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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用核磁共振對含水體進(jìn)行檢測的地球物理勘探設(shè)備，尤其是用 垂直線圈對正前方水體進(jìn)行超前探測的核磁共振探測裝置及探測方法。
背景技術(shù)：
在地下工程中，特別是隧道、礦井等大型地下掘進(jìn)工程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，由 地下水引起的突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給施工安全帶來了巨大的災(zāi)難和無法估計(jì) 的經(jīng)濟(jì)損失。如何對地下工程中前方的含水體進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的探測，成為了地球物理勘探 方法中的一個(gè)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(lián)通的兩個(gè)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(shù)據(jù)采集器組成。是 依據(jù)地質(zhì)體輻射出來的天然電磁波量值的大小，通過數(shù)理方程將電壓值轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體的反 射系數(shù)，再結(jié)合已知的地質(zhì)資料，解釋出探測前方巖層厚度的變化、破碎帶、小斷層產(chǎn)狀。CN101603423公開了“一種在煤礦巷道內(nèi)順層超前探測含水構(gòu)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(jìn)頭附近布置4根供電電極Al、 A2、A3、A4構(gòu)成一直線排列，分別與無窮遠(yuǎn)處布置的另一根供電電極B構(gòu)成回路，向地下供 入直流電，建立直流電場，同時(shí)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(guī)律，通過專用配套解釋技術(shù)處理后，得到掘進(jìn)巷道或隧道迎頭前方Om 140m內(nèi)的地質(zhì) 體的電性分布信息。上述發(fā)明所設(shè)計(jì)的超前探測裝置及方法有較遠(yuǎn)的探測深度，探測效率 和精度也較高，但是都有一個(gè)共同的不足，就是這些裝置都是通過勘查含水構(gòu)造及層位來 對含水體是否存在進(jìn)行判斷的，是一種間接測量方法，不能準(zhǔn)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(shù)。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(guān)，該第一開關(guān)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(guān)，第二開關(guān)的另端串接一限流電阻，并依序串接 有整流器和發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)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(guān)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(guān) 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(lián)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(lián)用儀及其方法。首先將聯(lián)用儀選擇在瞬變電磁 工作模式下，在測線上鋪設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈，對測區(qū)內(nèi)每一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測量，測量完畢 后，對瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，找出低電阻率點(diǎn)，并對低電阻率異常測點(diǎn)標(biāo)定；再將 聯(lián)用儀切換到核磁共振工作模式下，并以已標(biāo)定的異常測點(diǎn)為中心鋪設(shè)發(fā)射線圈進(jìn)行核磁 共振測量工作，以測得數(shù)據(jù)或圖形與瞬變電磁所測的電阻率異常進(jìn)行比較，用以判斷瞬變 電磁所測的電阻率異常目的層的真?zhèn)?。上述發(fā)明，只適用于在地面上對地下水體進(jìn)行探測，尚無法應(yīng)用在地下工程中對前方水體進(jìn)行超前探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置，是由計(jì)算機(jī)1通過串口總線分別與系 統(tǒng)控制器6、大功率電源7、信號采集單元2相連，系統(tǒng)控制器6通過控制線經(jīng)橋路驅(qū)動器8、 大功率H型發(fā)射橋路9和配諧電容10與發(fā)射線圈12相連，大功率電源7經(jīng)大功率H型發(fā) 射橋路9與發(fā)射線圈12相連，系統(tǒng)控制器6通過控制線分別與保護(hù)開關(guān)5、信號調(diào)理單元4 及信號采集單元2相連，采集單元2經(jīng)放大器3、信號調(diào)理單元4和保護(hù)開關(guān)5與接收線圈 11連結(jié)構(gòu)成。