CN113450543B - 基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法 - Google Patents

基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害智能报警方法，适用于城市地下空间对不可视水源的监测。采用电阻率测试法对成型地下空间的主要水源分布区域进行探测，并根据低电阻分布特征获取潜在水源位置；钻取不同围岩岩心，利用低场核磁共振法测试完全干燥状态下的岩心核磁信号；分别向潜在水源位置钻取不同深度、不同角度的监测钻孔，清除钻孔内的残余水渣并干燥钻孔，向钻孔内送入低场核磁共振微缩传感器，实现围岩内水的空间分布演化实时化；根据获得的核磁孔隙特征和水信号，构建诱发水害的预警阈值和安全评估准则，为突水灾害预警及防治提供充分的数据基础。该方法操作简单，能够实现岩层潜在水缘性灾害的智能报警。

Description

基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法
技术领域
本发明涉及一种地下空间水缘性灾害预警方法，尤其适用于城市地下空间不可视水源监测使用的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法。
背景技术
城市地下空间、隧道及地下水库坝体成型后，结构的长期稳定性监测评估是保证基础设施安全平稳运行的关键。因开采掘进扰动作用，地下空间或隧道周围存在一定区域的塑性破坏，诱发大量多尺度孔裂隙结构的发育，而地层水的区域性赋存可能会因安全水柱过窄造成应力集中，在压力水和地应力的双重作用下发生安全水柱断裂，地层水会沿着断裂裂隙渗流运移，造成地下空间或隧道内突水事故的发生。对于突水的事故的防治，一方面要对地层水进行超前探测，做到潜在突水事故的预判，并积极采取措施；另一方面针对已发生突水事故要做到积极治理，通过泄放水和注浆两种技术做到减压和加固双重目的。
超前预警是预防潜在突水事故发生的重要手段，主要是借助一些技术手段对水流区域进行监测，如以测流量和渗透压力为主的传统渗漏探测方法、以电法和磁法为原理的地球物理勘探方法、以测温度和同位素为主的示踪法勘探方法、以电流场推测水流场为原理的流场法勘探方法、以测量温度为原理的分布式光纤温度传感勘探方法。这些技术都在工程实践中得到一定程度的应用，但也存在一定的不足，如传统渗漏探测方法难以实现整体式覆盖监测，易产生因漏检而存在安全隐患；电法和磁法探测设备庞大，操作较为复杂，工作量较大；示踪法需要进行钻孔投放示踪剂或钻孔测温，某些地区钻孔难度较大；流场法只能找到渗漏点，无法测定渗漏体在防渗体内部的分布情况；分布式光纤温度传感法所使用的光纤对应力较为敏感，在实际铺设中存在较大困难。同时，这些方法大多是采用抽检式进行探测，对于探测瞬时突水事故的超前预警缺乏时效性。因此，需要开发一种新的水缘性灾害智能报警技术，提高城市地下空间、隧道及地下水库坝体岩层内潜在水害的敏感性探测，为地下空间水缘性灾害的智能报警提供一定依据。
发明内容
技术问题：针对现有技术的不足之处，提供一种科学有效、探测精度高、操作简单的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其步骤为：
首先采用电阻率测试法对待检测预警的成型地下空间、隧道及地下水库坝体的主要水源分布区域进行探测，并根据低电阻分布特征获取潜在水源区域的位置；
利用岩心钻机钻取监测区域不同位置的围岩岩心，将围岩岩心完全干燥后，通过低场核磁共振技术测试获得各个围岩岩心的核磁信号；
采用钻机分别向潜在水源位置钻取多个不同深度、不同角度的核磁监测钻孔，清除核磁监测钻孔内的残余水渣并干燥钻孔，向核磁监测钻孔底部安装低场核磁共振微缩传感器，利用低场核磁共振微缩传感器实时检测围岩内水的空间分布演化；
根据低场核磁共振微缩传感器获得的孔隙核磁特征和相应的水体空间分布演化规律，构建诱发水害的预警阈值和安全评估准则，当低场核磁共振微缩传感器采集到的水体信号幅值及谱图面积超过阀值后则判断岩层潜在水缘性灾害，从而实现超前报警。
