地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)裝置及探測(cè)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(cè)技術(shù)在礦井隧道等地下全空間進(jìn)行深層探測(cè)。
【背景技術(shù)】
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[0002]在地下施工過(guò)程中，尤其是隧道、礦井等大型的地下掘進(jìn)工程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)遇到由地下水引起的突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，影響施工進(jìn)度，并且給施工安全帶來(lái)巨大的隱患。對(duì)施工區(qū)域上下、左右及前方的水賦存狀態(tài)進(jìn)行精確、有效的探測(cè)，成為地球物理勘探方法中的一個(gè)重要研究方向。
[0003]CN102053280A公開(kāi)了一種帶有參考線圈的核磁共振地下水探測(cè)系統(tǒng)及探測(cè)方法。通過(guò)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(hào)以及參考線圈中噪聲信號(hào)的全波形數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算參考線圈采集的噪聲信號(hào)與核磁共振信號(hào)的最大相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)參考線圈最佳位置和數(shù)量的布設(shè)，在信號(hào)和噪聲統(tǒng)計(jì)特性未知的情況下，采用變步長(zhǎng)自適應(yīng)算法，最大限度對(duì)消發(fā)射/接收線圈獲得核磁共振信號(hào)中的噪聲。該發(fā)明的有益之處是:一定程度上實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)源噪聲干擾下核磁共振信號(hào)的提取，有效地解決了居民區(qū)核磁共振探測(cè)干擾多、多種干擾噪聲數(shù)據(jù)難以分離的問(wèn)題，但同樣面臨著在狹小空間中參考線圈布設(shè)困難、應(yīng)用受限的局限。
[0004]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)射線圈相連，接收線圈經(jīng)保護(hù)開(kāi)關(guān)、信號(hào)調(diào)理單元、放大器與信號(hào)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(kāi)勘探工作。但是上述發(fā)明的對(duì)前方水體超前探測(cè)的核磁共振探測(cè)裝置及探測(cè)方法僅僅采用天然地磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度只有幾十uT，相對(duì)微弱，而且地磁場(chǎng)方向不可改變，采用該裝置不能準(zhǔn)確分辨出是探測(cè)的前方還是后方存在含水體，即不能實(shí)現(xiàn)定向超前探測(cè)的目的。而且由于天然地磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度微弱，所以不能準(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)。
[0005]上述發(fā)明的核磁共振找水裝置針對(duì)特殊的需要和應(yīng)用場(chǎng)合均具有較高的測(cè)量精度和良好的測(cè)量效果，但都存在一些不足:在空間狹小、環(huán)境復(fù)雜的地下掘進(jìn)工程中，地面核磁共振探測(cè)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(shí)現(xiàn)困難、線圈匝數(shù)不夠而不能接收到有效信號(hào)等對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)差的問(wèn)題；同時(shí)在針對(duì)隧道、礦井等大型的地下掘進(jìn)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(wèn)題，但在強(qiáng)噪聲復(fù)雜地下工程中仍然存在核磁共振信號(hào)與強(qiáng)背景噪聲相比很小，即信噪比很低的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明的目的就在于針對(duì)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(fù)雜的地下掘進(jìn)工程，利用預(yù)極化線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然地磁場(chǎng)的預(yù)極化磁場(chǎng)，從而提高水體的整體磁化強(qiáng)度，進(jìn)而提高了信噪比，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下掘進(jìn)工程中災(zāi)害水源的精確測(cè)量，準(zhǔn)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(zāi)害的地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)裝置。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)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(yù)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(dòng)3、大功率發(fā)射橋路4和高壓切換開(kāi)關(guān)5與預(yù)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(dòng)3、高壓切換開(kāi)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(yù)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(yù)極化探測(cè)方法，包括以下步驟:
[0010]a、在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇一探測(cè)點(diǎn)，以該探測(cè)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與預(yù)極化線圈12;
[0011]b、電腦I通過(guò)串口線控制輸出可調(diào)的大功率電源2，通過(guò)改變其輸出電壓的大小，來(lái)改變?cè)陬A(yù)極化線圈12上的激發(fā)電流的大小，即產(chǎn)生不同強(qiáng)度的預(yù)極化磁場(chǎng)，通過(guò)不同強(qiáng)度磁場(chǎng)的極化，實(shí)現(xiàn)距離預(yù)極化線圈不同遠(yuǎn)近水體的探測(cè)。
[0012]C、主控制單元6產(chǎn)生7s預(yù)極化場(chǎng)極化時(shí)間，通過(guò)發(fā)射橋路驅(qū)動(dòng)3對(duì)大功率發(fā)射橋路4進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)射橋路4被驅(qū)動(dòng)后，主控制單元6控制高壓切換開(kāi)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(yù)極化線圈12施加電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方水體的極化；
[0013]d、在極化時(shí)，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(kāi)(不工作)狀態(tài)，當(dāng)激發(fā)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)7s，主控制單元6控制發(fā)射橋路驅(qū)動(dòng)3使發(fā)射橋路4不被驅(qū)動(dòng)，結(jié)束對(duì)預(yù)極化線圈12施加電壓。
