CN111220789A - Tbm搭载的利用汞进行超前地质预报的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统及方法，包括汞浓度测试模块、数据处理分析模块，汞浓度测试模块搭载于TBM上，包括气汞浓度测试单元、水中汞测试单元和岩石中汞测试单元，各单元包括相应的取样装置，分别获取掌子面前方的气体、水和岩石试样，采集的试样传输至脱汞装置中，脱离的汞进入测汞仪，对汞浓度进行连续测量；数据处理分析模块，被配置为对测得汞浓度进行处理分析，实时得出气汞、岩石中汞和水中汞的浓度曲线图，基于所述浓度曲线图进行掌子面前方的超前地质预报。
Description
技术领域
本公开属于地质超前预报技术领域，具体涉及一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
隧道掘进机施工方法因具有“掘进速度快、施工扰动小、综合经济效益高”等优势，有了越来越多的应用。TBM隧道施工在遭遇断层不良地质时，在施工扰动下极有可能诱发卡机、突涌水和塌方等严重地质灾害。因此在TBM隧道施工过程中，必须对不良地质赋存情况进行准确预报。
但据发明人了解，现有TBM隧道超前地质预报方法主要为地球物理探测方法，如地震波法、激发极化法等，但由于隧道TBM施工环境复杂，观测空间狭小、震动干扰和电磁干扰强烈，上述超前地质预报方法往往在TBM停机维护保养的环境中才能开展，且TBM掘进速度快，且用于不良地质识别的时间间隔很短，在TBM不停机时便可开展超前地质预报就显得尤为重要。
由于汞具有较高的挥发性，汞蒸气沿深部断裂活动和运移,并在断层破碎带附近富集。在低温热液型岩浆分异的过程中，岩浆残余液中的汞也会沿断裂运移或活动；另外，在岩浆岩被风化、搬运形成的沉积岩在进一步变为变质岩的复杂过程中，汞气被释放出来，汞主要通过渗透-扩散和对流等方式沿深部断裂和岩石裂隙迁移，并在断裂带附近富集，上述过程在断裂带和构造裂隙富集带形成构造汞源带。
目前TBM隧道元素汞测试不同于传统地面汞的测试，仍存在以下难以解决的问题：
TBM重型设备占据了隧道内大部分空间，导致传统元素汞的测试方法难以在隧道狭窄处开展，无法满足测试需求，利用手持测汞仪或在实验室进行测试，无法满足对岩石中汞含量及时、长期测试的需求，且需要耗费大量的人力和财力，同时危害人员健康。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统及方法，本公开能够在TBM掘进过程中，不停机即可获取隧道掌子面附近汞浓度，并利用汞浓度的变化对隧道前方不良地质进行超前预报。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，包括汞浓度测试模块、数据处理分析模块，其中：
所述汞浓度测试模块搭载于TBM上，包括气汞浓度测试单元、水中汞测试单元和岩石中汞测试单元，各单元包括相应的取样装置，分别获取掌子面前方的气体、水和岩石试样，采集的试样传输至脱汞装置中，脱离的汞进入测汞仪，对汞浓度进行连续测量；
所述数据处理分析模块，被配置为对测得汞浓度进行处理分析，实时得出气汞、岩石中汞和水中汞的浓度曲线图，基于所述浓度曲线图进行掌子面前方的超前地质预报。
上述技术方案中，整体设备搭载于TBM上，保证了在TBM掘进过程中就可以对隧道内多个元素(气体、水和岩石)中的汞元素进行采集和测试，不影响TBM的正常工作，且能够保证在有限的不良地质识别的时间内，做出正确的预测结果。
作为可选择的实施方式，所述岩石中汞测试单元包括岩石取样装置和岩样烘干装置，岩石取样装置通过固定在TBM上的伸缩支架对TBM传送带上岩样进行取样，岩样烘干装置将游离在岩石中的气体和岩石分离。
作为可选择的实施方式，所述气汞测试单元包括空气采集装置，空气采集装置通过固定在TBM上的伸缩支架可采集掌子面附近游离的空气。
作为可选择的实施方式，所述水中汞测试单元包括取水装置和气液分离装置，取水装置通过固定在TBM上的伸缩支架对掌子面附近地下水进行采集，气液分离装置将地下水和汞分离。
作为可选择的实施方式，所述脱汞装置可干燥汞气体，脱汞装置一端均设有气泵，能够使汞进入测汞仪并进行汞含量测试，所述测汞仪使用现有DMA-80型测汞仪即可。
作为可选择的实施方式，装置各部分之间利用透明有机玻璃管连接，用于汞气体的传输。
