專利名稱：核磁共振差分探測坑道突水超前預測裝置及探測方法
技術領域：
本發明涉及一種利用核磁共振原理對坑道周圍含水體進行精確定位的地球物理勘探設備，尤其是利用“一發二收”兩個平行線圈對坑道上下或左右方水體進行精確定位的核磁共振探測裝置及探測方法。
背景技術：
在隧道、礦井等地下掘進工程中，由于地質條件復雜，由地下水引起的突水等地質災害時有發生，給施工帶來了巨大的災難和經濟損失。對地下工程中周圍的含水體進行準確的探測，可為減少未知水體引發的坑道突水事故提供重要信息。目前具有的隧道突水超前預報技術主要有地質觀測法根據隧道內外地質調查結果，分析確定隧道施工掌子面前方地質體導、儲水的可能性。該方法在相當程度上依賴于實施預報人員的經驗及其對隧道址區工程地質條件的掌握程度；探孔法是一種直接探水的方法，對于基巖裂隙水效果明顯。但對巖溶水、與地表水有直接聯系的導水性能極好的斷層破碎帶涌水有較大的鉆孔涌水危險；紅外探水法利用地下水體產生的紅外輻射場異常進行水體探測，對圍巖巖體是否含水有效，但不能確定含水量的大小，且受隧道內施工干擾影響大；視電阻率法利用水體和巖體電阻率差異，判斷是否可能有水和水體輪廓。但對于視電阻率參數與水差別不大的淤泥等地質體卻難以區分；瞬變電磁法向工作面前方發射一束脈沖電磁場(稱為一次場)，并在一次場間隙期間，利用接收探頭測量前方目標體感應的渦流場變化。這種變化主要取決于目標體的電阻率和極化率。這種方法同樣不能區分電阻率和極化率參數與水差別不大的淤泥等地質體；地震法利用地震探測設備激發一個人工地震波，波信號在隧道周圍巖體內傳播， 當遇到巖石波阻抗差異界面(巖石強度發生變化、地層層面、節理面)時，特別是斷層破碎帶界面和溶洞、暗河、巖溶、淤泥帶等不良地質界面時，一部分地震信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質，反射的地震信號將被探測設備的檢波器接收。根據返回信號數據的延遲時間、強度和方向，通過軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質(軟性巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規模。由此推斷出有可能的含水構造。可見，這種方法是根據推算出的地質構造預測含水構造的，不能作出是否肯定含水的結論；聲波探測法利用掘進機械切割巖石所激發的聲波信號的同步信號檢測器，檢測工作面前方經巖體反射回來的反射聲波信號，經過分析計算，推斷前方的地質構造，判斷可能的含水構造。該方法也是一種間接判斷法，不能直接定位地下水體；溫差法一般情況下，隨著埋深的加大，地面以下巖體的溫度越來越高。但地下水體及其在巖體中的循環流動，會降低(常規水體)或提高(地下熱水流)水體周邊一定范圍的巖體的溫度。利用這一現象，通過測量隧道內溫度的變化，預測前方可能的含水體。但不能準確得到潛在水體的含水量大小等重要的參數。這些方法多數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，是間接的測量方法，不能準確得到潛在水體的含水量大小等重要的參數。而利用核磁共振方法探測地下水是一種直接的探測方法。潘玉玲、張昌達編著《地面核磁共振找水理論和方法》O000. 8，武漢，中國地質大學出版社ISBN 7-5625-1551-4)介紹了一種法國產的核磁共振找水儀，由發射系統、信號接收系統、微機控制與記錄系統等部分組成。其有益效果為可以直接探測150米深度以內的地下水。2006年吉林大學姜艷秋碩士學位論文《地面核磁共振找水儀發射機的研制》介紹了地面核磁共振找水儀發射機中各部分電路設計。2008年吉林大學高東旭碩士學位論文 《核磁共振找水儀弱信號放大器設計》介紹了地面核磁共振找水儀信號調理電路設計。2009 年吉林大學蔣川東碩士學位論文《核磁共振地下水探測系統數據處理軟件的設計與應用介紹了通過核磁共振地下水探測信號的激發發射電流、發射持續時間、接收核磁共振信號初始幅度、弛豫時間等參數得到地下含水層與發射并接收線圈距離、厚度和含水率，并估計出滲透率和導水系數，涌水量的大小的方法。