CN111077581B - 一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置及成像方法 - Google Patents

一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于地球物理勘探领域，具体来讲为一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置及成像方法。该装置包括：球形支架，所述球形支架上以球心为圆心建立直角坐标系，以隧道掘进方向为X轴正方向，垂直于X轴，指向隧道拱顶面的方向为Z轴正方向，与X轴和Z轴夹角均为90°，指向隧道边墙面的方向为Y轴正方向，每个轴向上设置有多个相同尺寸、相同匝数的接收线圈，相邻线圈之间夹角相同。采用一个固定方向的发射线圈，三轴多角度接收天线，准确、快速的得出隧道全空间内的含水构造的核磁共振响应，并利用成像方法得到含水构造分布及含水量大小，大大减小隧道突水等事故误报、漏报的风险，减小经济及生命财产损失。

Description

一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置及成像方法
技术领域
本发明属于地球物理勘探领域，具体来讲为一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置及成像方法。
背景技术
在隧道开凿过程中，需要提前探明掌子面前方赋存的断层和暗河等地质构造，以防止突水等事故发生。核磁共振作为一种直接探测地下水的技术，具有直接、定量和解释唯一等优点，三维核磁共振成像结果不仅能够对灾害水源进行定量评估，而且能实现准确的定位。因此，隧道突水三维磁共振探测方法具有重要意义。
CN102262247A公开了一种隧道突水超前预测装置及方法，该方法利用收发一体多匝矩形或方形线圈，平行于掌子面布设。通过计算机控制高压电源，主控芯片通过驱动电路驱动发射桥路，产生激发磁场。放大电路将核磁共振信号放大后送到采集电路，采集电路通过转换器将放大器输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机，对数据进行显示、存储、滤波处理和解释，以实现掌子面附近含水体的一维探测。
CN102062877A公开了一种对前方水体超前探测的核磁共振装置及探测方法。计算机通过串口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、大功率型发射桥路和配谐电容与发射线圈连结构成。该方法利用收发分离线圈，垂直布设模式，虽然可以在狭小的空间中展开勘探工作，但该方法仍然属于一维探测，将隧道空间简化为层状模型，与实际情况不符。
CN104765072A公开了一种用环形天线旋转进行磁共振超前探测的方法。该方法将环形天线固定在可旋转支架上，采用垂直和水平旋转两种测量方式，在隧道和矿井中对掌子面前方、顶板和左右侧壁的含水体进行探测，实现掌子面前方扇形区域内的含水体二维探测。但是该方法采用收发同一线圈多次旋转装置，耗费大量测量时间，且不适用于溶洞等无法简化为二维模型的地质构造。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种隧道灾害水源三维核磁共振超前探测及成像方法，旨在采用一个固定方向的发射线圈，三轴多角度接收天线，准确、快速的得出隧道全空间内的含水构造的核磁共振响应，并利用成像方法得到含水构造分布及含水量大小，大大减小隧道突水等事故误报、漏报的风险，减小经济及生命财产损失。
本发明是这样实现的，
一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置，该装置包括：
球形支架，所述球形支架上以球心为圆心建立直角坐标系，以隧道掘进方向为X轴正方向，垂直于X轴，指向隧道拱顶面的方向为Z轴正方向，与X轴和Z轴夹角均为90°，指向隧道边墙面的方向为Y轴正方向，每个轴向上设置有多个相同尺寸、相同匝数的接收线圈，相邻线圈之间夹角相同。
进一步地，X轴方向接收线圈具体摆放为：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向X轴方向，然后依次放置另外的接收线圈，使多个接收线圈间在Z轴方向的夹角均相同，且中心位置重叠。
进一步地，Y轴方向接收线圈具体摆放为：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向Y轴方向，然后依次放置另外的接收线圈，使多个接收线圈间在X轴方向的夹角均相同，且中心位置重叠。
进一步地，Z轴方向接收线圈具体摆放为：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向Z轴方向，然后依次放置另外的接收线圈，使多个接收线圈间在Y轴方向的夹角均相同，且中心位置重叠。
进一步地，设置一个多匝发射线圈平行于掌子面放置，使得法向方向指向X轴方向，同时，与球形支架结构保持距离，且发射线圈中心与球形支架中心点间为平行于X轴的直线，形成收发分离探测结构。
进一步地，每个轴向上设置6个接收线圈，相邻接收线圈之间夹角均为30°。