具体步骤为：
a.城市地下空间、隧道或地下水库坝体完型后，利用电阻率测试法对其内部潜在赋存水源进行探测，根据数据反演获得的低电阻区域确定周围岩层潜在水源的大致空间位置；
b.将成型地下空间距离潜在水源区域之间的岩层分为不同埋深、不同岩石属性的岩层，然后从成型地下空间中利用岩心钻取机向岩层分别钻孔取岩心，并利用低场核磁共振技术对干燥状态下的岩心进行测试，获得该状态下的各个岩心的基质核磁信号特征；
c.利用钻机向潜在水源区域分别钻取不同深度、不同角度的至少四组监测钻孔组，清除监测钻孔组内的岩屑残渣，并对监测钻孔组进行除水干燥，所述监测钻孔组包括核磁监测钻孔和供电钻孔，其中供电钻孔内布设有用以形成均匀电场的通电导线；
d.将核磁共振微缩传感器送入核磁监测钻孔底部，与核磁共振微缩传感器连接的信号传输线引出监测钻孔组并连接有信号集成放大器，信号集成放大器连接有信号处理器；
e.实时统计信号处理器对不同钻孔位置周围岩层基质内的水信号进行监测，若核磁信号急剧增大时，要对该监测钻孔组区域内依次实施“疏水-注浆-监测”三位一体技术手段，通过疏减岩层内高压水量、注入浆液填充固化和原位实时数据监测的时空协同，实现潜在水缘性灾害的有效防治。
岩层位置分别钻取典型岩心直径为50mm，长度为50mm，利用岩心取样器进行原位保压，且每一地层所采集的典型岩心数量至少为5个。
岩心取样器材质为无机非金属材料PMMR，最大耐温与压力分别为150℃、70MPa。
利用低场核磁共振仪分别对初始状态和完全干燥状态的保压岩心进行核磁信号监测，并对多个典型岩心的核磁数据求均值，得到岩层的初始含水量、孔隙率和渗透率。
每组监测钻孔组包括一个供电钻孔，供电钻孔的周围在钻进面上布置有四个核磁监测钻孔，核磁监测钻孔直径为120-150mm，供电钻孔直径为50-80mm。
四个核磁监测钻孔对应的倾角分别为θ1＝60°、θ2＝45°、θ3＝30°、θ4＝15°对应的方位角分别为α1＝-45°、α2＝-60°、α3＝45°、α4＝60°，且核磁监测钻孔深度均达到与潜在水源区域距离在5-10m的范围内；供电钻孔倾角为四个核磁监测钻孔的中心位置，供电钻孔孔深超过核磁监测钻孔沿轴向方向的孔深长度约1-2m，且要求不钻入含水区。
核磁共振微缩传感器外部设有可以开合的自支撑骨架、头部设有控制自支撑骨架打开的触发端头，当核磁共振微缩传感器的触发端头接触到核磁监测钻孔孔底后控制两侧的自支撑骨架张开，从而将磁共振微缩传感器固定在核磁监测钻孔的轴向方向，偏向误差规定为小于5°。
利用公式△δ＝δ2-δ1计算得到核磁监测钻孔(3-1)成孔之后周围岩体的核磁信号强度δ2与步骤b中干燥岩心的核磁信号强度δ1差；每个核磁监测钻孔中设置的核磁共振微缩传感器间隔一个检测周期时间t1、t2、t3、…、tn发送核磁信号强度差值△δt1、△δt2、△δt3、…、△δtn，若△δt1＝△δt2＝△δt3＝…＝△δtn,则表明岩石结构比较致密导致压力水锋线未向前运移；若△δt1≠△δt2≠△δt3≠…≠△δtn,则表明当前核磁共振微缩传感器附近岩石多尺度孔隙结构由压力水渗流填充，岩石基质内富含大量的水分，反映潜在水源内的压力水出现向四周渗透现象。
对于核磁监测钻孔获得的核磁信号强度，若不同核磁监测钻孔的△δ变化时，构建基于核磁强度差值比△δ％的水侵方向评价方法，即：
Figure GDA0003496250440000031
根据水侵评估方向结果，沿该方向采取响应的“疏水-注浆-监测”三位一体处理方法，式中，Δδitj、Δδmtj分别表示水侵方向沿钻孔i方向、m方向的核磁强度差值比。。
有益效果：本方法能够通过核磁共振微缩传感器对岩层潜在水源位置进行多维时空性监测，从微观层面上揭示了孔隙结构及水体体积分布，通过核磁弛豫谱数据间接说明了水力梯度作用下岩层压力水驱动运移及水量空间演化，揭示了多尺度孔裂隙结构及裂隙水赋存特征的相关关系；另一方面，通过将核磁共振功能微缩化，通过实时实地对岩体内部水体迁移潜在路径进行原位监测，通过构建地层水分布及核磁信号幅值强度的数值表征方法，利用数据分析为后期疏减岩层内高压水量及注入浆液填充固化等工序提供参数优化服务。综上所述，该方法能够实时对潜在地层水源分布及岩层应力响应行为进行监测，可为提高城市基建部门及煤矿生产部门应对突发水害事故的预警预防协作能力提供参考作用。
