一種三維隨鉆激發(fā)極化巖體精細成像裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維隨鉆激發(fā)極化巖體精細成像裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隧道不良地質的探查對于預防隧道施工災害具有重要的作用，由于激發(fā)極化法對水構造等突涌水災害源反映敏感，被廣泛用于隧道災害源探測。對于隧道施工風險相對較低的常規(guī)段落，通常采用普通的激發(fā)極化探測方式，供電與測量電極布置在工作面或者邊墻，在較理想的探測條件下可實現(xiàn)隧道工作面前方的突涌水災害源等不良地質的探查。激發(fā)極化最為電法探測方法，受體積效應影響較大，隨著勘探深度的增加，分辨率將快速下降，從而只能對淺層地質環(huán)境進行探測。同時，在復雜探測條件下易受到掌子沒后方低阻干擾(如后方含水體或錨桿、鋼拱架等金屬體)，使得探測結果不準確而無法滿足隧道復雜環(huán)境探查的工程需求。
[0003]目前對于復雜環(huán)境隧道探查情況，尤其是隧道突涌水高風險段落的探查，通常采用鉆探方法。而普通的鉆探方法以鉆孔取芯方式進行探測，如果鉆孔能夠直接揭露不良地質體，其結果較為直觀明了，但是如果所鉆孔的位置不在不良地質體的賦存區(qū)，容易產生一孔之見的問題，僅能預報鉆孔直接揭露的地質情況，容易造成對突涌水災害源等不良地質的漏報，且無法對整個工作面進行三維的探查。
[0004]—種較好的解決思路是在鉆孔中搭載孔中探測系統(tǒng)，通過孔中探測系統(tǒng)可以較好的解決單純鉆探方法“一孔之見”的問題。同時位于孔中的供電電極由于距離突涌水等災害源較近，可以實現(xiàn)不良地質體的精細化探測，且避免了工作面附近金屬設備的干擾，從而探測精度更高，目前鉆孔探測的方法與技術主要有:[1]非隨鉆孔中電阻率探查方法:該方法將探測裝置放入提前鉆好的鉆孔中，雖然采用陣列式的測量電極，但未實現(xiàn)隨鉆桿的實時探測功能，在實際探測中需要停止鉆桿工作并將鉆桿取出以便探測系統(tǒng)放入鉆孔進行探測，將會耗費大量的時間，也無法獲取前方三維的地質狀況。[2]隨鉆孔中激發(fā)極化探查方法:該方法將探測系統(tǒng)通過套筒布設在鉆桿上面，其中供電電極A、觀測電極M和N以及輔助電極Al和A2均安裝在套筒上，供電電極系統(tǒng)與測量電極系統(tǒng)呈線性布置，為一維的觀測系統(tǒng)無法實現(xiàn)工作面前方不良地質的三維成像。同時，目前的隨鉆探查方式中鉆桿高速旋轉過程中套筒易損壞，且連接供電與測量電極的電纜在鉆孔中也容易損壞，實際應用中效率較低。
[0005]因此，綜上所述孔中激發(fā)極化探查技術主要面臨的問題如下:
[0006]大部分的孔中激發(fā)極化無法實現(xiàn)隨鉆探測，探測需要在鉆頭推進結束后重新布設來探測，耗費大量時間；而已有的隨鉆激發(fā)極化方法，旋轉套筒以及連接電纜易損壞，在實際應用中效率較低。
[0007]隨鉆與非隨鉆的孔中激發(fā)極化探測方法的供電與測量電極布設在孔中，屬于一維的觀測方式，無法實現(xiàn)三維反演成像。
[0008]在鉆進過程中未進行實時的測量數(shù)據(jù)處理，僅能在鉆孔施做完畢后給出探測結果，不能在鉆進過程中實時顯示探測結果。
[0009]其中，參考文件為:
[0010][I]聶利超，隧道施工含水構造激發(fā)極化定量超前地質預報理論及其應用[山東大學博士論文][D]、濟南:山東大學，2014.