系統(tǒng)控制器6是由CPU通過控制線分別與計(jì)時(shí)器I、采集同步信號輸出端口、開關(guān) 同步信號輸出端口、計(jì)時(shí)器II、信號調(diào)理單元配置信號輸出端口、頻率發(fā)生器、橋路驅(qū)動信 號輸出端口、計(jì)時(shí)器III、通訊模塊連接構(gòu)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(qū)內(nèi)選擇一測點(diǎn)，以該測點(diǎn)的假想直立面為線圈的鋪設(shè)平面，鋪設(shè)接收線 圈11與發(fā)射線圈12 ；b、計(jì)算機(jī)1通過串口總線控制大功率電源7，設(shè)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(fā)射線圈12上的激發(fā)電流的大小，即產(chǎn)生不同強(qiáng)度的激發(fā) 磁場，通過不同強(qiáng)度磁場的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)距發(fā)射線圈不同遠(yuǎn)近水體的探測；C、系統(tǒng)控制器6產(chǎn)生40ms頻率信號，通過橋路驅(qū)動器8對發(fā)射橋路9進(jìn)行驅(qū)動， 發(fā)射橋路9被驅(qū)動后，利用大功率電源7產(chǎn)生的輸出電壓向配諧電容10及發(fā)射線圈12施 加40ms發(fā)射電流，實(shí)現(xiàn)對前方水體的激發(fā)。d、在激發(fā)時(shí)，系統(tǒng)控制器6控制保護(hù)開關(guān)，使其處于斷開狀態(tài)，對信號接收端進(jìn)行 保護(hù)，當(dāng)激發(fā)結(jié)束后，經(jīng)過90-120ms，系統(tǒng)控制器6控制保護(hù)開關(guān)閉合，將接收線圈11中所 產(chǎn)生的信號通過保護(hù)開關(guān)送入信號調(diào)理單元；e、信號調(diào)理單元對信號進(jìn)行濾波處理，系統(tǒng)控制器6通過控制線控制信號調(diào)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(jìn)行放大后，送至信號采集單元2，系統(tǒng)控制器6控制信號采集 單元2的采集開始與結(jié)束時(shí)間，信號采集單元2利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大器3輸出的模擬信 號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用串口總線，將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)1，進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存與 顯不；f、將步驟e保存與顯示的核磁共振信號進(jìn)行特征參數(shù)提取，獲得弛豫時(shí)間、初始 振幅、頻率參數(shù)，將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，估算出涌水量、滲透率水文地質(zhì)參數(shù)，為可能 發(fā)生的突水、涌泥地質(zhì)災(zāi)害提供預(yù)報(bào)依據(jù)。有益效果本發(fā)明是依據(jù)核磁共振探測原理，采用垂直線圈，對水平前方的含水體 進(jìn)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(zhǔn)確、有效的檢測。采用垂直布設(shè)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(fā)生因前方水體引起的突 水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害，提供了一種有效的超前探測?？稍诿禾锏V井生產(chǎn)現(xiàn)場或隧道施工現(xiàn)場 準(zhǔn)確探明出前方一定距離內(nèi)地下地質(zhì)情況，減少因前方地質(zhì)情況不明所引起的突水、涌泥 等地質(zhì)災(zāi)害造成的礦難或隧道施工中因地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)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(jié)構(gòu)框圖。圖2是附體1中系統(tǒng)控制器6的結(jié)構(gòu)框圖。 1計(jì)算機(jī)，2信號采集單元，3放大器，4信號調(diào)理單元，5保護(hù)開關(guān)，6系統(tǒng)控制器， 7大功率電源，8橋路驅(qū)動器，9大功率H型發(fā)射橋路，10配諧電容，11接收線圈，12發(fā)射線圈。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置，是由計(jì)算機(jī)1通過串口總線與系統(tǒng)控 制器6及大功率電源7相連，系統(tǒng)控制器6通過控制線與橋路驅(qū)動器8相連，橋路驅(qū)動器8 通過信號線與發(fā)射橋路9相連，大功率電源的輸出端通過交互信號線與發(fā)射橋路9相連，發(fā) 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(fā)射線圈12 相連，發(fā)射橋路9通過信號線與發(fā)射線圈12相連。接收線圈11通過信號線與保護(hù)開關(guān)5 的一端相連，保護(hù)開關(guān)5的另一端通過信號線與信號調(diào)理單元4的輸入端相連，信號調(diào)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(jì)算機(jī)1相連。系統(tǒng)控 制器6通過控制線分別與保護(hù)開關(guān)5、信號調(diào)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(fā)射階段由計(jì)算機(jī)1發(fā)出一個(gè)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(jù)計(jì)算機(jī)1發(fā)出的電壓值要求開始利用電源內(nèi)部的DCDC模 塊給電源中的儲能電容進(jìn)行充電，當(dāng)大功率電源的儲能電容中電壓達(dá)到計(jì)算機(jī)1的設(shè)置水 平后，電源停止充電，并給計(jì)算機(jī)1回傳一個(gè)電壓充電完畢的指令。