一種用環(huán)形天線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磁共振超前探測(cè)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地球物理勘探領(lǐng)域的超前探測(cè)領(lǐng)域，尤其是利用環(huán)形天線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磁 共振超前探測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道、礦井等地下掘進(jìn)工程中，突水、涌水等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有 發(fā)生，帶來(lái)了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)隧道、礦井掌子面前方含水體的超前探測(cè)已 經(jīng)成為一個(gè)重要的研宄課題，對(duì)制定突涌水防治措施和評(píng)價(jià)施工安全具有重要意義。
[0003]磁共振探測(cè)（MagneticResonanceSounding，簡(jiǎn)稱MRS)是一種直接地球物理勘探 方法。與傳統(tǒng)的地球物理間接探測(cè)方法相比，MRS具有高分辨率、高效率、信息量豐富和解 釋唯一性等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的新技術(shù)。
[0004]CN102819046A公開(kāi)了一種雙D型線圈核磁共振儀隨掘進(jìn)機(jī)巷道前方突水探測(cè)方 法，將雙D型線圈核磁共振儀固定在掘進(jìn)機(jī)的操作臺(tái)上；以巖層中含水量35%作為可發(fā)生 突水參數(shù)，正演得核磁共振標(biāo)定信號(hào)，將核磁共振信號(hào)與標(biāo)定信號(hào)比較，若核磁共振信號(hào)小 于標(biāo)定信號(hào)，則沒(méi)有危險(xiǎn)存在；若核磁共振信號(hào)大于標(biāo)定信號(hào)，則有危險(xiǎn)，核磁共振儀發(fā)出 報(bào)警，停止掘進(jìn)。
[0005] CN102062877A公開(kāi)了一種對(duì)前方水體超前探測(cè)的核磁共振探測(cè)裝置及探測(cè)方法， 是由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口總線分別與系統(tǒng)控制器、大功率電源、信號(hào)采集單元相連，系統(tǒng)控制器 經(jīng)橋路驅(qū)動(dòng)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。采用垂直布設(shè)線圈 模式，有效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(kāi)勘探工作。
[0006]CN102262247A公開(kāi)了一種隧道突水超前預(yù)測(cè)裝置及預(yù)測(cè)方法，收發(fā)一體多匝矩形 或方形線圈，平行于掌子面布設(shè)，計(jì)算機(jī)控制高壓電源，主控芯片通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射 橋路，產(chǎn)生激發(fā)磁場(chǎng)。放大電路將核磁共振信號(hào)放大后送到采集電路，采集電路通過(guò)A/D轉(zhuǎn) 換器將放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送至計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和濾 波處理，通過(guò)軟件進(jìn)行水文地質(zhì)解釋，將所采集到的核磁共振信號(hào)的初始振幅、衰減時(shí)間解 釋成含水率和孔隙度，將激發(fā)電流的大小解釋成探測(cè)深度，進(jìn)而給出掌子面前方地質(zhì)體的 含水率及潛在水體的賦存狀態(tài)。
[0007] 上述發(fā)明所采取的環(huán)形天線鋪設(shè)方式均為垂直放置，即平行于掌子面，這種測(cè)量 方式只能對(duì)正前方進(jìn)行探測(cè)，屬于一維探測(cè)，其他方向無(wú)法探測(cè)，并且不能分辨含水體來(lái)自 掌子面前方還是后方，存在多解性，因此無(wú)法獲取更豐富的關(guān)于含水體構(gòu)造的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種用環(huán)形天線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磁共振超前探測(cè) 的方法，旨在采用旋轉(zhuǎn)環(huán)形天線進(jìn)行多角度探測(cè)并進(jìn)行二維成像，可以有效地判斷出含水 體的具體位置，規(guī)模以及含水量大小等；還有效解決了由于環(huán)形天線全空間輻射而無(wú)法區(qū) 分含水體來(lái)自于哪一空間的問(wèn)題。
[0009] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種用環(huán)形天線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磁共振超前探測(cè)的方法，在隧道 或礦井上劃分垂直方向測(cè)量剖面以及水平方向測(cè)量剖面，將所述垂直方向測(cè)量剖面以及水 平方向測(cè)量剖面依次按照固定角度為間隔設(shè)定多個(gè)測(cè)量區(qū)域；
