量是根据接收线圈和发射线圈接收的磁感应强度的垂直角度大小而定，显然，垂直时为取最大值，对应的核磁共振信号最大，探测含水区的深度相应为最大。现场测试时，由于无法确定哪个方向为接收线圈或发射线圈接收的核磁共振信号最大，基于此，本发明专利所述的线圈可绕固定轴自由旋转，线圈中心点和固定轴以球面方式接触，线圈可以旋转上半球体任意方向。测试时，可旋转得到最强的反射信号，同时，发射电路模块需提供尽量大的脉冲矩。

本发明基于核磁共振原理，将核磁共振仪的线圈变换为多匝的可转动线圈，线圈同时多匝可旋转开来增大接收面积，测试完且可转回收缩面积。解决了核磁共振探水时受隧道内断面尺寸而影响测试深度的问题。

Claims (3)

1.一种用于地下核磁共振探水的发射/接收线圈，其特征是：包括固定轴(1)、中心支架(2)、电磁感应线圈(3)、Y型架(4)、球面装置(5)和张闭装置(6)；固定轴(1)的前端连接球面装置(5)的球头(12)，球面装置(5)的球窝(13)外壁固定有发散的Y型架(4)，Y型架(4)的顶端固定连接在方形的中心支架(2)的交角上，四个张闭装置(6)布置于中心支架(2)的四边上，电磁感应线圈(3)沿张闭装置(6)的边绕制；所述的张闭装置(6)包括一个外边(14)、两侧的中间边(15)和中间边的拐点处螺栓(16)，中间边(15)绕拐点处螺栓(16)弯折，中间边(15)一端连接外边(14)的端头，中间边(15)另一端连接中心支架(2)一个边的端头。

2.根据权利要求1所述的地下核磁共振探水的发射/接收线圈，其特征是：所述球面装置(5)包括球头(12)和球窝(13)，球窝(13)包裹球头(12)，球头(12)在球窝(13)内空中转动。

3.根据权利要求2所述的地下核磁共振探水的发射/接收线圈，其特征是：所述的中间边(15)的两部分错开后通过拐点处螺栓(16)连接为一个整体边，中间边(15)的一个部分边长为整体边的一半。