一种隧道突水三维核磁共振超前探测成像方法，该方法包括：从小到大依次在发射线圈内通入Q个不同脉冲矩的交变电流，每次发射停止后，三个轴向上多个接收线圈同时接收三维隧道空间内含水体产生的磁共振信号，共计Q次，则接收得到电压数据为：
Vobs＝[V1，1，V1,2，…，V1,Q，V2，1，V2,2，…，V2,Q，…，VRx，1，VRx,2，…，VRx,Q]T，T为转置运算。其中V1，1＝[V1,V2,…,VNS]，为第一个接收线圈对应第一个脉冲距接收到的电压数据，NS＝1f，f为采样频率；
将接收线圈Q个脉冲矩对应的电压数据分别进行尖峰噪声和工频谐波噪声消除，再经过包络检测和门积分，得到观测磁共振数据复数矩阵
Figure GDA0002998562820000031
其中，R和I分别代表实部和虚部，N代表门积分个数，Rx为接收线圈个数。
Figure GDA0002998562820000032
Figure GDA0002998562820000033
将不同接收方向线圈的观测磁共振数据复数矩阵V同时参与三维复数域QT反演，得到隧道全空间含水量三维成像结果。
进一步地，
三维复数域QT反演方法实现如下：
三维复数域QT反演的目标函数为
Figure GDA0002998562820000034
其中D＝1/ε是观测电压数据噪声水平估计加权值，Vcalc是利用正演方法计算得到的接收线圈多次旋转对应的磁共振信号集合，m是三维模型网格每个单元的含水量集合，C是三维模型平滑度矩阵，λ是正则化参数，用来平衡数据拟合度和模型平滑度。
其中
Figure GDA0002998562820000041
是经相位偏移修正后观测值，
Figure GDA0002998562820000042
为相位偏移量。利用共轭梯度方法求解反演目标函数，经过多次迭代，得到隧道三维模型空间的含水量分布。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实现三维磁共振成像，克服一维探测及成像结果只能得到含水构造一个维度的层状信息，二维旋转天线探测方法需多次旋转测量，不仅耗费大量时间，且其成像结果只适用于含水断层等可以简化为二维模型的地质构造，例如含水断层。采用三轴多角度接收并进行三维成像，可以准确得到任何典型含水构造(例如含水断层、陷落的水柱和溶洞等)的位置及含水规模，减少隧道开凿过程带来的经济和生命财产损失。
附图说明
图1为本发明的测量装置结构示意图；
图2为X(a)、Y(b)、Z(c)三方向线圈结构分解示意图；
图3为X方向6个不同角度线圈接收到的电压值，a为第一接收线圈、b为第二接收线圈、c为第三接收线圈、d为第四接收线圈、e为第五接收线圈、f为第六接收线圈；
图4为隧道全空间内含水量三维分布图结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案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。
考虑到开凿隧道的空间尺寸，本实施例中隧道突水三维核磁共振超前探测装置设置共18个多匝接收线圈的直径为6m，匝数为30匝。首先，将18个接收天线固定于球形支架1上，X、Y、Z方向各6个，见图1形结构线圈所示，掌子面前方为含水构造3见图1。令隧道掘进方向为X轴正方向，垂直于X轴，指向隧道拱顶面的方向为Z轴正方向，与X轴和Z轴夹角均为90°，指向隧道边墙面的方向为Y轴正方向。每个方向上天线间的夹角为30°。并将固定好的球形天线结构放置于掌子面正前方。
X轴方向6个接收线圈具体摆放方式如下：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向X轴方向，然后依次放置另外5个接收线圈，使6个接收线圈间在Z轴方向的夹角均为30°，且中心位置重叠，见附图2a。Y轴方向6个接收线圈具体摆放方式如下：首先放置1个线圈，使其法向方向指向Y轴方向，然后依次放置另外5个接收线圈，使6个接收线圈间在X轴方向的夹角均为30°，且中心位置重叠，见附图2b。Z轴方向6个接收线圈具体摆放方式如下：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向Z轴方向，然后依次放置另外5个接收线圈，使6个接收线圈间在Y轴方向的夹角均为30°，且中心位置重叠，见附图2c。
将1个多匝发射线圈2平行与掌子面放置，即法向方向指向X轴方向，本实施例中发射线圈边长为6m，匝数为8匝，见图1中结构2。同时，与接收球形线圈结构保持6m距离，且发射线圈中心与球形发射中心点间为平行与X轴的直线，形成收发分离探测结构。
一种隧道突水三维核磁共振超前探测成像方法包括：从小到大依次在发射线圈内通入脉冲矩为0.01As～4As等对数间隔分布的20个值对应的交变电流，即Q＝20。每次发射停止后，18个多匝接收线圈同时接收三维隧道空间内含水体产生的磁共振信号，共计20次，则接收得到电压数据为
Vobs＝[V1，1，V1,2，…，V1,20，V2，1，V2,2，…，V2,20，…，V18，1，V18,2，…，V18,20]T，T为转置运算。其中V1，1＝[V1,V2,…,VNS]，为第一个接收线圈对应第一个脉冲距接收到的电压数据，NS＝1/f，f为采样频率，本实施例中，采样频率为10kHz。实验地点的Larmor频率为2300Hz，地磁倾角和地磁偏角分别为150°和90°。
