本發(fā)明屬于地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于地下核磁共振探水的發(fā)射/接收線(xiàn)圈。

背景技術(shù)：

目前我國(guó)已經(jīng)成為世界上隧道數(shù)量最多、建設(shè)規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國(guó)家。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的加快，在交通、水利水電及礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域還將會(huì)修建更多的長(zhǎng)大隧道、隧洞等地下工程。這些隧道工程普遍具有埋深大、洞線(xiàn)長(zhǎng)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜等顯著特點(diǎn)，加之施工前期的地質(zhì)勘查工作難以查清隧洞沿線(xiàn)的水文地質(zhì)條件，導(dǎo)致在隧道施工中將面臨諸多地質(zhì)災(zāi)害，如突水突泥、巖爆、塌方、瓦斯突出等。其中突(涌)水、突(涌)泥災(zāi)害是隧道施工中的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。

隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究的主要任務(wù)就是探測(cè)隧道施工掌子面前方不良地質(zhì)體的分布，目前主要探測(cè)手段直接鉆探法、地震波法、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法和核磁共振法。直接鉆探法最能反映掌子面前方圍巖含水情況，但存在造價(jià)高，且只針對(duì)單個(gè)探水區(qū)域，耗時(shí)非常長(zhǎng)的缺點(diǎn)；地震波法所需儀器精度高，預(yù)報(bào)里程長(zhǎng)，但預(yù)測(cè)時(shí)作業(yè)區(qū)需要較好的圍巖，如果作業(yè)區(qū)圍巖不好，精度將大大降低；高密度電法測(cè)試需較大測(cè)試面積，對(duì)于地下隧道而言，預(yù)報(bào)里程非常短；地質(zhì)雷達(dá)法根據(jù)天線(xiàn)頻率，一般測(cè)試30m左右，但受到外界地磁波干擾且需較干燥環(huán)境，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)含水區(qū)深度。因而，開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確高效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探水設(shè)備及方法具有重要意義。

2006年吉林大學(xué)姜艷秋碩士學(xué)位論文《地面核磁共振找水儀發(fā)射機(jī)的研制》介紹了地面核磁共振找水儀發(fā)射機(jī)中各部分電路設(shè)計(jì)；2008年吉林大學(xué)高東旭碩士學(xué)位論文《核磁共振找水儀弱信號(hào)放大器設(shè)計(jì)》介紹了地面核磁共振找水儀信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)；2009年吉林大學(xué)蔣川東碩士學(xué)位論文《核磁共振地下水探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》介紹了通過(guò)核磁共振地下水探測(cè)信號(hào)的激發(fā)發(fā)射電流、發(fā)射持續(xù)時(shí)間、接收核磁共振信號(hào)初始幅度和弛豫時(shí)間等參數(shù)得到地下含水層至發(fā)射、接收線(xiàn)圈的距離厚度和含水率，并估計(jì)出滲透率和導(dǎo)水系數(shù)，涌水量的大小的方法。

中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN102819046A于2012年12月12日公開(kāi)了一種雙D型線(xiàn)圈核磁共振儀隨掘進(jìn)機(jī)巷道前方突水探測(cè)方法，它將核磁共振儀固定在掘進(jìn)機(jī)的操作臺(tái)上，根據(jù)所測(cè)核磁共振信號(hào)數(shù)據(jù)處理時(shí)預(yù)報(bào)巷道含水層，實(shí)現(xiàn)了定距離突水探測(cè)，提高了探測(cè) 效率和掘進(jìn)效率，夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的直接報(bào)出掘進(jìn)前方是否有危險(xiǎn)的預(yù)警，降低了因突水給礦工帶來(lái)的生命危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。但是該專(zhuān)利存在預(yù)報(bào)里程非常短的缺陷，核磁共振信號(hào)隨著探測(cè)深度的增加，信號(hào)衰減嚴(yán)重，同時(shí)，隧道的斷面尺寸受限，無(wú)法將線(xiàn)圈做得很大。而核磁共振探水設(shè)備的探測(cè)深度與線(xiàn)圈的直徑有關(guān)，在地表探水時(shí)線(xiàn)圈不受限制，可以設(shè)置較大面積，而在地下探水線(xiàn)圈面積受隧道斷面尺寸限制，能探測(cè)到的深度非常淺，這個(gè)問(wèn)題在國(guó)際上公認(rèn)為難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)地下核磁共振探水所面臨的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是提供一種用于地下核磁共振探水的發(fā)射/接收線(xiàn)圈，它能增加地下預(yù)報(bào)探水的測(cè)試深度。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括固定軸、中心支架、電磁感應(yīng)線(xiàn)圈、Y型架、球面裝置和張閉裝置；固定軸的前端連接球面裝置的球頭，球面裝置的球窩外壁固定有發(fā)散的Y型架，Y型架的頂端固定連接在方形的中心支架的交角上，四個(gè)張閉裝置布置于中心支架的四邊上，電磁感應(yīng)線(xiàn)圈沿張閉裝置的邊繞制。