附图说明
图1是本发明的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法实施示意图。
图2是本发明的核磁监测钻孔组分布示意图。
图3是本发明的核磁监测钻孔倾角及方位角示意图。
图4是本发明的核磁共振微缩传感器结构示意图。
图中：1-潜在水源区域；2-岩层；3-清除监测钻孔组；3-1-核磁监测钻孔组；3-2-供电钻孔；4-核磁共振微缩传感器；4-1-触发端头；4-2-自支撑骨架；5-信号传输线；6-信号集成放大器；7-信号处理器。
具体实施方法
下面结合附图对本发明的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法作进一步的描述：
如图1所述，本发明的一种基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，步骤为：
首先采用电阻率测试法对待检测预警的成型地下空间、隧道及地下水库坝体的主要水源分布区域进行探测，并根据低电阻分布特征获取潜在水源区域1的位置；
利用岩心钻机钻取监测区域不同位置的围岩岩心，将围岩岩心完全干燥后，通过低场核磁共振技术测试获得各个围岩岩心的核磁信号；
采用钻机分别向潜在水源位置钻取多个不同深度、不同角度的核磁监测钻孔3-1，清除核磁监测钻孔3-1内的残余水渣并干燥钻孔，向核磁监测钻孔3-1底部安装低场核磁共振微缩传感器4，利用低场核磁共振微缩传感器4实时检测围岩内水的空间分布演化；
根据低场核磁共振微缩传感器4获得的孔隙核磁特征和相应的水体空间分布演化规律，构建诱发水害的预警阈值和安全评估准则，当低场核磁共振微缩传感器4采集到的水体信号幅值及谱图面积超过阀值后则判断岩层潜在水缘性灾害，从而实现超前报警。
具体步骤为：
a.城市地下空间、隧道或地下水库坝体完型后，利用电阻率测试法对其内部潜在赋存水源进行探测，根据数据反演获得的低电阻区域确定周围岩层潜在水源的大致空间位置；
b.将成型地下空间距离潜在水源区域1之间的岩层分为不同埋深、不同岩石属性的岩层2，岩层2位置分别钻取典型岩心直径为50mm，长度为50mm，利用岩心取样器进行原位保压，且每一地层所采集的典型岩心数量至少为5个；然后从成型地下空间中利用岩心钻取机向岩层2分别钻孔取岩心，岩心取样器材质为无机非金属材料PMMR，最大耐温与压力分别为150℃、70MPa。利用低场核磁共振技术对干燥状态下的岩心进行测试，获得该状态下岩心的基质核磁信号特征；利用低场核磁共振仪分别对初始状态和完全干燥状态的保压岩心进行核磁信号监测，并对多个典型岩心的核磁数据求均值，得到岩层2的初始含水量、孔隙率和渗透率。
c.利如图2所示，用钻机向潜在水源区域1分别钻取不同深度、不同角度的至少四组监测钻孔组3，清除监测钻孔组3内的岩屑残渣，并对监测钻孔组3进行除水干燥，所述监测钻孔组3包括核磁监测钻孔3-1和供电钻孔3-2，其中供电钻孔3-2内布设有用以形成均匀电场的通电导线；其中每组监测钻孔组3包括一个供电钻孔3-2，供电钻孔3-2的周围在钻进面上布置有四个核磁监测钻孔3-1，核磁监测钻孔3-1直径为120-150mm，供电钻孔3-2直径为50-80mm；
如图3所示，四个核磁监测钻孔3-1对应的倾角分别为θ1＝60°、θ2＝45°、θ3＝30°、θ4＝15°对应的方位角分别为α1＝-45°、α2＝-60°、α3＝45°、α4＝60°，且核磁监测钻孔3-1深度均达到与潜在水源区域1距离在5-10m的范围内；供电钻孔3-2倾角为四个核磁监测钻孔3-1的中心位置，供电钻孔3-2孔深超过核磁监测钻孔3-1沿轴向方向的孔深长度约1-2m，且要求不钻入含水区。
