地下全空間核磁共振預極化探測裝置及探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種利用地球物理勘探設(shè)備及方法，尤其是利用核磁共振(NuclearMagnetic Resonance，NMR)探測技術(shù)在礦井隧道等地下全空間進行深層探測。
【背景技術(shù)】
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[0002]在地下施工過程中，尤其是隧道、礦井等大型的地下掘進工程中，由于地質(zhì)條件復雜，經(jīng)常會遇到由地下水引起的突水、涌泥等地質(zhì)災害問題，影響施工進度，并且給施工安全帶來巨大的隱患。對施工區(qū)域上下、左右及前方的水賦存狀態(tài)進行精確、有效的探測，成為地球物理勘探方法中的一個重要研究方向。
[0003]CN102053280A公開了一種帶有參考線圈的核磁共振地下水探測系統(tǒng)及探測方法。通過多路A/D采集單元同步采集發(fā)射/接收線圈中的核磁共振信號以及參考線圈中噪聲信號的全波形數(shù)據(jù)，通過計算參考線圈采集的噪聲信號與核磁共振信號的最大相關(guān)性，實現(xiàn)參考線圈最佳位置和數(shù)量的布設(shè)，在信號和噪聲統(tǒng)計特性未知的情況下，采用變步長自適應算法，最大限度對消發(fā)射/接收線圈獲得核磁共振信號中的噪聲。該發(fā)明的有益之處是:一定程度上實現(xiàn)了多場源噪聲干擾下核磁共振信號的提取，有效地解決了居民區(qū)核磁共振探測干擾多、多種干擾噪聲數(shù)據(jù)難以分離的問題，但同樣面臨著在狹小空間中參考線圈布設(shè)困難、應用受限的局限。
[0004]CN102062877A公開了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(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)射線圈相連，接收線圈經(jīng)保護開關(guān)、信號調(diào)理單元、放大器與信號采集單元相連結(jié)構(gòu)成。采用垂直布設(shè)線圈模式，有效的降低了線圈的占用面積，使該裝置可以在狹小的空間中展開勘探工作。但是上述發(fā)明的對前方水體超前探測的核磁共振探測裝置及探測方法僅僅采用天然地磁場，其磁場強度只有幾十uT，相對微弱，而且地磁場方向不可改變，采用該裝置不能準確分辨出是探測的前方還是后方存在含水體，即不能實現(xiàn)定向超前探測的目的。而且由于天然地磁場的磁場強度微弱，所以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(shù)。
[0005]上述發(fā)明的核磁共振找水裝置針對特殊的需要和應用場合均具有較高的測量精度和良好的測量效果，但都存在一些不足:在空間狹小、環(huán)境復雜的地下掘進工程中，地面核磁共振探測中比較有效的方法，類似多通道參考線圈消噪方法均因空間受限面臨實現(xiàn)困難、線圈匝數(shù)不夠而不能接收到有效信號等對工作環(huán)境適應差的問題；同時在針對隧道、礦井等大型的地下掘進工程中的核磁共振找水裝置中，雖然采用了多匝小線圈接收的方式，解決了狹小空間接收線圈鋪設(shè)的問題，但在強噪聲復雜地下工程中仍然存在核磁共振信號與強背景噪聲相比很小，即信噪比很低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于空間狹小、背景噪聲復雜的地下掘進工程，利用預極化線圈產(chǎn)生的磁場強度遠遠大于天然地磁場的預極化磁場，從而提高水體的整體磁化強度，進而提高了信噪比，實現(xiàn)對地下掘進工程中災害水源的精確測量，準確定位、減少因前方地質(zhì)情況不明所引發(fā)的突水、涌泥、塌方冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災害的地下全空間核磁共振預極化探測裝置。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]地下全空間核磁共振預極化探測裝置，是由電腦I經(jīng)輸出可調(diào)的大功率電源2、大功率發(fā)射橋路4與預極化線圈12的一端連接，電腦I經(jīng)主控制單元6、發(fā)射橋路驅(qū)動3、大功率發(fā)射橋路4和高壓切換開關(guān)5與預極化線圈12的另一端連接，主控制單元6分別與發(fā)射橋路驅(qū)動3、高壓切換開關(guān)5、Q-switch電路8和A/D采集單元10連接，電腦I經(jīng)A/D采集單元10、放大器電路9、Q-switch電路8和配諧電容7與接收線圈11連接，預極化線圈12與能釋電路13連接構(gòu)成。
[0009 ]地下全空間核磁共振預極化探測方法，包括以下步驟:
[0010]a、在測區(qū)內(nèi)選擇一探測點，以該探測點的假想直立面為線圈的鋪設(shè)平面，鋪設(shè)接收線圈11與預極化線圈12;
[0011]b、電腦I通過串口線控制輸出可調(diào)的大功率電源2，通過改變其輸出電壓的大小，來改變在預極化線圈12上的激發(fā)電流的大小，即產(chǎn)生不同強度的預極化磁場，通過不同強度磁場的極化，實現(xiàn)距離預極化線圈不同遠近水體的探測。
[0012]C、主控制單元6產(chǎn)生7s預極化場極化時間，通過發(fā)射橋路驅(qū)動3對大功率發(fā)射橋路4進行驅(qū)動，發(fā)射橋路4被驅(qū)動后，主控制單元6控制高壓切換開關(guān)5，使其處于閉合狀態(tài)，利用大功率電源2產(chǎn)生的輸出電壓向預極化線圈12施加電流，實現(xiàn)對前方水體的極化；
[0013]d、在極化時，主控制單元6控制Q-swi tch電路8和A/D采集單元10，使其處于斷開(不工作)狀態(tài)，當激發(fā)結(jié)束后，經(jīng)過7s，主控制單元6控制發(fā)射橋路驅(qū)動3使發(fā)射橋路4不被驅(qū)動，結(jié)束對預極化線圈12施加電壓。
