專利名稱：對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置及探測方法
技術領域：
本發明涉及一種利用核磁共振對含水體進行檢測的地球物理勘探設備，尤其是用 垂直線圈對正前方水體進行超前探測的核磁共振探測裝置及探測方法。
背景技術：
在地下工程中，特別是隧道、礦井等大型地下掘進工程中，由于地質條件復雜，由 地下水引起的突水、涌泥等地質災害時有發生，給施工安全帶來了巨大的災難和無法估計 的經濟損失。如何對地下工程中前方的含水體進行準確、有效的探測，成為了地球物理勘探 方法中的一個重要研究方向。CN201037869公開了一種“無源巷/隧道超前探測儀”，由探測傳感器與輸出端信 號聯通的兩個信號采集器以及用于接受信號采集器輸出端信號的信號數據采集器組成。是 依據地質體輻射出來的天然電磁波量值的大小，通過數理方程將電壓值轉化為地質體的反 射系數，再結合已知的地質資料，解釋出探測前方巖層厚度的變化、破碎帶、小斷層產狀。CN101603423公開了“一種在煤礦巷道內順層超前探測含水構造的直流電法方 法”使用礦井直流電法七電極系探測裝置，在煤礦巷道掘進頭附近布置4根供電電極Al、 A2、A3、A4構成一直線排列，分別與無窮遠處布置的另一根供電電極B構成回路，向地下供 入直流電，建立直流電場，同時在巷道后方使用2根相對固定距離的電極M、N測量其電場分 布規律，通過專用配套解釋技術處理后，得到掘進巷道或隧道迎頭前方Om 140m內的地質 體的電性分布信息。上述發明所設計的超前探測裝置及方法有較遠的探測深度，探測效率 和精度也較高，但是都有一個共同的不足，就是這些裝置都是通過勘查含水構造及層位來 對含水體是否存在進行判斷的，是一種間接測量方法，不能準確獲得前方水體的含水層厚 度、含水量大小等重要信息參數。CN01278229. 7公開了一種“核磁共振地下水層探測儀”，包括信號檢測器，其特征
在于，該信號檢測器的一輸入端連接一第一開關，該第一開關的另端串接一變速電阻器，該 變速電阻器的另端串接第二和第三兩開關，第二開關的另端串接一限流電阻，并依序串接 有整流器和發電機，該發電機的另端與信號檢測器的另一端連接，其中該第二和第三兩開 關之間接有一第一電容器，該第一電容器的另端與信號檢測器的另一端連接，該第一開關 與變速電阻器之間接有一線圈，該線圈的另端與信號檢測器的另一端連接，該信號檢測器 的兩端之間有一電容器。CN1936621公開一種“核磁共振與瞬變電磁聯用儀及其方法”，是將核磁共振與瞬 變電磁組合成一體的核磁共振與瞬變電磁聯用儀及其方法。首先將聯用儀選擇在瞬變電磁 工作模式下，在測線上鋪設發射線圈和接收線圈，對測區內每一個測點進行測量，測量完畢 后，對瞬變電磁數據進行初步的處理，找出低電阻率點，并對低電阻率異常測點標定；再將 聯用儀切換到核磁共振工作模式下，并以已標定的異常測點為中心鋪設發射線圈進行核磁 共振測量工作，以測得數據或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進行比較，用以判斷瞬變 電磁所測的電阻率異常目的層的真偽。上述發明，只適用于在地面上對地下水體進行探測，尚無法應用在地下工程中對前方水體進行超前探測。
發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術的不足，提供一種對前方水體超前探測的核 磁共振探測裝置及探測方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置，是由計算機1通過串口總線分別與系 統控制器6、大功率電源7、信號采集單元2相連，系統控制器6通過控制線經橋路驅動器8、 大功率H型發射橋路9和配諧電容10與發射線圈12相連，大功率電源7經大功率H型發 射橋路9與發射線圈12相連，系統控制器6通過控制線分別與保護開關5、信號調理單元4 及信號采集單元2相連，采集單元2經放大器3、信號調理單元4和保護開關5與接收線圈 11連結構成。