[0014]e、當(dāng)結(jié)束對(duì)預(yù)極化線圈12的供電后，預(yù)極化線圈12上的能量不會(huì)自己迅速消失，通過(guò)能釋電路13來(lái)迅速消耗預(yù)極化線圈12上的能量，這段能釋時(shí)間在15ms內(nèi)，然后主控制單元6控制Q-swi tch電路8對(duì)接收線圈11受到預(yù)極化線圈12能量影響產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象進(jìn)行抑制；
[0015]f、放大器電路9對(duì)經(jīng)過(guò)Q-switch電路8已經(jīng)抑制振鈴現(xiàn)象的信號(hào)進(jìn)行放大后送至A/D采集單元10，在開(kāi)始A/D采集之前的Q-swi tch電路的工作時(shí)間為5ms，主控制單元6控制A/D采集單元10的采集開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間，在控制A/D采集單元10采集時(shí)不關(guān)閉Q-swi tch，A/D采集的時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)送至電腦I，進(jìn)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(jìn)入一段持續(xù)4s的等待時(shí)間這是一個(gè)工作周期；
[0016]g、重復(fù)步驟c一f，進(jìn)行連續(xù)疊加探測(cè)，顯示連續(xù)疊加探測(cè)得到的磁共振信號(hào)，將獲得的準(zhǔn)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(hào)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(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，計(jì)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(zāi)害提供預(yù)報(bào)依據(jù)。
[0018]有益效果:本發(fā)明公開(kāi)的地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)方法適用于環(huán)境噪聲復(fù)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(yù)極化線圈產(chǎn)生的預(yù)極化磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于幾十uT的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)探測(cè)水體的整體磁化強(qiáng)度，增大核磁共振信號(hào)，進(jìn)而提高信噪比，因此可以適用于噪聲強(qiáng)且環(huán)境噪聲復(fù)雜多變的環(huán)境，解決了難以在強(qiáng)噪聲干擾的情況下提取核磁共振信號(hào)的難題。預(yù)極化線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化，產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場(chǎng)，提高了探測(cè)的分辨率。預(yù)極化磁場(chǎng)的方向可以改變，能夠?qū)崿F(xiàn)定向探測(cè)。采用該發(fā)明裝置對(duì)隧道、礦井等地下工程中的含水體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，不僅可以準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)指定方向、特定距離的區(qū)域定向探測(cè)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(qiáng)噪聲干擾的情況下提取核磁共振信號(hào)的難題以及含水體的精確定位難題，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
【附圖說(shuō)明】
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[0019]圖1是地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖
[0020]圖2是地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)方法的時(shí)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(dòng)，4大功率發(fā)射橋路，5高壓切換開(kāi)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(yù)極化線圈，13能釋電路。
【具體實(shí)施方式】
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[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0023]地下全空間核磁共振預(yù)極化方式探測(cè)裝置，是由電腦I通過(guò)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(guò)控制線與發(fā)射橋路驅(qū)動(dòng)3相連，發(fā)射橋路驅(qū)動(dòng)3通過(guò)信號(hào)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(guò)交互信號(hào)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(guò)信號(hào)線與高壓切換開(kāi)關(guān)5相連，高壓切換開(kāi)關(guān)5通過(guò)信號(hào)線與預(yù)極化線圈12的一端相連，發(fā)射橋路4通過(guò)信號(hào)線與預(yù)極化線圈12另一端相連。接收線圈11通過(guò)信號(hào)線與配諧電容7的一端相連，配諧電容7的另一端通過(guò)信號(hào)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(guò)信號(hào)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(guò)信號(hào)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(guò)數(shù)據(jù)線與電腦I相連。主控制單元6通過(guò)控制線分別與高壓切換開(kāi)關(guān)5、Q-switch電路8及A/D采集單元10相連。
[0024]預(yù)極化場(chǎng)的先開(kāi)始對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行極化，這時(shí)Q-switch電路和A/D采集單元都先不工作。當(dāng)預(yù)極化場(chǎng)的開(kāi)啟時(shí)間過(guò)7s后停止對(duì)預(yù)極化場(chǎng)的激發(fā)，這時(shí)能釋電路開(kāi)始對(duì)預(yù)極化線圈的能量進(jìn)行迅速的釋放時(shí)間在15ms內(nèi)，能釋時(shí)間過(guò)后，開(kāi)啟Q-swi tch電路，對(duì)振鈴現(xiàn)象進(jìn)行抑制，開(kāi)啟5ms后開(kāi)始A/D采集，這時(shí)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(jìn)入一段持續(xù)4s的等待時(shí)間后，在開(kāi)始下一個(gè)周期，多次周期測(cè)量后進(jìn)行疊加顯示及保存。
[0025]地下全空間核磁共振預(yù)極化探測(cè)方法，包括以下步驟:
[0026]a、在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇一探測(cè)點(diǎn)，以該探測(cè)點(diǎn)的假