[0014]e、當結(jié)束對預極化線圈12的供電后，預極化線圈12上的能量不會自己迅速消失，通過能釋電路13來迅速消耗預極化線圈12上的能量，這段能釋時間在15ms內(nèi)，然后主控制單元6控制Q-swi tch電路8對接收線圈11受到預極化線圈12能量影響產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象進行抑制；
[0015]f、放大器電路9對經(jīng)過Q-switch電路8已經(jīng)抑制振鈴現(xiàn)象的信號進行放大后送至A/D采集單元10，在開始A/D采集之前的Q-swi tch電路的工作時間為5ms，主控制單元6控制A/D采集單元10的采集開始與結(jié)束時間，在控制A/D采集單元10采集時不關(guān)閉Q-swi tch，A/D采集的時間為3s，A/D采集單元10利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大器電路H輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)送至電腦I，進行數(shù)據(jù)的顯示，之后將Q-switch電路和A/D采集單元都停止，進入一段持續(xù)4s的等待時間這是一個工作周期；
[0016]g、重復步驟c一f，進行連續(xù)疊加探測，顯示連續(xù)疊加探測得到的磁共振信號，將獲得的準確數(shù)據(jù)保存；
[0017]h、將步驟g顯示與保存的核磁共振信號進行特征參數(shù)提取，獲得弛豫時間、初始振幅、頻率參數(shù)，將測得的數(shù)據(jù)進行反演處理，計算出指定方向上、設(shè)定距離、設(shè)定區(qū)域內(nèi)的含水量、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)災害提供預報依據(jù)。
[0018]有益效果:本發(fā)明公開的地下全空間核磁共振預極化探測方法適用于環(huán)境噪聲復雜多變以及空間分布不均勻的礦井、隧道等全空間地質(zhì)環(huán)境。預極化線圈產(chǎn)生的預極化磁場的磁場強度遠大于幾十uT的地磁場強度，從而增強探測水體的整體磁化強度，增大核磁共振信號，進而提高信噪比，因此可以適用于噪聲強且環(huán)境噪聲復雜多變的環(huán)境，解決了難以在強噪聲干擾的情況下提取核磁共振信號的難題。預極化線圈產(chǎn)生的磁場強度隨距離變化，產(chǎn)生一個梯度磁場，提高了探測的分辨率。預極化磁場的方向可以改變，能夠?qū)崿F(xiàn)定向探測。采用該發(fā)明裝置對隧道、礦井等地下工程中的含水體進行探測時，不僅可以準確、有效地檢測出是否存在含水體，以及含水體的含水量大小、含水層的厚度，而且可以實現(xiàn)對指定方向、特定距離的區(qū)域定向探測的目的，從而能夠更加可靠、精確的找到含水體的位置，解決含水體的精確定位難題。本發(fā)明的提出，解決了難以在強噪聲干擾的情況下提取核磁共振信號的難題以及含水體的精確定位難題，具有很大的現(xiàn)實意義。
【附圖說明】
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[0019]圖1是地下全空間核磁共振預極化探測裝置的結(jié)構(gòu)框圖
[0020]圖2是地下全空間核磁共振預極化探測方法的時序圖
[0021]I電腦，2輸出可調(diào)的大功率電源，3發(fā)射橋路驅(qū)動，4大功率發(fā)射橋路，5高壓切換開關(guān)，6主控制單元，7配諧電容，8Q-switch電路，9放大器電路，10A/D采集單元，11接收線圈，12預極化線圈，13能釋電路。
【具體實施方式】
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[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
[0023]地下全空間核磁共振預極化方式探測裝置，是由電腦I通過串口總線與主控制單元6及輸出可調(diào)的大功率電源2相連，主控制單元6通過控制線與發(fā)射橋路驅(qū)動3相連，發(fā)射橋路驅(qū)動3通過信號線與大功率發(fā)射橋路4相連，大功率電源2的輸出端通過交互信號線與大功率發(fā)射橋路4相連，發(fā)射橋路4的輸出端通過信號線與高壓切換開關(guān)5相連，高壓切換開關(guān)5通過信號線與預極化線圈12的一端相連，發(fā)射橋路4通過信號線與預極化線圈12另一端相連。接收線圈11通過信號線與配諧電容7的一端相連，配諧電容7的另一端通過信號線與Q-swi tch電路8的輸入端相連，Q-swi tch電路8的輸出端通過信號線與放大器電路9的輸入端相連，放大器電路9的輸出端通過信號線與A/D采集單元10的輸入端相連，A/D采集單元10的輸出端通過數(shù)據(jù)線與電腦I相連。主控制單元6通過控制線分別與高壓切換開關(guān)5、Q-switch電路8及A/D采集單元10相連。
[0024]預極化場的先開始對探測目標進行極化，這時Q-switch電路和A/D采集單元都先不工作。當預極化場的開啟時間過7s后停止對預極化場的激發(fā)，這時能釋電路開始對預極化線圈的能量進行迅速的釋放時間在15ms內(nèi)，能釋時間過后，開啟Q-swi tch電路，對振鈴現(xiàn)象進行抑制，開啟5ms后開始A/D采集，這時并不關(guān)閉Q-swi tch，A/D采集3s后，將Q-switch電路和A/D采集單元都停止，進入一段持續(xù)4s的等待時間后，在開始下一個周期，多次周期測量后進行疊加顯示及保存。
[0025]地下全空間核磁共振預極化探測方法，包括以下步驟:
[0026]a、在測區(qū)內(nèi)選擇一探測點，以該探測點的假