d.将核磁共振微缩传感器4送入核磁监测钻孔3-1底部，与核磁共振微缩传感器4连接的信号传输线5引出监测钻孔组3并连接有信号集成放大器6，信号集成放大器6连接有信号处理器7；
e.实时统计信号处理器7对不同钻孔位置周围岩层基质内的水信号进行监测，若核磁信号急剧增大时，要对该监测钻孔组3区域内依次实施“疏水-注浆-监测”三位一体技术手段，通过疏减岩层内高压水量、注入浆液填充固化和原位实时数据监测的时空协同，实现潜在水缘性灾害的有效防治。
具体的，利用公式△δ＝δ2-δ1计算得到核磁监测钻孔(3-1)成孔之后周围岩体的核磁信号强度δ2与步骤b中干燥岩心的核磁信号强度δ1差；每个核磁监测钻孔3-1中设置的核磁共振微缩传感器4间隔一个检测周期时间t1、t2、t3、…、tn发送核磁信号强度差值△δt1、△δt2、△δt3、…、△δtn，若△δt1＝△δt2＝△δt3＝…＝△δtn,则表明岩石结构比较致密导致压力水锋线未向前运移；若△δt1≠△δt2≠△δt3≠…≠△δtn,则表明当前核磁共振微缩传感器4附近岩石多尺度孔隙结构由压力水渗流填充，岩石基质内富含大量的水分，反映潜在水源内的压力水出现向四周渗透现象。
对于核磁监测钻孔3-1获得的核磁信号强度，若不同核磁监测钻孔3-1的△δ变化时，构建基于核磁强度差值比△δ％的水侵方向评价方法，即：
Figure GDA0003496250440000051
根据水侵评估方向结果，沿该方向采取响应的“疏水-注浆-监测”三位一体处理方法，式中，Δδitj、Δδmtj分别表示水侵方向沿钻孔i方向、m方向的核磁强度差值比。。
如图4所示，核磁共振微缩传感器4外部设有可以开合的自支撑骨架、头部设有控制自支撑骨架4-2打开的触发端头4-1，当核磁共振微缩传感器4的触发端头4-1接触到核磁监测钻孔3-1孔底后控制两侧的自支撑骨架4-2张开，从而将磁共振微缩传感器4固定在核磁监测钻孔3-1的轴向方向，偏向误差规定为小于5°。

Claims (8)

1.一种基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于步骤为：
首先采用电阻率测试法对待检测预警的成型地下空间、隧道及地下水库坝体的主要水源分布区域进行探测，并根据低电阻分布特征获取潜在水源区域(1)的位置；
利用岩心钻机钻取监测区域不同位置的围岩岩心，将围岩岩心完全干燥后，通过低场核磁共振技术测试获得各个围岩岩心的核磁信号；
采用钻机分别向潜在水源位置钻取多个不同深度、不同角度的核磁监测钻孔(3-1)，清除核磁监测钻孔(3-1)内的残余水渣并干燥钻孔，向核磁监测钻孔(3-1)底部安装低场核磁共振微缩传感器(4)，利用低场核磁共振微缩传感器(4)实时检测围岩内水的空间分布演化；
根据低场核磁共振微缩传感器(4)获得的孔隙核磁特征和相应的水体空间分布演化规律，构建诱发水害的预警阈值和安全评估准则，当低场核磁共振微缩传感器(4)采集到的水体信号幅值及谱图面积超过阀值后则判断岩层潜在水缘性灾害，从而实现超前报警；
具体步骤为：
a.城市地下空间、隧道或地下水库坝体完型后，利用电阻率测试法对其内部潜在赋存水源进行探测，根据数据反演获得的低电阻区域确定周围岩层潜在水源的大致空间位置；
b.将成型地下空间距离潜在水源区域(1)之间的岩层分为不同埋深、不同岩石属性的岩层(2)，然后从成型地下空间中利用岩心钻取机向岩层(2)钻孔取岩心，并利用低场核磁共振技术对干燥状态下被钻取的岩心进行测试，获得各个干燥岩心的基质核磁信号特征；
c.利用钻机向潜在水源区域(1)分别钻取不同深度、不同角度的至少四组监测钻孔组(3)，清除监测钻孔组(3)内的岩屑残渣，并对监测钻孔组(3)进行除水干燥，所述监测钻孔组(3)包括核磁监测钻孔(3-1)和供电钻孔(3-2)，其中供电钻孔(3-2)内布设有用以形成均匀电场的通电导线；
d.将核磁共振微缩传感器(4)送入核磁监测钻孔(3-1)底部，与核磁共振微缩传感器(4)连接的信号传输线(5)引出监测钻孔组(3)并连接有信号集成放大器(6)，信号集成放大器(6)连接有信号处理器(7)；