2010SR017733計算機軟件著作權登記《核磁共振地下水探測儀(JLMRQ數據處理軟件[簡稱JLMRS數據處理軟件VI. 0》計算機軟件實現了核磁共振探測中水文地質參數的計算方法，包括含水層與發射并接收線圈距離、水層厚度、 含水率的計算，和滲透率、導水系數、涌水量等參數的估算。理論上，只要有水的存在，就會產生核磁共振信號。但是這種核磁共振信號能否被測到，取決于探測儀器的探測靈敏度高低。水體規模越大，距離越近，信號就越強，也就容易被探測到，而這樣的潛在水體也就容易對掘進工程構成損害。就目前可以達到的探測靈敏度而言，可以對工程造成上述影響規模和距離的水體是可以被測到的。地質體中的水體不僅存在于掘進前方，在坑道的兩側、頂底板都可能存在，這是重要的安全隱患。
發明內容
本發明的目的就在于針對現有技術的不足，提供一種核磁共振差分探測坑道突水超前預測裝置；本發明的另一目的是提供一種核磁共振差分探測坑道突水超前預測方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的是由計算機1通過串口總線14經高壓電源4與發射橋路5連接，計算機1通過串口總線15與主控制單元2連接，計算機1通過串口總線16與信號調理電路6連接，計算機 1通過串口總線17與多通道采集電路7連接，計算機1通過串口總線18與信號調理電路 10連接，主控制單元2通過控制線19與發射驅動電路3相連接，主控制單元2通過控制線 20分別與第一保護開關8和第二保護開關11連接，發射與接收一體線圈12兩端經第一保護開關8和第一信號調理電路6與多通道采集電路7連接，接收多匝線圈13兩端經第二保護開關11和第二信號調理電路10與多通道采集電路7連接，發射與接收一體線圈12 —端與發射橋路5連接，另一端經配諧電容9與發射橋路5連接，主控制單元2經發射驅動電路 3與發射橋路5連接構成。
核磁共振差分探測坑道突水超前預測方法，包括以下順序和步驟a、鋪設線圈，如探測坑道兩側，發射與接收一體線圈12豎直布設在前進方向左側坑道壁上，接收多匝線圈13豎直布設在發射與接收一體線圈12的對面右側坑道壁上；b、打開核磁共振差分探測坑道突水超前探測裝置，計算機1發出預測命令，主控制單元2通過控制線20控制保護開關8和保護開關11處于斷開狀態，對信號調理電路6 和信號調理電路10進行保護；C、主控制單元2產生20-30毫秒的拉莫爾頻率的控制信號，通過發射驅動電路3 對發射橋路5進行控制；d、計算機1通過串口總線14控制高壓電源4，設置高壓電源4的輸出電壓，改變高壓電源4輸出電壓的大小，通過發射橋路5改變發射與接收一體線圈12和配諧電容9上的發射電流的大小，產生不同強度的激發磁場，激發不同距離的水體；e、發射結束后經過20-30毫秒的間隙時間，主控制單元2控制保護開關8和保護開關11閉合，將發射與接收一體線圈12接收到的信號通過保護開關8送入信號調理電路 6，將接收多匝線圈13接收到的信號通過保護開關11送入信號調理電路10 ；f、信號調理電路6對左側接收到的信號進行濾波處理和放大，信號調理電路10對右側接收到的信號進行濾波處理和放大，計算機1通過控制線16控制信號調理電路6對左側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路7，計算機1通過控制線18控制信號調理電路10對右側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路7，計算機1 通過串口總線17控制多通道采集電路7的采集開始與結束時間，多通道信號采集電路7利用模數轉換器將信號調理電路6和信號調理電路10輸出的模擬信號轉換成數字信號，利用串口總線17，將轉換后得到的數據送至計算機1，進行數據的保存與處理；g、計算機1將發射與接收一體線圈12和接收多匝線圈13兩個線圈接收到的核磁共振信號進行數據處理，獲得弛豫時間、初始振幅和相移參數；h、計算機1通過差分反演判斷水體的相對位置，當發射與接收一體線圈12接收得到的初始振幅大于接收多匝線圈13接收得到的初始振幅，水體在左側，當接收多匝線圈13 接收到的初始振幅大于發射與接收一體線圈12接收到的初始振幅，水體在右側，當接收多匝線圈13和發射與接收一體線圈12接收得到的初始振幅基本沒有差別，左右兩側都有水體；i、計算機1通過發射電流值和發射持續時間反演得到水體與發射與接收一體線圈12的距離；j、計算機1通過初始振幅反演得到水體所處地質體的含水率，通過弛豫時間反演得到水體所處地質體的滲透系數。有益效果本發明結合核磁共振探測原理，采用兩個接收線圈同時接收核磁共振信號，根據接收回的信號進行數據處理，精確地定位含水體的位置、大小、含水率、滲透系數，為礦井、隧道施工提供參考數據，能夠更加準確地避免由未知水體引起的突水災害。