當(dāng)計(jì)算機(jī)1收到大功率 電源7發(fā)出的充電完畢的指令后，計(jì)算機(jī)1產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)許發(fā)射的指令，系統(tǒng)控制器6收到準(zhǔn) 許發(fā)射指令后，產(chǎn)生一組同被測地區(qū)拉莫爾頻率相同頻率的信號，信號持續(xù)的時(shí)間和信號 自身的頻率由計(jì)算機(jī)1控制。系統(tǒng)控制器6將這組信號送至橋路驅(qū)動器8，橋路驅(qū)動器8將 此信號放大后，送至大功率H型發(fā)射橋路9。在大功率H型橋路9中，發(fā)射線圈12以及配諧 電容10被看做為一個(gè)串聯(lián)諧振系統(tǒng)，大功率H型發(fā)射橋路9將大功率電源7的輸出電壓作 為發(fā)射電壓加載在發(fā)射線圈12以及配諧電容10的兩端，將橋路驅(qū)動器8的輸出信號作為 橋路輸入信號，控制橋路中各個(gè)功率開關(guān)器件的交替導(dǎo)通狀態(tài)，在發(fā)射線圈12中便產(chǎn)生了 一個(gè)高壓交變的電流信號，此電流信號通過發(fā)射線圈12產(chǎn)生了交變磁場，完成了對地下水 的激發(fā)。在接收階段根據(jù)核磁共振原理，在地下水受激發(fā)一定時(shí)間后，突然撤去激發(fā)場，地下水中的氫質(zhì)子會產(chǎn)生一個(gè)弛豫效應(yīng)，表現(xiàn)為在接收線圈11中產(chǎn)生一個(gè)衰減的電信號。 在發(fā)射過程中，保護(hù)開關(guān)5處于斷開狀態(tài)，對系統(tǒng)的接收部分起到一個(gè)保護(hù)作用，當(dāng)發(fā)射結(jié) 束后，經(jīng)過一段時(shí)間的延遲，系統(tǒng)控制器6發(fā)出一個(gè)控制信號，令保護(hù)開關(guān)5閉合，接收線圈 11中接收到的微弱電信號通過保護(hù)開關(guān)5進(jìn)入系統(tǒng)的信號調(diào)理單元4。系統(tǒng)控制器6通過 產(chǎn)生一組命令，設(shè)置信號調(diào)理單元4中的各個(gè)參數(shù)，信號通過信號調(diào)理單元4后，混疊在信 號調(diào)理單元4中的電磁噪聲干擾會被一定程度的濾除，信號調(diào)理單元4將比較純凈的信號 送至放大器3，將信號進(jìn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并送至計(jì)算機(jī)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(qū)內(nèi)選擇一測點(diǎn)，以該測點(diǎn)的垂直面為線圈的鋪設(shè)平面，鋪設(shè)接收線圈11和 發(fā)射線圈12 ；在鋪設(shè)過程中，需借助支架對線圈進(jìn)行垂直擺放。計(jì)算機(jī)1通過串口總線控制大功率電源7，設(shè)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(fā)射線圈12上的激發(fā)電流的大小，即產(chǎn)生不同強(qiáng)度的激發(fā)磁 場。通過不同強(qiáng)度磁場的激發(fā)，完成距離發(fā)射線圈不同遠(yuǎn)近水體的探測。系統(tǒng)控制器6產(chǎn) 生40ms的頻率信號，通過橋路驅(qū)動器8對發(fā)射橋路9進(jìn)行驅(qū)動。發(fā)射橋路9被驅(qū)動后，利 用大功率電源7產(chǎn)生的輸出電壓向配諧電容10及發(fā)射線圈12施加40ms的發(fā)射電流，完成 對前方水體的激發(fā)。在激發(fā)時(shí)，系統(tǒng)控制器6控制保護(hù)開關(guān)，使其處于斷開狀態(tài)，對信號接 收端進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)激發(fā)結(jié)束后，經(jīng)過IOOms時(shí)間，系統(tǒng)控制器6控制保護(hù)開關(guān)閉合，將接收 線圈11中所產(chǎn)生的信號通過保護(hù)開關(guān)送入信號調(diào)理單元。信號調(diào)理單元對信號進(jìn)行濾波 處理，系統(tǒng)控制器6通過控制線控制信號調(diào)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(jìn)行放大后，送 至信號采集單元2，系統(tǒng)控制器6控制信號采集單元2的采集開始與結(jié)束時(shí)間，信號采集單 元2利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大器3輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用串口總線，講轉(zhuǎn)換后 得到的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)1，進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存與顯示。將上述提取的核磁共振信號進(jìn)行特征參數(shù)提取，獲得弛豫時(shí)間、初始振幅、頻率等 參數(shù)，將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，并估算出涌水量、滲透率等水文地質(zhì)參數(shù)，為可能發(fā)生 的突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害提供預(yù)報(bào)依據(jù)。