作为可选择的实施方式，所述数据分析装置对测得汞浓度进行处理分析，实时得出气汞、岩石中汞和水中汞的浓度曲线图，具有存储和传输功能，可将汞浓度和相关数据结果进行记录保存，并传输给TBM主控室。
基于上述系统的超前地质预报方法，包括以下步骤：
启动岩石中汞测试单元，岩石取样装置开始对掌子面附近围岩进行取样并烘干，脱汞装置将汞脱离出来，测汞仪对汞含量进行测试；
空气采集装置采集掌子面附近游离的空气，脱汞装置对空气干燥，并将汞脱离出进行汞含量测试；
取水装置采集掌子面附近地下水，并进行分离，脱汞装置对水中分离出的气汞加热，脱离出汞进行汞含量测试；
对测得汞浓度进行处理分析，自动得出气汞、岩石中汞和水中汞随隧道掌子面里程变化的曲线图，并分别计算出气汞、岩石中汞和水中汞浓度平均值和均方差；
将汞浓度平均值与2倍均方差之和作为汞浓度异常下限，若实时测得的汞浓度大于汞浓度异常下限，则隧道掌子面前方可能存在富含汞的断层破碎带和构造裂隙密集带，且断层破碎带和构造裂隙密集带的规模和实时汞浓度与异常下限差值呈正比。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开可方便、快速和实时测量TBM隧道掌子面附近岩石、空气和水中的汞浓度，避免了传统汞测试方法因TBM隧道工作空间狭窄而不方便测试的情况，节省了人力、物力和财力；
本公开可对TBM隧道内汞浓度进行长期监测，并实时给出汞浓度曲线图和异常下限，及时做出隧道超前地质预报；
本公开搭载于TBM上，保证了在TBM掘进过程中就可以对隧道内多个元素(气体、水和岩石)中的汞元素进行采集和测试，不影响TBM的正常工作，且能够保证在有限的不良地质识别的时间内，做出正确的预测结果。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的整体结构示意图；
图2是本实施例的流程图；
图3是本实施例的实测汞浓度曲线图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、装置件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
具体的，如图1所示，TBM搭载式利用元素汞进行超前地质预报系统包括固定在TBM上的可伸缩支架1a(1b、1c)、空气采集装置2、气泵3a(3b、3c)、岩石取样装置4、岩样烘干装置5、有机玻璃管6、脱汞装置7a(7b、7c)、阀门8a(8b、8c)、数据处理装置9、排气阀10、测汞仪11、取水装置12、流量计13、气液分离装置14、排水阀15、阀板门16a(16b)。
所述岩石中汞测试单元包括岩石取样装置4和岩样烘干装置5，岩石取样装置4通过固定在TBM上的伸缩支架1b对TBM传送带上岩样进行取样，岩样烘干装置5将游离在岩石中的气体和岩石分离，阀板门16b用于排除已烘干后的岩石。
所述气汞测试单元包括空气采集装置2，空气采集装置2通过固定在TBM上的伸缩支架1a可采集掌子面附近游离的空气。
所述水中汞测试单元包括取水装置12和气液分离装置14，取水装置通过固定在TBM上的伸缩支架对掌子面附近地下水进行采集，流量计13用于控制采集的地下水的流量，气液分离装置14将地下水和汞分离。
所述脱汞装置7a(7b、7c)可干燥脱离汞气体，脱汞装置一端均设有气泵3a(3b、3c)，能够使汞进入测汞仪11并进行汞含量测试。
所述上述各装置之间利用透明有机玻璃管6连接，用于汞气体的传输，所述排气阀10位于测汞仪11的上方，用于排除已测试过的汞气。
所述排水阀15位于气液分离装置14的底部，用于排除已经测试过的水。
所述数据分析装置9对测得汞浓度进行处理分析，实时得出气汞、岩石中汞和水中汞的浓度曲线图，具有存储和传输功能，可将汞浓度和相关数据结果进行记录保存，并传输给TBM主控室。
如图2所示，基于上述系统的超前地质预报方法，包括以下步骤：
(1)启动岩石中汞测试单元，打开阀门8b，关闭阀门8a、8c，岩石取样装置4通过固定在TBM上的可伸缩支架1b开始对TBM传送带上的岩石进行取样，取样质量约100g，打开阀板门16a，岩石烘干装置5对岩石进行加热至110℃左右，脱汞装置7b对空气加热至850℃左右，汞从岩石粉末中脱离出来，气泵3b使汞进入测汞仪11进行汞含量测试，打开排气阀10，排除已测试汞气；
(2)启动气汞测试单元，打开阀门8a，关闭阀门8b、8c，空气采集装置2采集岩石中游离的空气约450ml，脱汞装置7a对空气加热至850℃左右，汞从空气中脱离出来，气泵3a使汞进入测汞仪11进行汞含量测试，打开排气阀10，排除已测试汞气；