由于張閉裝置可展開(kāi)和閉合，內(nèi)部的線(xiàn)圈就可以同時(shí)展開(kāi)或收回，最大化滿(mǎn)足隧道斷面尺寸測(cè)試；固定軸頂端與Y型架通過(guò)球面裝置連接，Y型架和線(xiàn)圈在球面裝置下可以在半空間任意轉(zhuǎn)動(dòng)。核磁共振探水設(shè)備的接收線(xiàn)圈與所接收磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直度決定了接收線(xiàn)圈信號(hào)的大小，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，接收線(xiàn)圈與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直時(shí)，對(duì)應(yīng)的核磁共振信號(hào)最大，探測(cè)含水區(qū)的深度相應(yīng)為最大；另外，接收線(xiàn)圈的面積大小也影響電磁感應(yīng)所得信號(hào)的大小，接收線(xiàn)圈的面積越大，獲得的感應(yīng)信號(hào)也越大。

隧道內(nèi)掌子面圍巖前方含水體未知，故隧道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大方向也不清楚，而且受到施工器械等外界干擾。本發(fā)明利用球面裝置調(diào)整線(xiàn)圈的方位，最終能找到接收線(xiàn)圈獲得最強(qiáng)信號(hào)的方位角，同時(shí)在探測(cè)時(shí)，四個(gè)線(xiàn)圈可全部張閉分散開(kāi)，增大了核磁共振信號(hào)發(fā)射和接受的面積，提高了核磁共振信號(hào)發(fā)射和接受的能量。因而，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：增加了地下預(yù)報(bào)探水的測(cè)試深度。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的附圖說(shuō)明如下：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為球面裝置的示意圖；

圖3為張閉裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為使用本發(fā)明的線(xiàn)路結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1.固定軸；2.中心支架；3.電磁感應(yīng)線(xiàn)圈；4.Y型架；5.球面裝置；6.張閉裝置；7.單片機(jī)；8.本發(fā)明線(xiàn)圈；9.多頻道接收系統(tǒng)；10.發(fā)射系統(tǒng)；11.計(jì)算機(jī)；12.球頭；13.球窩；14.外邊；15.中間邊；16.拐點(diǎn)處螺栓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括固定軸1、中心支架2、電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3、Y型架4、球面裝置5和張閉裝置6；固定軸1的前端連接球面裝置5的球頭12，球面裝置5的球窩13外壁固定有發(fā)散的Y型架4，Y型架4的頂端固定連接在方形的中心支架2的交角上，四個(gè)張閉裝置6布置于中心支架2的四邊上，電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3沿張閉裝置6的邊繞制。

如圖2所示，上述球面裝置5包括球頭12和球窩13，球窩13包裹球頭12，球頭12在球窩13內(nèi)空中轉(zhuǎn)動(dòng)而不發(fā)生脫離。球頭12在球窩13內(nèi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，完成一定角度的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)Y型架4的頂端的中心支架2自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖3所示，張閉裝置6包括一個(gè)外邊14、兩側(cè)的中間邊15和中間邊的拐點(diǎn)處螺栓16，中間邊15繞拐點(diǎn)處螺栓16彎折，中間邊15一端連接外邊14的端頭，中間邊15另一端連接中心支架2一個(gè)邊的端頭。

中間邊15的兩部分錯(cuò)開(kāi)后通過(guò)拐點(diǎn)處螺栓16連接為一個(gè)整體邊，中間邊15的一個(gè)部分邊長(zhǎng)為整體邊的一半。

如圖3a為張閉裝置張開(kāi)狀態(tài)圖，兩側(cè)的中間邊15通過(guò)拐點(diǎn)處螺栓16向外伸展，外邊14遠(yuǎn)離中心支架的一邊，電磁感應(yīng)線(xiàn)圈隨張閉裝置的中間邊和外邊向外擴(kuò)展。