圖1是核磁共振差分探測坑道突水超前預測裝置結構圖。圖2是附圖1中多通道采集電路7的結構框圖
圖3是核磁共振差分探測坑道突水超前預測方法施工示意圖，左側為發射-接收一體多匝線圈12，右側為接收多匝線圈13。1計算機，2主控制單元，3發射驅動電路，4高壓電源，5發射橋路，6第一信號調理電路，7多通道采集電路，8第一保護開關，9配諧電容，10第二信號調理電路，11第二保護開關，12發射-接收一體多匝線圈，13接收多匝線圈，14、15、16、17、18串口總線，19,20控制總線。
具體實施例方式核磁共振差分探測坑道突水超前預測是通過如下方式實施的是由計算機1通過串口總線14經高壓電源4與發射橋路5連接，計算機1通過串口總線15與主控制單元2連接，計算機1通過串口總線16與信號調理電路6連接，計算機 1通過串口總線17與多通道采集電路7連接，計算機1通過串口總線18與信號調理電路 10連接，主控制單元2通過控制線19與發射驅動電路3相連接，主控制單元2通過控制線 20分別與第一保護開關8和第二保護開關11連接，發射與接收一體線圈12兩端經第一保護開關8和第一信號調理電路6與多通道采集電路7連接，接收多匝線圈13兩端經第二保護開關11和第二信號調理電路10與多通道采集電路7連接，發射與接收一體線圈12 —端與發射橋路5連接，另一端經配諧電容9與發射橋路5連接，主控制單元2經發射驅動電路 3與發射橋路5連接構成附圖2中的待采集信號1和待采集信號2分別來自附圖1中的第一信號調理電路 6和第二信號調理電路10。核磁共振差分探測坑道突水超前探測方法，包括以下順序和步驟a、鋪設線圈，如探測坑道兩側，發射與接收一體線圈12豎直布設在前進方向左側坑道壁上，接收多匝線圈13豎直布設在發射與接收一體線圈12的對面右側坑道壁上；b、打開核磁共振差分探測坑道突水超前探測裝置，計算機1發出預測命令，主控制單元2通過控制線20控制保護開關8和保護開關11處于斷開狀態，對信號調理電路6 和信號調理電路10進行保護；C、主控制單元2產生20-30毫秒的拉莫爾頻率的控制信號，通過發射驅動電路3 對發射橋路5進行控制；d、計算機1通過串口總線14控制高壓電源4，設置高壓電源4的輸出電壓，改變高壓電源4輸出電壓的大小，通過發射橋路5改變發射與接收一體線圈12和配諧電容9上的發射電流的大小，產生不同強度的激發磁場，激發不同距離的水體；e、發射結束后經過20-30毫秒的間隙時間，主控制單元2控制保護開關8和保護開關11閉合，將發射與接收一體線圈12接收到的信號通過保護開關8送入信號調理電路 6，將接收多匝線圈13接收到的信號通過保護開關11送入信號調理電路10 ；f、信號調理電路6對左側接收到的信號進行濾波處理和放大，信號調理電路10對右側接收到的信號進行濾波處理和放大，計算機1通過控制線16控制信號調理電路6對左側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路7，計算機1通過控制線18控制信號調理電路10對右側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路7，計算機1 通過串口總線17控制多通道采集電路7的采集開始與結束時間，多通道信號采集電路7利用模數轉換器將信號調理電路6和信號調理電路10輸出的模擬信號轉換成數字信號，利用串口總線17，將轉換后得到的數據送至計算機1，進行數據的保存與處理；g、計算機1將發射與接收一體線圈12和接收多匝線圈13兩個線圈接收到的核磁共振信號進行數據處理，獲得弛豫時間、初始振幅和相移參數；h、計算機1通過差分反演判斷水體的相對位置，當發射與接收一體線圈12接收得到的初始振幅大于接收多匝線圈13接收得到的初始振幅，水體在左側，當接收多匝線圈13 接收到的初始振幅大于發射與接收一體線圈12接收到的初始振幅，水體在右側，當接收多匝線圈13和發射與接收一體線圈12接收得到的初始振幅基本沒有差別，左右兩側都有水體；i、計算機1通過發射電流值和發射持續時間反演得到水體與發射與接收一體線圈12的距離；j、計算機1通過初始振幅反演得到水體所處地質體的含水率，通過弛豫時間反演得到水體所處地質體的滲透系數。