權(quán)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(jì)算機(jī)(1)通過串口 總線分別與系統(tǒng)控制器(6)、大功率電源(7)、信號采集單元(2)相連，系統(tǒng)控制器(6)通過 控制線經(jīng)橋路驅(qū)動器(8)、大功率H型發(fā)射橋路(9)和配諧電容(10)與發(fā)射線圈(12)相 連，大功率電源(7)經(jīng)大功率H型發(fā)射橋路(9)與發(fā)射線圈(12)相連，系統(tǒng)控制器(6)通 過控制線分別與保護(hù)開關(guān)(5)、信號調(diào)理單元(4)及信號采集單元(2)相連，采集單元(2) 經(jīng)放大器(3)、信號調(diào)理單元(4)和保護(hù)開關(guān)(5)與接收線圈(11)連結(jié)構(gòu)成。
2.按照權(quán)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(tǒng)控制器(6)是由CPU通過控制線分別與計(jì)時(shí)器I、采集同步信號輸出端口、開關(guān)同步信號 輸出端口、計(jì)時(shí)器II、信號調(diào)理單元配置信號輸出端口、頻率發(fā)生器、橋路驅(qū)動信號輸出端 口、計(jì)時(shí)器III、通訊模塊連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)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(qū)內(nèi)選擇一測點(diǎn)，以該測點(diǎn)的假想直立面為線圈的鋪設(shè)平面，鋪設(shè)接收線圈(11)與發(fā)射線圈(12)；b、計(jì)算機(jī)⑴通過串口總線控制大功率電源(7)，設(shè)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(fā)射線圈(1 上的激發(fā)電流的大小，即產(chǎn)生不同強(qiáng)度的 激發(fā)磁場，通過不同強(qiáng)度磁場的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)距發(fā)射線圈不同遠(yuǎn)近水體的探測；c、系統(tǒng)控制器(6)產(chǎn)生40ms頻率信號，通過橋路驅(qū)動器(8)對發(fā)射橋路(9)進(jìn)行驅(qū)動， 發(fā)射橋路(9)被驅(qū)動后，利用大功率電源(7)產(chǎn)生的輸出電壓向配諧電容(10)及發(fā)射線圈(12)施加40ms發(fā)射電流，實(shí)現(xiàn)對前方水體的激發(fā)。d、在激發(fā)時(shí)，系統(tǒng)控制器(6)控制保護(hù)開關(guān)，使其處于斷開狀態(tài)，對信號接收端進(jìn)行保 護(hù)，當(dāng)激發(fā)結(jié)束后，經(jīng)過90-120ms，系統(tǒng)控制器(6)控制保護(hù)開關(guān)閉合，將接收線圈(11)中 所產(chǎn)生的信號通過保護(hù)開關(guān)送入信號調(diào)理單元；e、信號調(diào)理單元對信號進(jìn)行濾波處理，系統(tǒng)控制器(6)通過控制線控制信號調(diào)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(jìn)行放大后，送至信號采集單元O)，系統(tǒng)控制器(6)控制信 號采集單元O)的采集開始與結(jié)束時(shí)間，信號采集單元(2)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大器(3) 輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用串口總線，將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)(1)，進(jìn) 行數(shù)據(jù)的保存與顯示；f、將步驟e保存與顯示的核磁共振信號進(jìn)行特征參數(shù)提取，獲得弛豫時(shí)間、初始振幅、 頻率參數(shù)，將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，估算出涌水量、滲透率水文地質(zhì)參數(shù)，為可能發(fā)生 的突水、涌泥地質(zhì)災(zāi)害提供預(yù)報(bào)依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)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(jì)算機(jī)通過串口總線分別與系統(tǒng)控制器、大功率電源、信號采集單元相連，系統(tǒng)控制器經(jīng)橋路驅(qū)動器、大功率H型發(fā)射橋路和配諧電容與發(fā)射線圈連結(jié)構(gòu)成。與現(xiàn)有技術(shù)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(zhǔn)確、有效的檢測。采用垂直布設(shè)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?？稍诿禾锏V井生產(chǎn)現(xiàn)場或隧道施工現(xiàn)場直接準(zhǔn)確探明出前方一定距離內(nèi)地下地質(zhì)情況，減少因前方地質(zhì)情況不明所引發(fā)的突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害造成的礦難或隧道施工中因地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)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(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)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(xué)