如圖3b為張閉裝置閉合狀態(tài)圖，中間邊15通過(guò)拐點(diǎn)處螺栓16向內(nèi)收折，外邊14接近中心支架的一邊，電磁感應(yīng)線(xiàn)圈隨張閉裝置的中間邊收折而變小。

在圖1中，固定軸1與相關(guān)測(cè)試設(shè)備相連，起固定整個(gè)線(xiàn)圈的作用；中心支架2和Y型架4起支撐線(xiàn)圈作用；球面裝置5起轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)圈作用；張閉裝置6起閉合和張開(kāi)線(xiàn)圈作用。

隧道開(kāi)挖存在臺(tái)車(chē)等器械，而且一般隧道采取上下臺(tái)階等，因而，即使隧道斷面大，也無(wú)法采用和斷面尺寸差不多的線(xiàn)圈。本發(fā)明線(xiàn)圈可全部收折于張閉裝置中，線(xiàn)圈大小根據(jù)隧道斷面尺寸確定。探測(cè)使用時(shí)，線(xiàn)圈可由張閉裝置分散開(kāi)，用于發(fā)射或接受核磁共振信號(hào)；探測(cè)完畢后，線(xiàn)圈全部收折于中心支架處。

為了進(jìn)一步增大線(xiàn)圈的接收信號(hào)，所述電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3均為多匝線(xiàn)圈。多匝線(xiàn)圈的電感系數(shù)由自感系數(shù)和互感系數(shù)組成，線(xiàn)圈匝數(shù)決定了自感系數(shù)和互感系數(shù)的大小，自感系數(shù)公式為，L＝μ₀a[ln^(8a/R)-1.75]，式中，L為線(xiàn)圈自感系數(shù)，μ₀為普朗克系數(shù)，a為線(xiàn)圈邊長(zhǎng)，R為線(xiàn)圈內(nèi)阻?；ジ邢禂?shù)公式為， r₁,r₂為不同線(xiàn)圈的半徑，K、k和E為積分函數(shù)值。線(xiàn)圈匝數(shù)并不是匝數(shù)越多，測(cè)試信號(hào)越大，因?yàn)榇嬖趦?nèi)阻也變大的問(wèn)題。為避免互感對(duì)感應(yīng)信號(hào)的消減作用，線(xiàn)圈的匝數(shù)不宜過(guò)多，可根據(jù)自感系數(shù)公式計(jì)算確定。

如圖4所示，本發(fā)明的連接線(xiàn)路有：?jiǎn)纹瑱C(jī)7、發(fā)射系統(tǒng)10、多頻道接收系統(tǒng)9和本發(fā)明線(xiàn)圈8。單片機(jī)7用于信號(hào)的輸出和輸入；發(fā)射系統(tǒng)10由大功率發(fā)射電路模塊、頻率模塊和變換器模塊組成，變換器模塊用于產(chǎn)生工作電壓，頻率模塊作用是產(chǎn)生所需工作的發(fā)射頻率，變換器模塊和頻率模塊產(chǎn)生的信號(hào)傳輸于大功率發(fā)射電路模塊，再將信號(hào)傳至本發(fā)明線(xiàn)圈8；本發(fā)明線(xiàn)圈8用于核磁共振信號(hào)的發(fā)射和接收；多頻道接收系統(tǒng)9由切換電路和放大器組成，切換電路作用是：待發(fā)射信號(hào)通過(guò)線(xiàn)圈傳導(dǎo)至所測(cè)隧道圍巖后，轉(zhuǎn)換電路，將本發(fā)明線(xiàn)圈8由發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮辗瓷湫盘?hào)，經(jīng)放大器將信號(hào)放大，傳至單片機(jī)7，上述步驟全部通過(guò)計(jì)算機(jī)11控制。