[0010] 采用環(huán)形天線進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)測(cè)量，使環(huán)形天線的平面平行于水平面，法向方向依 次轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)垂直方向測(cè)量剖面的測(cè)量區(qū)域，得到不同測(cè)量點(diǎn)區(qū)域內(nèi)水體的磁共振信號(hào)，將 磁共振信號(hào)進(jìn)行水文參數(shù)的反演，形成垂直方向二維含水量扇形圖；
[0011] 采用環(huán)形天線進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)測(cè)量，使環(huán)形天線的平面垂直于水平面，法向方向依 次轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)水平方向測(cè)量剖面的測(cè)量區(qū)域，得到不同測(cè)量區(qū)域內(nèi)水體的磁共振信號(hào)，將磁 共振信號(hào)進(jìn)行水文參數(shù)的反演，形成水平方向二維含水量扇形圖；
[0012] 根據(jù)垂直方向二維含水量扇形圖以及水平方向二維含水量扇形圖形成全空間的 含水分布。
[0013] 垂直方向測(cè)量剖面的測(cè)量區(qū)域依次為隧道或礦井頂板、頂板與掌子面的聯(lián)合面、 掌子面、掌子面與底板的聯(lián)合面和底板。
[0014] 水平方向測(cè)量剖面的測(cè)量區(qū)域依次為隧道或礦井左側(cè)壁、左側(cè)壁與掌子面的聯(lián)合 面、掌子面、掌子面與右側(cè)壁的聯(lián)合面和右側(cè)壁板。
[0015] 進(jìn)一步地，垂直旋轉(zhuǎn)測(cè)量包括以下步驟：
[0016] a、將環(huán)形天線固定在可旋轉(zhuǎn)支架上，水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)天線底座與磁共 振探測(cè)儀器連接；
[0017] b、旋轉(zhuǎn)環(huán)形天線使其平面平行于水平面法向方向指向頂板，從小到大依次發(fā)射一 系列不同強(qiáng)度的交變電流，頻率等于拉莫爾頻率，發(fā)射停止后再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，用環(huán)形天線 接收磁共振信號(hào)el，此時(shí)信號(hào)主要來(lái)自頂板或底板的含水體；
[0018] c、在步驟b中環(huán)形天線位置的基礎(chǔ)上，依次旋轉(zhuǎn)角度，使環(huán)形天線平面的法向方 向分別指向頂板與掌子面的聯(lián)合面、掌子面、掌子面與底板的聯(lián)合面和底板區(qū)域，在每個(gè)區(qū) 域分別發(fā)射一系列不同強(qiáng)度的交變電流，并用環(huán)形天線接收不同區(qū)域內(nèi)含水體產(chǎn)生的磁共 振信號(hào)e2、e3、e4和e5;
[0019] d、將所有測(cè)量的磁共振信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加、濾波處理，提高信噪比，最后共同參與 到水文參數(shù)的反演中，獲得隧道或礦井頂板，頂板與掌子面的聯(lián)合面、掌子面、掌子面與底 板的聯(lián)合面和底板組成的垂直方向二維含水量扇形圖。
[0020] 進(jìn)一步地，水平旋轉(zhuǎn)測(cè)量包括以下步驟：
[0021] a、將環(huán)形天線固定在可旋轉(zhuǎn)支架上，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)天線底座與磁共 振探測(cè)儀器連接；
[0022] b、旋轉(zhuǎn)環(huán)形天線使其平面垂直于水平面，法向方向指向左側(cè)壁，從小到大依次發(fā) 射一系列不同強(qiáng)度的交變電流I，頻率等于拉莫爾頻率，發(fā)射停止后再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，用環(huán) 形天線1接收磁共振信號(hào)^，此時(shí)信號(hào)主要來(lái)自左側(cè)壁或右側(cè)壁的含水體；
[0023] c、在步驟b中環(huán)形天線位置的基礎(chǔ)上，依次旋轉(zhuǎn)角度，使環(huán)形天線平面的法向方 向分別指向左側(cè)壁與掌子面的聯(lián)合面、掌子面、掌子面與右側(cè)壁的聯(lián)合面和右側(cè)壁區(qū)域，在 每個(gè)區(qū)域分別發(fā)射一系列不同強(qiáng)度的交變電流I，并用環(huán)形天線接收不同區(qū)域內(nèi)含水體產(chǎn) 生的磁共振信號(hào)e2、e3、64和e5;
[0024] d、將所有測(cè)量的磁共振信號(hào)數(shù)據(jù)e進(jìn)行疊加、濾波處理，提高信噪比，最后共同參 與到水文參數(shù)的反演中，獲得隧道或礦井左側(cè)壁，左側(cè)壁與掌子面的聯(lián)合面、掌子面、掌子 面與右側(cè)壁的聯(lián)合面和右側(cè)壁組成的水平方向二維含水量扇形圖。
[0025] 進(jìn)一步地，步驟d中，將所有測(cè)量的磁共振信號(hào)數(shù)據(jù)表示為E= [ei，e2,e3,e4,e5]T， T代表矩陣的轉(zhuǎn)置，地面核磁共振信號(hào)E與含水量w線性相關(guān)，見(jiàn)表達(dá)式（I)
[0026] E=Kw(1)其中，核函數(shù)K代表了地下空間靈敏度大小，為了