本裝置的具體工作過程是以坑道測點左側的垂直面為線圈12的安裝平面，安裝線圈12，在線圈12的對面 (即坑道測點右側)的垂直面為線圈13的安裝平面，安裝線圈13 ；主控制單元2通過控制線20控制保護開關8和保護開關11，使其處于斷開狀態，對第一信號調理電路6和第二信號調理電路10進行保護；主控制單元2產生20-30毫秒的當地拉莫爾頻率的控制信號，通過發射驅動電路3對發射橋路5進行控制；計算機1通過串口總線14控制高壓電源4，設置高壓電源4的輸出電壓；改變高壓電源4輸出電壓的大小，通過發射橋路5，改變在發射線圈12和配諧電容9上的發射電流的大小，即產生不同強度的激發磁場，激發不同距離的水體。發射結束后經過20毫秒的間隙時間，主控制單元2控制第一保護開關8和第二保護開關11閉合，將線圈12中所接收到的信號通過第一保護開關8送入第一信號調理電路6， 將線圈13所接收到的信號通過第二保護開關11送入第二信號調理電路10 ；第一信號調理電路6對左側接收到的信號進行濾波處理和放大，第二信號調理電路10對右側接收到的信號進行濾波處理和放大，計算機1通過控制線16控制第一信號調理電路6對左側微弱的信號進行放大和濾波，送至多通道采集電路7，計算機1通過控制線18控制第二信號調理電路10對右側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路7，計算機1通過串口總線17控制多通道信號采集電路7的采集開始與結束時間，多通道信號采集電路7利用模數轉換器將第一信號調理電路6和第二信號調理電路10輸出的模擬信號轉換成數字信號，利用串口總線17，將轉換后得到的數據送至計算機1，進行數據的保存與處理；計算機1將發射-接收一體多匝線圈12和接收多匝線圈13兩個線圈接收到的核磁共振信號進行特征參數提取，獲得弛豫時間、初始振幅和相移等參數，利用核磁共振差分探測坑道突水超前預測反演軟件進行反演處理；如果線圈12接收得到的初始振幅大于線圈13接收得到的初始振幅，便說明水體在左側。反之如果線圈13接收得到的初始振幅大于線圈12接收得到的初始振幅，便說明水體在右側，如果線圈13和線圈12接收得到的初始振幅基本沒有差別，說明左右兩側都有水體。利用發射電流的大小和發射持續時間便可反演出水體與發射-接收一體多匝線圈12的距離。由計算機1計算得到的初始振幅可反演得到含水率。由計算機1計算得到弛豫時間可反演得到水體所處地質體滲透系數。計算機1將發射與接收一體線圈12和接收多匝線圈13兩個線圈接收到的核磁共振信號進行數據處理，獲得弛豫時間、初始振幅和相移參數；通過初始振幅反演得到水體所處地質體的含水率，通過弛豫時間反演得到水體所處地質體的滲透系數。 上面是以探測坑道左右方向的水體為例說明，當探測上下方向的水體時，只要把上面的“左”改為“下”，把“右”改為“上”即可探測坑道頂板、底板的突水超前預測。掘進前方的突水預測，只要將發射與接收一體線圈12豎直布設在掘進前方的掌子面上即可預測掘進前方的水體。
權利要求
1.一種核磁共振差分探測坑道突水超前預測裝置，其特征在于，是由計算機(1)通過串口總線(14)經高壓電源⑷與發射橋路(5)連接，計算機⑴通過串口總線(15)與主控制單元(2)連接，計算機⑴通過串口總線(16)與信號調理電路(6)連接，計算機⑴ 通過串口總線(17)與多通道采集電路(7)連接，計算機⑴通過串口總線(18)與信號調理電路(10)連接，主控制單元(2)通過控制線(19)與發射驅動電路(3)相連接，主控制單元(2)通過控制線00)分別與第一保護開關(8)和第二保護開關(11)連接，發射與接收一體線圈(12)兩端經第一保護開關(8)和第一信號調理電路(6)與多通道采集電路(7) 連接，接收多匝線圈(13)兩端經第二保護開關(11)和第二信號調理電路(10)與多通道采集電路(7)連接，發射與接收一體線圈(12) —端與發射橋路(5)連接，另一端經配諧電容(9)與發射橋路( 連接，主控制單元( 經發射驅動電路C3)與發射橋路( 連接構成。