[0011][2]李術才，劉斌，王傳武，等；隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實時超前探水裝置與方法[P]，中國:ZL201210583138.X0

【發(fā)明內容】

[0012]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種三維隨鉆激發(fā)極化巖體精細成像裝置及方法，本發(fā)明可對隧道工作面前方地質情況做出三維成像，且可連續(xù)探測，效率高，精度準，實現(xiàn)了探測系統(tǒng)隨鉆測量、三維數(shù)據(jù)獲取和實時反演成像的功能。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0014]一種三維隨鉆激發(fā)極化巖體精細成像裝置，包括隨鉆供電系統(tǒng)、供電電極、鉆頭定位裝置、三維陣列測量電極系統(tǒng)以及實時反演成像系統(tǒng)，其中，
[0015]所述隨鉆供電系統(tǒng)搭載于孔中的鉆機鉆進系統(tǒng)上，利用鉆機鉆進系統(tǒng)的鉆頭作為孔中激發(fā)極化供電電極，實現(xiàn)孔中激發(fā)極化隨鉆實時測量；
[0016]所述隨鉆供電系統(tǒng)，通過供電電極的連接電纜和旋轉裝置與控制器連接；
[0017]所述鉆機鉆進系統(tǒng)的鉆頭處設置有鉆頭定位裝置，對鉆頭進行定位；
[0018]所述三維陣列測量電極系統(tǒng)布置在工作面上，接收鉆頭掘進過程中發(fā)射電流形成電場傳輸?shù)碾妷盒盘?，將測量的電極電壓信號傳輸?shù)娇刂破鳎?br>[0019]所述實時反演成像系統(tǒng)，設置在控制器上，根據(jù)控制器接收的鉆頭位置、三維陣列測量電極系統(tǒng)的電壓信號進行實時的三維反演，實現(xiàn)隨鉆實時探查與三維成像。
[0020]所述隨鉆供電系統(tǒng)包括高強鉆頭、中空鉆桿與雙側絕緣連接裝置，高強鉆頭作為探測中的供電電極A，鉆頭尾部裝有快速接頭與置于鉆桿內部的電纜連接，雙側絕緣連接裝置中心有預留孔，連接高強鉆頭的電纜穿過絕緣裝置的中心與控制器連接，連接裝置兩側設計有螺紋，一側連接高強鉆頭，另一側連接中空鉆桿，從而將金屬的鉆頭與金屬的鉆桿隔開，實現(xiàn)孔中激發(fā)極化隨鉆實時測量。
[0021 ] 所述供電電極的電纜位于中空鉆桿的中間，在鉆桿內部鋪設到中空鉆桿的后端，中空鉆桿的后端側面開有小孔并安裝彈簧壓片，彈簧壓片與鉆孔中的供電電極的電纜連接，同時在鉆機支架上設計導電滑環(huán)，彈簧壓片與導電滑環(huán)滑動連接，導電滑環(huán)通過電纜與控制器連接，從而實現(xiàn)在鉆桿高速旋轉模式下的供電電極電流的傳輸，使得孔中激發(fā)極化實時探測與鉆機鉆進施工同步進tx。
[0022]所述鉆頭定位裝置安裝在鉆機的支架上，包括轉軸、定位磁環(huán)和感應器，連接儀器與導電滑環(huán)的電纜纏繞在轉軸上，轉軸隨著鉆頭的鉆進而轉動，感應器感應轉軸上的定位磁環(huán)，實現(xiàn)對鉆頭鉆進的定位。
[0023]所述三維陣列測量電極系統(tǒng)包括若干個布置在工作面的電極，在探測過程中接收工作面的電壓信號，通過電纜與控制器連接，并將測量的電極電壓信號傳輸?shù)娇刂破?，三維陣列電極通過耦合材料快速安裝在工作面上。
[0024]所述耦合材料為具有導電性能的快速硬化水泥，其成分及質量比為:快硬水泥:石墨:工業(yè)鹽:水:膨潤土 = 5:1:1:2:1ο
[0025]所述實時反演成像系統(tǒng)搭載在控制器上，控制器檢測工作面的三維陣列測量電極的電壓信號，實時反演成像系統(tǒng)將控制器測取的數(shù)據(jù)進行實時的三維反演，實現(xiàn)隨鉆實時探查與三維成像，并將結果實時顯示。
[0026]基于所述的裝置的工作方法，包括以下步驟:
[0027](I)將隨鉆供電系統(tǒng)搭載于孔中的鉆機鉆進系統(tǒng)上，連接供電電極、隨鉆供電系統(tǒng)和控制器，將鉆頭定位裝置設置于鉆頭上；
[0028](2)工作面上布置若干個三維陣列測量電極Μ，陣列電極圍繞著掌子沿徑向布置，形成三維陣列測量電極系統(tǒng)，電極通過導電的耦合材料快速安裝在設計位置，每個測量電極通過多芯電纜連接到控制器，設置參考點位的電極N ;
[0029](3)隨著鉆機鉆頭掘進，通過鉆頭發(fā)射電流并形成電場，工作面上的陣列電極系接收電壓信號，并通過多芯電纜傳輸?shù)娇刂破鳎?br>[0030](4)鉆頭每前進設定距離，搭載于儀器的實時反演成像系統(tǒng)對控制器采集的數(shù)據(jù)進行三維反演，將三維反演結果顯示在控制器屏幕上。
[0031]所述步驟(2)中，將參考點位的電極N布置在工作面后方100m-150m范圍的位置，將另一個供電電極B極布置在工作面后方200m-300m位置。
[0032]所述步驟(4)中，具體包括:
[0033]①鉆機開始掘進設定距離后，將不同位置采集的數(shù)據(jù)送入實時反演成像系統(tǒng)，采用并行的三維反演方法進行迭代反演，輸出鉆進方向O到設定距離的三維成像結果I ;
[0034]②鉆機掘進至第二個設定距離時，以三維成像結果I的