e.实时统计信号处理器(7)对不同钻孔位置周围岩层基质内的水信号进行监测，若核磁信号急剧增大时，要对该监测钻孔组(3)区域内依次实施“疏水-注浆-监测”三位一体技术手段，通过疏减岩层内高压水量、注入浆液填充固化和原位实时数据监测的时空协同，实现潜在水缘性灾害的有效防治；
利用公式△δ＝δ2-δ1计算得到核磁监测钻孔(3-1)成孔之后周围岩体的核磁信号强度δ2与步骤b中干燥岩心的核磁信号强度δ1差，每个核磁监测钻孔(3-1)中设置的核磁共振微缩传感器(4)间隔一个检测周期时间t1、t2、t3、…、tn发送核磁信号强度差值△δt1、△δt2、△δt3、…、△δtn，若△δt1＝△δt2＝△δt3＝…＝△δtn,则表明岩石结构比较致密导致压力水锋线未向前运移；若△δt1≠△δt2≠△δt3≠…≠△δtn,则表明当前核磁共振微缩传感器(4)附近岩石多尺度孔隙结构由压力水渗流填充，岩石基质内富含大量的水分，反映潜在水源内的压力水出现向四周渗透现象。
2.根据权利要求1所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：岩层(2)位置分别钻取典型岩心直径为50mm，长度为50mm，利用岩心取样器进行原位保压，且每一地层所采集的典型岩心数量至少为5个。
3.根据权利要求2所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：岩心取样器材质为无机非金属材料PMMR，最大耐温与压力分别为150℃、70MPa。
4.根据权利要求3所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：利用低场核磁共振仪分别对初始状态和完全干燥状态的保压岩心进行核磁信号监测，并对多个典型岩心的核磁数据求均值，得到岩层(2)的初始含水量、孔隙率和渗透率。
5.根据权利要求1所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：每组监测钻孔组(3)包括一个供电钻孔(3-2)，供电钻孔(3-2)的周围在钻进面上布置有四个核磁监测钻孔(3-1)，核磁监测钻孔(3-1)直径为120-150mm，供电钻孔(3-2)直径为50-80mm。
6.根据权利要求5所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：四个核磁监测钻孔(3-1)对应的倾角分别为θ1＝60°、θ2＝45°、θ3＝30°、θ4＝15°对应的方位角分别为α1＝-45°、α2＝-60°、α3＝45°、α4＝60°，且核磁监测钻孔(3-1)深度均达到与潜在水源区域(1)距离在5-10m的范围内；供电钻孔(3-2)倾角为四个核磁监测钻孔(3-1)的中心位置，供电钻孔(3-2)孔深超过核磁监测钻孔(3-1)沿轴向方向的孔深长度约1-2m，且要求不钻入含水区。
7.根据权利要求1所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：核磁共振微缩传感器(4)外部设有可以开合的自支撑骨架、头部设有控制自支撑骨架(4-2)打开的触发端头(4-1)，当核磁共振微缩传感器(4)的触发端头(4-1)接触到核磁监测钻孔(3-1)孔底后控制两侧的自支撑骨架(4-2)张开，从而将磁共振微缩传感器(4)固定在核磁监测钻孔(3-1)的轴向方向，偏向误差规定为小于5°。
8.根据权利要求1所述的基于核磁共振微缩传感器的地下空间水缘性灾害预警方法，其特征在于：对于核磁监测钻孔(3-1)获得的核磁信号强度，若不同核磁监测钻孔(3-1)的△δ变化时，构建基于核磁强度差值比△δ％的水侵方向评价方法，即：
Figure FDA0003496250430000021
根据水侵评估方向结果，沿该方向采取响应的“疏水-注浆-监测”三位一体处理方法，式中，Δδitj、Δδmtj分别表示水侵方向沿钻孔i方向、m方向的核磁强度差值比。
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