将18个线圈Q个脉冲矩对应的电压数据分别进行尖峰噪声，工频谐波噪声消除，经过包络检测和门积分方法，得到观测核共振数据复数矩阵
Figure GDA0002998562820000061
其中，R和I分别代表实部和虚部，门积分个数N为30，接收线圈个数Rx等于18。
Figure GDA0002998562820000062
Figure GDA0002998562820000063
其中X方向6个接收线圈对应的实部和虚部初始振幅值见图3。
将18个不同接收方向线圈的数据V同时参与三维复数域QT反演，得到隧道全空间含水量三维成像结果，见图4所示。由图4可以看出，利用基于球形结构天线的三维核磁共振超前探测装置和方法得到的隧道全空间含水量三维成像结果与模型含水构造基本一致，验证了方法的有效性。
三维复数域QT反演方法实现如下：
三维复数域复数QT反演的目标函数为
Figure GDA0002998562820000064
其中D＝1/ε是观测信号噪声水平估计加权值，Vcalc是根据正演方法计算得到的接收线圈多次旋转对应的NMR信号集合，m是三维模型网格每个单元的含水量集合，C是三维模型平滑度矩阵，λ是正则化参数，用来平衡数据拟合度和模型平滑度，本实施例中设为100。
其中
Figure GDA0002998562820000065
是经相位偏移修正后观测值，
Figure GDA0002998562820000066
为相位偏移量。利用共轭梯度方法求解反演目标函数，经过多次迭代，即可得到隧道三维模型空间的含水量分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种隧道突水三维核磁共振超前探测装置，其特征在于，该装置包括：
球形支架，所述球形支架上以球心为圆心建立直角坐标系，以隧道掘进方向为X轴正方向，垂直于X轴，指向隧道拱顶面的方向为Z轴正方向，与X轴和Z轴夹角均为90°，指向隧道边墙面的方向为Y轴正方向，每个轴向上设置有多个相同尺寸、相同匝数的接收线圈，相邻线圈所形成的平面之间夹角相同；
X轴方向接收线圈具体摆放为：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向X轴方向，然后依次放置另外的接收线圈，使相邻两个接收线圈所形成的平面之间的夹角均相同，且中心位置重叠；
Y轴方向接收线圈具体摆放为：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向Y轴方向，然后依次放置另外的接收线圈，使相邻两个接收线圈所形成的平面之间的夹角均相同，且中心位置重叠；
Z轴方向接收线圈具体摆放为：首先放置1个接收线圈，使其法向方向指向Z轴方向，然后依次放置另外的接收线圈，使相邻两个接收线圈所形成的平面之间的夹角均相同，且中心位置重叠。
2.按照权利要求1所述的隧道突水三维核磁共振超前探测装置，其特征在于，设置一个多匝发射线圈平行于掌子面放置，使得法向方向指向X轴方向，同时，与球形支架结构保持一定距离，且发射线圈中心与球形支架中心点间为平行于X轴的直线，形成收发分离探测结构。
3.按照权利要求1所述的隧道突水三维核磁共振超前探测装置，其特征在于，每个轴向上设置6个接收线圈，相邻接收线圈所形成的平面之间夹角均为30°。
4.采用权利要求1-3任意一项所述的装置的隧道突水三维核磁共振超前探测成像方法，其特征在于，该方法包括：从小到大依次在发射线圈内通入Q个不同脉冲矩的交变电流，每次发射停止后，三个轴向上多个接收线圈同时接收三维隧道空间内含水体产生的磁共振信号，共计Q次，则接收得到电压数据；
将接收线圈Q个脉冲矩对应的电压数据分别进行尖峰噪声和工频谐波噪声消除，再经过包络检测和门积分，得到观测磁共振数据复数矩阵V；
将不同接收方向线圈的观测磁共振数据复数矩阵V同时参与三维复数域QT反演，得到隧道全空间含水量三维成像结果。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，
三维复数域QT反演方法实现如下：
三维复数域QT反演的目标函数为
Figure FDA0002998562810000021
其中D＝1/ε是观测电压数据噪声水平估计加权值，Vcalc是利用正演方法计算得到的接收线圈多次旋转对应的磁共振信号集合，m是三维模型网格每个单元的含水量集合，C是三维模型平滑度矩阵，λ是正则化参数，用来平衡数据拟合度和模型平滑度；
其中
Figure FDA0002998562810000022
是经相位偏移修正后观测值，
Figure FDA0002998562810000023
为相位偏移量；利用共轭梯度方法求解反演目标函数，经过多次迭代，得到隧道三维模型空间的含水量分布。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，观测磁共振数据复数矩阵
Figure FDA0002998562810000024
其中，R和I分别代表实部和虚部，N代表门积分个数，Rx为接收线圈个数，T为转置运算，其中：
Figure FDA0002998562810000025
Figure FDA0002998562810000026
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