地下工程突水灾害源超前地质预报三维聚焦激发极化设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种地下工程突水灾害源超前地质预报三维聚焦激发极化设备，包括恒流多路发射机、多通道智能接收机、多路电极自动转换器、工控机、观测电极阵列和屏蔽电极；选择观测电极阵列中的电极分别作为供电电极和观测电极，工控机控制恒流多路发射机向屏蔽电极和供电电极传输同性电流，使得在屏蔽电极的作用下供电电极电流几乎指向掘进面的正前方；利用观测电极进行扫描性数据采集，并通过多通道智能接收机反馈至工控机；工控机控制多路电极自动转换器更换供电电极。本实用新型专利技术实现多路供电以及多路采集，实现掌子面的定向探测，电流的指向性好，有效解决了测线附近的旁侧干扰问题，使得背景干扰数据少，预报精度以及探测距离大大提高。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种隧道等地下工程施工中基于三维聚焦激发极化法的突水灾害源超前地质预报系统，具体地说是一种地下工程施工期突水灾害源超前地质预报三维聚焦激发极化仪器。
技术介绍
我国是隧道等地下工程突水灾害最严重的国家之一，突水突泥灾害所造成的人员伤亡和经济损失在各类隧道等地下工程地质灾害中居于前列，往往造成重大的人员伤亡、严重的经济损失和环境破坏。为防止隧道等地下工程突水突泥灾害的发生，需要在施工期间实施超前地质预报工作，超前地质预报工作的目的就是探明隧道等地下工程开挖面前方一定范围之内的地质情况。但是由于突水突泥灾害源的强隐蔽性和强复杂性，缺乏对突水灾害源三维定位与水量定量预测的有效方法和仪器，是国内外隧道等地下工程工程领域亟待解决的关键难题。自上世纪70年代起，国际上开始了隧道等地下工程施工期的不良地质超前预报研究工作，经过近40年的发展，已经发展到地震反射法、电法、电磁法等多种地球物理勘探方法。对于突水灾害源的超前地质预报而言，地震波反射超前预报方法及其设备(如TSP法、TRT法等)对水体的响应不敏感，无法有效的识别并定位突水灾害源。电磁超前预报方法及其设备(如地质雷达法、瞬变电磁法等)对水体的空间位置信息响应比较敏感，在水体定位方面有一定的效果，但电磁法抗干扰能力极弱，且无法预测水量的大小。电法类超前地质预报方法中较为有效的是激发极化法，激发极化方法被证明对水体的空间位置和水量大小有较好的反应，为解决隧道等地下工程施工中突水灾害源超前预报三维定位和水量预测难题提供了可行有效的途径。但是目前已有的隧道等地下工程超前探测激发极化设备均是基于电测深理论的定点源非聚焦型的激发极化设备。非聚焦型的激发极化超前预报设备是将探测测线布置在隧道边墙或底板上，测线附近的旁侧干扰往往掩盖了隧道开挖面前方的有用信息，对突水灾害源的定位和水量预测的精度低，可信性差，往往导致地质探测结果错误，影响了隧道施工安全。在三维聚焦型激发极化设备的技术中存在以下关键难题:①屏蔽电极和供电电极需要同时输出同性电流，具有自动调制功能的多路大电流恒流发射机的技术是关键难题；②三维聚焦型激发极化探测方法在掘进面上需要布置由数十个电极构成的观测电极系统，需要研制多通道观测数据自动化采集装置，即多通道智能接收机该设备需要测量观测电极阵列的大量数据，采集过程中需要不断的切换电极，同时大电流的切换是一个亟待解决的难题，需要研制电极自动转换器。④该设备需要具备多元激发极化信息综合采集的功能，包括屏蔽电流、供电电流、视电阻率、接地电阻、视极化率、激发极化衰减时等。
技术实现思路