系統控制器6是由CPU通過控制線分別與計時器I、采集同步信號輸出端口、開關 同步信號輸出端口、計時器II、信號調理單元配置信號輸出端口、頻率發生器、橋路驅動信 號輸出端口、計時器III、通訊模塊連接構成。對前方水體超前探測的核磁共振探測方法，包括以下順序和步驟a、在測區內選擇一測點，以該測點的假想直立面為線圈的鋪設平面，鋪設接收線 圈11與發射線圈12 ；b、計算機1通過串口總線控制大功率電源7，設置大功率電源7的輸出電壓，通過 改變輸出電壓的大小，來改變在發射線圈12上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發 磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測；C、系統控制器6產生40ms頻率信號，通過橋路驅動器8對發射橋路9進行驅動， 發射橋路9被驅動后，利用大功率電源7產生的輸出電壓向配諧電容10及發射線圈12施 加40ms發射電流，實現對前方水體的激發。d、在激發時，系統控制器6控制保護開關，使其處于斷開狀態，對信號接收端進行 保護，當激發結束后，經過90-120ms，系統控制器6控制保護開關閉合，將接收線圈11中所 產生的信號通過保護開關送入信號調理單元；e、信號調理單元對信號進行濾波處理，系統控制器6通過控制線控制信號調理單 元4中濾波器的中心頻率與帶寬，濾除摻雜在信號中的噪聲，將相對純凈的信號送入放大 器3，放大器3對微弱的信號進行放大后，送至信號采集單元2，系統控制器6控制信號采集 單元2的采集開始與結束時間，信號采集單元2利用模數轉換器將放大器3輸出的模擬信 號轉換成數字信號，利用串口總線，將轉換后得到的數據送至計算機1，進行數據的保存與 顯不；f、將步驟e保存與顯示的核磁共振信號進行特征參數提取，獲得弛豫時間、初始 振幅、頻率參數，將測得的數據進行反演處理，估算出涌水量、滲透率水文地質參數，為可能 發生的突水、涌泥地質災害提供預報依據。有益效果本發明是依據核磁共振探測原理，采用垂直線圈，對水平前方的含水體 進行超前探測，是一種直接探測含水體的裝置和探測方法，相對于其他間接探測方法而言， 可以對前方是否存在含水體，以及含水體的含水量大小等重要信息做出準確、有效的檢測。采用垂直布設線圈模式，有效的降低了線圈的占用面積，使該裝置可以在更加狹小的空間 中展開勘探工作，為保障隧道、礦井等地下工程的施工安全，防止發生因前方水體引起的突 水、涌泥等地質災害，提供了一種有效的超前探測。可在煤田礦井生產現場或隧道施工現場 準確探明出前方一定距離內地下地質情況，減少因前方地質情況不明所引起的突水、涌泥 等地質災害造成的礦難或隧道施工中因地質災害引發的各種事故。
圖1是對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置結構框圖。圖2是附體1中系統控制器6的結構框圖。 1計算機，2信號采集單元，3放大器，4信號調理單元，5保護開關，6系統控制器， 7大功率電源，8橋路驅動器，9大功率H型發射橋路，10配諧電容，11接收線圈，12發射線圈。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置，是由計算機1通過串口總線與系統控 制器6及大功率電源7相連，系統控制器6通過控制線與橋路驅動器8相連，橋路驅動器8 通過信號線與發射橋路9相連，大功率電源的輸出端通過交互信號線與發射橋路9相連，發 射橋路9的輸出端通過信號線與配諧電容10相連，配諧電容10通過信號線與發射線圈12 相連，發射橋路9通過信號線與發射線圈12相連。接收線圈11通過信號線與保護開關5 的一端相連，保護開關5的另一端通過信號線與信號調理單元4的輸入端相連，信號調理單 元4的輸出端通過信號線與放大器3的輸入端相連，放大器3的輸出端通過信號線與信號 采集單元2的輸入端相連，信號采集單元的輸出端通過串口總線與計算機1相連。