(3)启动水汞测试单元，打开阀门8c，关闭阀门8b、8a，取水装置12采集掌子面附近地下水，流量计13控制水量约500ml，气液分离装置14将汞和地下水分离，脱汞装置7c对水中分离出的气汞加热至850℃左右，汞从空气中脱离出来，气泵3c使汞进入测汞仪11进行汞含量测试，打开排气阀10，排除已测试汞气；
(4)重复(1)～(3)步骤，数据分析模块9可对测得汞浓度进行处理分析，自动得出气汞、岩石中汞和水中汞随隧道掌子面里程变化的曲线图，并分别计算出气汞、岩石中汞和水中汞浓度平均值
和
和均方差δ1、δ2和δ3；
(5)将汞浓度平均值与2倍均方差之和作为汞浓度异常下限，若实时测得的汞浓度大于汞浓度异常下限，即
或
或
如图3所示，A点对应里程的实测汞浓度大于汞浓度异常下限，则该里程对应掌子面前方可能存在富含汞的断层破碎带和构造裂隙密集带。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：包括汞浓度测试模块、数据处理分析模块，其中：
所述汞浓度测试模块搭载于TBM上，包括气汞浓度测试单元、水中汞测试单元和岩石中汞测试单元，各单元包括相应的取样装置，分别获取掌子面前方的气体、水和岩石试样，采集的试样传输至脱汞装置中，脱离的汞进入测汞仪，对汞浓度进行连续测量；
所述数据处理分析模块，被配置为对测得汞浓度进行处理分析，实时得出气汞、岩石中汞和水中汞的浓度曲线图，基于所述浓度曲线图进行掌子面前方的超前地质预报。
2.如权利要求1所述的一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：所述岩石中汞测试单元包括岩石取样装置和岩样烘干装置，岩石取样装置通过固定在TBM上的伸缩支架对TBM传送带上岩样进行取样，岩样烘干装置将游离在岩石中的气体和岩石分离。
3.如权利要求1所述的一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：所述气汞测试单元包括空气采集装置，空气采集装置通过固定在TBM上的伸缩支架可采集掌子面附近游离的空气。
4.如权利要求1所述的一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：所述水中汞测试单元包括取水装置和气液分离装置，取水装置通过固定在TBM上的伸缩支架对掌子面附近地下水进行采集，气液分离装置将地下水和汞分离。
5.如权利要求1所述的一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：所述脱汞装置可干燥汞气体，脱汞装置一端均设有气泵，能够使汞进入测汞仪并进行汞含量测试，所述测汞仪使用现有DMA-80型测汞仪即可。
6.如权利要求1所述的一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：装置各部分之间利用透明有机玻璃管连接，用于汞气体的传输。
7.如权利要求1所述的一种TBM搭载的利用汞进行超前地质预报的系统，其特征是：所述数据分析装置对测得汞浓度进行处理分析，实时得出气汞、岩石中汞和水中汞的浓度曲线图，具有存储和传输功能，可将汞浓度和相关数据结果进行记录保存，并传输给TBM主控室。
8.基于权利要求1-7中任一项所述的系统的超前地质预报方法，其特征是：包括以下步骤：
启动岩石中汞测试单元，岩石取样装置开始对掌子面附近围岩进行取样并烘干，脱汞装置将汞脱离出来，测汞仪对汞含量进行测试；
空气采集装置采集掌子面附近游离的空气，脱汞装置对空气干燥，并将汞脱离出进行汞含量测试；
取水装置采集掌子面附近地下水，并进行分离，脱汞装置对水中分离出的气汞加热，脱离出汞进行汞含量测试；
对测得汞浓度进行处理分析，自动得出气汞、岩石中汞和水中汞随隧道掌子面里程变化的曲线图，并分别计算出气汞、岩石中汞和水中汞浓度平均值和均方差；
将汞浓度平均值与2倍均方差之和作为汞浓度异常下限，若实时测得的汞浓度大于汞浓度异常下限，则隧道掌子面前方可能存在富含汞的断层破碎带和构造裂隙密集带，且断层破碎带和构造裂隙密集带的规模和实时汞浓度与异常下限差值呈正比。
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