2.一種核磁共振差分探測坑道突水超前預測方法，其特征在于，包括以下順序和步驟a、鋪設線圈，如探測坑道兩側，發射與接收一體線圈(1 豎直布設在前進方向左側坑道壁上，接收多匝線圈(1 豎直布設在發射與接收一體線圈(1 對面的右側坑道壁上；b、打開核磁共振差分探測坑道突水超前探測裝置，計算機(1)發出預測命令，主控制單元(2)通過控制線00)控制保護開關(8)和保護開關(11)處于斷開狀態，對信號調理電路(6)和信號調理電路(10)進行保護；c、主控制單元( 產生20-30毫秒的拉莫爾頻率的控制信號，通過發射驅動電路3對發射橋路( 進行控制；d、計算機⑴通過串口總線(14)控制高壓電源G)，設置高壓電源⑷的輸出電壓，改變高壓電源(4)輸出電壓的大小，通過發射橋路( 改變發射與接收一體線圈(1 和配諧電容(9)上的發射電流的大小，產生不同強度的激發磁場，激發不同距離的水體；e、發射結束后經過20-30毫秒的間隙時間，主控制單元(2)控制保護開關(8)和保護開關(11)閉合，將發射與接收一體線圈(12)接收到的信號通過保護開關(8)送入信號調理電路(6)，將接收多匝線圈(13)接收到的信號通過保護開關(11)送入信號調理電路(10)；f、信號調理電路(6)對左側接收到的信號進行濾波處理和放大，信號調理電路(10)對右側接收到的信號進行濾波處理和放大，計算機(1)通過控制線(16)控制信號調理電路 (6)對左側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路(7)，計算機(1)通過控制線(18)控制信號調理電路(10)對右側微弱的信號進行放大和濾波，送至信號多通道采集電路(7)，計算機(1)通過串口總線(17)控制多通道采集電路(7)的采集開始與結束時間，多通道信號采集電路(7)利用模數轉換器將信號調理電路(6)和信號調理電路(10)輸出的模擬信號轉換成數字信號，利用串口總線(17)，將轉換后得到的數據送至計算機(1)， 進行數據的保存與處理；g、計算機⑴將發射與接收一體線圈(12)和接收多匝線圈(13)兩個線圈接收到的核磁共振信號進行數據處理，獲得弛豫時間、初始振幅和相移參數；h、通過差分反演判斷水體的相對位置，當發射與接收一體線圈(12)接收得到的初始振幅大于接收多匝線圈(13)接收得到的初始振幅，水體在左側，當接收多匝線圈(13)接收到的初始振幅大于發射與接收一體線圈(1 接收到的初始振幅，水體在右側，當接收多匝線圈(1 和發射與接收一體線圈(1 接收得到的初始振幅基本沒有差別，左右兩側都有水體；i、計算機1通過發射電流值和發射持續時間反演得到水體與發射與接收一體線圈 (12)的距離；j、計算機(1)通過初始振幅反演得到水體所處地質體的含水率，通過弛豫時間反演得到水體所處地質體的滲透系數。
全文摘要
本發明涉及一種核磁共振差分探測坑道突水超前預測裝置及探測方法。由計算機經主控制單元、發射驅動電路和發射橋路分別與高壓電源、配諧電容和發射與接收一體線圈連接，接收多匝線圈兩端經第二保護開關、第二信號調理電路與多通道采集電路連接，計算機經主控制單元分別與第一保護開關和第二保護開關連接，第一保護開關經第一信號調理電路和多通道采集電路與第二信號調理電路連接構成。接收一體線圈垂直裝在測點左側，接收多匝線圈垂直裝在右側。本發明采用兩個接收線圈同時接收核磁共振信號，根據接收回的信號進行數據處理，精確定位含水體的位置、大小、含水率、滲透系數。為礦井、隧道施工提供數據，能夠準確預測突水引發的地質災害。
文檔編號G01V3/14GK102221711SQ20111013392
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月23日 優先權日2011年5月23日
發明者孫淑琴, 龐博, 張哲 , 林君, 王應吉, 王建鵬, 蔣川東 申請人:吉林大學