系統控 制器6通過控制線分別與保護開關5、信號調理單元4及信號采集單元2相連。本裝置的具 體工作過程是在發射階段由計算機1發出一個充電指令給大功率電源7，充電指令中包括需要 充到的電壓值，大功率電源7根據計算機1發出的電壓值要求開始利用電源內部的DCDC模 塊給電源中的儲能電容進行充電，當大功率電源的儲能電容中電壓達到計算機1的設置水 平后，電源停止充電，并給計算機1回傳一個電壓充電完畢的指令。當計算機1收到大功率 電源7發出的充電完畢的指令后，計算機1產生一個準許發射的指令，系統控制器6收到準 許發射指令后，產生一組同被測地區拉莫爾頻率相同頻率的信號，信號持續的時間和信號 自身的頻率由計算機1控制。系統控制器6將這組信號送至橋路驅動器8，橋路驅動器8將 此信號放大后，送至大功率H型發射橋路9。在大功率H型橋路9中，發射線圈12以及配諧 電容10被看做為一個串聯諧振系統，大功率H型發射橋路9將大功率電源7的輸出電壓作 為發射電壓加載在發射線圈12以及配諧電容10的兩端，將橋路驅動器8的輸出信號作為 橋路輸入信號，控制橋路中各個功率開關器件的交替導通狀態，在發射線圈12中便產生了 一個高壓交變的電流信號，此電流信號通過發射線圈12產生了交變磁場，完成了對地下水 的激發。在接收階段根據核磁共振原理，在地下水受激發一定時間后，突然撤去激發場，地下水中的氫質子會產生一個弛豫效應，表現為在接收線圈11中產生一個衰減的電信號。 在發射過程中，保護開關5處于斷開狀態，對系統的接收部分起到一個保護作用，當發射結 束后，經過一段時間的延遲，系統控制器6發出一個控制信號，令保護開關5閉合，接收線圈 11中接收到的微弱電信號通過保護開關5進入系統的信號調理單元4。系統控制器6通過 產生一組命令，設置信號調理單元4中的各個參數，信號通過信號調理單元4后，混疊在信 號調理單元4中的電磁噪聲干擾會被一定程度的濾除，信號調理單元4將比較純凈的信號 送至放大器3，將信號進行放大。放大器3將微弱的核磁共振信號放大至符合信號采集單元 2的輸入要求，信號采集單元2將放大器輸出的模擬信號轉換為數字信號，并送至計算機1 中保存下來，完成對核磁共振信號的接收。利用垂直線圈對前方水體超前探測的核磁共振探測方法，包括以下順序和步驟在測區內選擇一測點，以該測點的垂直面為線圈的鋪設平面，鋪設接收線圈11和 發射線圈12 ；在鋪設過程中，需借助支架對線圈進行垂直擺放。計算機1通過串口總線控制大功率電源7，設置大功率電源7的輸出電壓。通過改 變輸出電壓的大小，來改變在發射線圈12上的激發電流的大小，即產生不同強度的激發磁 場。通過不同強度磁場的激發，完成距離發射線圈不同遠近水體的探測。系統控制器6產 生40ms的頻率信號，通過橋路驅動器8對發射橋路9進行驅動。發射橋路9被驅動后，利 用大功率電源7產生的輸出電壓向配諧電容10及發射線圈12施加40ms的發射電流，完成 對前方水體的激發。在激發時，系統控制器6控制保護開關，使其處于斷開狀態，對信號接 收端進行保護。當激發結束后，經過IOOms時間，系統控制器6控制保護開關閉合，將接收 線圈11中所產生的信號通過保護開關送入信號調理單元。信號調理單元對信號進行濾波 處理，系統控制器6通過控制線控制信號調理單元4中濾波器的中心頻率與帶寬，濾除摻雜 在信號中的噪聲，將相對純凈的信號送入放大器3，放大器3對微弱的信號進行放大后，送 至信號采集單元2，系統控制器6控制信號采集單元2的采集開始與結束時間，信號采集單 元2利用模數轉換器將放大器3輸出的模擬信號轉換成數字信號，利用串口總線，講轉換后 得到的數據送至上位機1，進行數據的保存與顯示。將上述提取的核磁共振信號進行特征參數提取，獲得弛豫時間、初始振幅、頻率等 參數，將測得的數據進行反演處理，并估算出涌水量、滲透率等水文地質參數，為可能發生 的突水、涌泥等地質災害提供預報依據。
權利要求