使用本發(fā)明進(jìn)行探測(cè)地下水的過(guò)程是：

1、將本發(fā)明的線(xiàn)圈放置于所測(cè)試的圍巖(隧道的掌子面或邊墻)，按圖4所示將電路連接起來(lái)并檢查其正常運(yùn)行情況；

2、用磁力儀測(cè)取當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)B，通過(guò)w₀(Hz)＝0.04258*B(nT)，換算出拉莫爾頻率隧道所在地的拉摩爾頻率w₀，然后計(jì)算所需的脈沖電流I(t)＝I cos(wt)，(0≤t≤τ)，式中w＝2πw₀，I、τ分別為交變電流脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間。發(fā)射系統(tǒng)10的變換器模塊電源，使其電壓達(dá)到所要求的電壓，接著控制頻率發(fā)生器使其產(chǎn)生當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率；將參數(shù)信息(包括探測(cè)深度，分層數(shù)，天線(xiàn)長(zhǎng)度、形狀等)傳輸于計(jì)算機(jī)11，然后將這些參數(shù)換算成發(fā)射頻率，變換器電壓值，發(fā)射時(shí)間等信息，并傳送給單片機(jī)7。

3、將本發(fā)明的線(xiàn)圈貼近所測(cè)試的圍巖，然后把電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3從中心支架2分散開(kāi)來(lái)，這樣能增加接收或發(fā)射信號(hào)的面積；放置好后，接通電源，信號(hào)在電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3圍繞中心支架2作用下將向圍巖發(fā)射約幾十ms的電磁波。電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3通過(guò)中心支架2將線(xiàn)圈端頭連接到多頻道接收系統(tǒng)9和發(fā)射系統(tǒng)10。

4、將開(kāi)關(guān)切換至接收機(jī)，此時(shí)多頻道接收系統(tǒng)9變換器將步驟3充當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈的電磁感應(yīng)線(xiàn)圈3轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮站€(xiàn)圈，同時(shí)將接收地下各種物質(zhì)所產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)。

5、改變脈沖參數(shù)并記錄信號(hào)，由中的發(fā)射信號(hào)幅度I和接收信號(hào)橫向弛豫時(shí)間根據(jù)放大器處理所得信號(hào)，經(jīng)過(guò)反演可得到不同深度處各含水層的含水量、孔隙度及滲透率等數(shù)據(jù)。如果所得測(cè)試深度不理想，將線(xiàn)圈繞固定軸1轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，直到得到圍巖最大含水深度。

在式中，E(t)為感應(yīng)電壓，V為探測(cè)含水區(qū)的體積，x為含水區(qū)半徑，為離線(xiàn)圈中心點(diǎn)距離；w₀為探測(cè)區(qū)拉莫爾頻率；M₀為探測(cè)區(qū)水的核磁化強(qiáng)度；為含水量分布；為線(xiàn)圈接收的磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直分量；γ為質(zhì)子旋磁比；為線(xiàn)圈發(fā)射的磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直分量；q為脈沖矩；t為脈沖消逝時(shí)間；為橫向弛豫時(shí)間。

探測(cè)區(qū)拉摩爾頻率w₀、質(zhì)子旋磁比γ和探測(cè)區(qū)水的核磁化強(qiáng)度M₀均為常數(shù)，為定值，含水量分布依據(jù)探測(cè)區(qū)含水量，一般取0～1，也為定值。脈沖矩q，脈沖消逝時(shí)間t和橫向弛豫時(shí)間由激勵(lì)電源決定的，可根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)供應(yīng)電源得到。線(xiàn)圈接收的磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直分量線(xiàn)圈發(fā)射的磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直分量是根據(jù)接收線(xiàn)圈和發(fā)射線(xiàn)圈接收的磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直角度大小而定，顯然，垂直時(shí)為取最大值，對(duì)應(yīng)的核磁共振信號(hào)最大，探測(cè)含水區(qū)的深度相應(yīng)為最大?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，由于無(wú)法確定哪個(gè)方向?yàn)榻邮站€(xiàn)圈或發(fā)射線(xiàn)圈接收的核磁共振信號(hào)最大，基于此，本發(fā)明專(zhuān)利所述的線(xiàn)圈可繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)，線(xiàn)圈中心點(diǎn)和固定軸以球面方式接觸，線(xiàn)圈可以旋轉(zhuǎn)上半球體任意方向。測(cè)試時(shí)，可旋轉(zhuǎn)得到最強(qiáng)的反射信號(hào)，同時(shí)，發(fā)射電路模塊需提供盡量大的脈沖矩。

本發(fā)明基于核磁共振原理，將核磁共振儀的線(xiàn)圈變換為多匝的可轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈同時(shí)多匝可旋轉(zhuǎn)開(kāi)來(lái)增大接收面積，測(cè)試完且可轉(zhuǎn)回收縮面積。解決了核磁共振探水時(shí)受隧道內(nèi)斷面尺寸而影響測(cè)試深度的問(wèn)題。