1.一種對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置，其特征在于，計算機(1)通過串口 總線分別與系統控制器(6)、大功率電源(7)、信號采集單元(2)相連，系統控制器(6)通過 控制線經橋路驅動器(8)、大功率H型發射橋路(9)和配諧電容(10)與發射線圈(12)相 連，大功率電源(7)經大功率H型發射橋路(9)與發射線圈(12)相連，系統控制器(6)通 過控制線分別與保護開關(5)、信號調理單元(4)及信號采集單元(2)相連，采集單元(2) 經放大器(3)、信號調理單元(4)和保護開關(5)與接收線圈(11)連結構成。
2.按照權利要求1所述的對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置，其特征在于，系 統控制器(6)是由CPU通過控制線分別與計時器I、采集同步信號輸出端口、開關同步信號 輸出端口、計時器II、信號調理單元配置信號輸出端口、頻率發生器、橋路驅動信號輸出端 口、計時器III、通訊模塊連接構成。
3.按照權利要求1所述的對前方水體超前探測的核磁共振探測方法，其特征在于，包 括以下順序和步驟a、在測區內選擇一測點，以該測點的假想直立面為線圈的鋪設平面，鋪設接收線圈(11)與發射線圈(12)；b、計算機⑴通過串口總線控制大功率電源(7)，設置大功率電源(7)的輸出電壓，通 過改變輸出電壓的大小，來改變在發射線圈(1 上的激發電流的大小，即產生不同強度的 激發磁場，通過不同強度磁場的激發，實現距發射線圈不同遠近水體的探測；c、系統控制器(6)產生40ms頻率信號，通過橋路驅動器(8)對發射橋路(9)進行驅動， 發射橋路(9)被驅動后，利用大功率電源(7)產生的輸出電壓向配諧電容(10)及發射線圈(12)施加40ms發射電流，實現對前方水體的激發。d、在激發時，系統控制器(6)控制保護開關，使其處于斷開狀態，對信號接收端進行保 護，當激發結束后，經過90-120ms，系統控制器(6)控制保護開關閉合，將接收線圈(11)中 所產生的信號通過保護開關送入信號調理單元；e、信號調理單元對信號進行濾波處理，系統控制器(6)通過控制線控制信號調理單元 (4)中濾波器的中心頻率與帶寬，濾除摻雜在信號中的噪聲，將相對純凈的信號送入放大器 (3)，放大器(3)對微弱的信號進行放大后，送至信號采集單元O)，系統控制器(6)控制信 號采集單元O)的采集開始與結束時間，信號采集單元(2)利用模數轉換器將放大器(3) 輸出的模擬信號轉換成數字信號，利用串口總線，將轉換后得到的數據送至計算機(1)，進 行數據的保存與顯示；f、將步驟e保存與顯示的核磁共振信號進行特征參數提取，獲得弛豫時間、初始振幅、 頻率參數，將測得的數據進行反演處理，估算出涌水量、滲透率水文地質參數，為可能發生 的突水、涌泥地質災害提供預報依據。
全文摘要
本發明涉及一種對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置及探測方法。是由計算機通過串口總線分別與系統控制器、大功率電源、信號采集單元相連，系統控制器經橋路驅動器、大功率H型發射橋路和配諧電容與發射線圈連結構成。與現有技術相比對前方是否存在含水體，以及含水體的含水量大小等重要信息做出準確、有效的檢測。采用垂直布設線圈模式，有效的降低了線圈的占用面積，使該裝置可以在更加狹小的空間中展開勘探工作。可在煤田礦井生產現場或隧道施工現場直接準確探明出前方一定距離內地下地質情況，減少因前方地質情況不明所引發的突水、涌泥等地質災害造成的礦難或隧道施工中因地質災害引發的各種事故。
文檔編號G01V3/14GK102062877SQ20101057604
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者易曉峰, 曹桂欣, 林君, 樊偉, 段清明, 田寶鳳, 蔣川東 申請人:吉林大學