本技术的目的就是为了解决非聚焦型激发极化设备存在的问题，提供一种地下工程突水灾害源超前地质预报三维聚焦激发极化设备，它性能稳定、灵敏度高、方便实用且能批量生产，能够预报隧道等地下工程掌子面前方岩性的变化和含水层性质。为实现上述目的，本技术采用下述技术方案。一种地下工程突水灾害源超前地质预报三维聚焦激发极化设备，它包括恒流多路发射机、多通道智能接收机、多路电极自动转换器、工控机和电极系；所述电极系包括观测电极阵列和屏蔽电极；所述观测电极阵列包括若干个电极，观测电极阵列中的电极、屏蔽电极分别与多路电极自动转换器连接，多路电极自动转换器分别与恒流多路发射机、多通道智能接收机连接，恒流多路发射机、多通道智能接收机、多路电极自动转换器分别与工控机实现通信。本技术将观测电极阵列和屏蔽电极布置在隧道掘进面上，选择观测电极阵列中的任一电极作为供电电极，其他的电极作为观测电极，工控机控制恒流多路发射机向屏蔽电极和供电电极传输同性电流，使得在屏蔽电极的作用下供电电极电流几乎指向掘进面的正前方，不存在旁侧干扰；利用观测电极进行扫描性数据采集，并通过多通道智能接收机反馈至工控机；测完此循环后，工控机控制多路电极自动转换器更换供电电极再进行下一循环测量，可得到携带掘进面前方有效信息的大量数据，从而实现突水危险源的三维定位和水量的预测，解决了非聚焦型激发极化设备存在问题。所述恒流多路发射机包括发射单片机系统、逆变电路、多路驱动模块、升压模块、整流模块、电流电压采样模块以及数据采集模块。电源通过逆变电路、升压模块、整流模块产生高压恒定电流，整流模块与多路驱动模块连接；发射单片机系统控制逆变电路、升压模块和多路驱动模块，通过电流电压采样模块检测反馈电路中的电流，控制多路驱动模块输出多路可调的恒流电流。所述发射单片机系统包含发射单片机、数字显示模块、时钟模块、数据存储模块、数据通信模块，主要完成检测、显示、开关量和模拟量控制，发射单片机及外围电路供电与恒流源采用全隔离设计，参量设置通过键盘设定，并在数字显示模块上显示，发射单片机系统利用发射单片机的定时器比较输出功能输出两路PWM调制波形，控制逆变电路利用脉宽调制技术(PWM)对直流电压进行逆变；电流电压采样模块对经过整流模块后的电流进行检测，发射单片机调节升压电路，以满足通过整流模块后电流的恒定，同时电流电压采样模块对多路驱动模块输出的每一路电流进行检测，发射单片机控制多路驱动模块，从而调节多路驱动模块每一路电流达到稳定的设定值。所述多路驱动模块，将直流电压，经逆变电路和升压模块产生高压，利用大功率MOSFET管构成多路负反馈恒流输出回路，从而实现多路恒流大电流的输出，同时电流电压采样模块反馈每一路电流大小，从而由发射单片机调节多路驱动模块以输出设置的供电路数、供电时间、电流大小。所述电流电压采样模块，一端分别检测通过整流模块后的电流以及多路驱动模块产生的多路电流，另一端通过数据采集模块与发射单片机连接。电流电压采样模块采用霍尔检测电路，进行模拟隔离。所述发射单片机系统还包括过压过流保护模块，过压过流保护模块分别与电流电压采样模块、发射单片机连接，电流电压采样模块反馈电流大小到电流电压保护模块，实现多路输出每支路输出电压自动保护。所述多通道智能接收机包括依次连接的多道并行的接收模块、多通道ADC转换器、接收单片机，接收信号依次通过接收模块、ADC转换器，并进入接收单片机；接收单片机对每个接收模块的数据进行采集，通过通信与工控机实现控制和信息反馈，进行数字信号的最终处理，完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比的测量。所述接收模块包括依次连接的静电高压抑制电路、共模抑制电路、差模抑制电路、第一级50Hz限波器、差分输入放大器、第二级50Hz限波器、IOOHz限波器、8阶巴特沃斯20Hz低通滤波器连接，同时接收单片机通过DAC调零电路控制差分输入放大器。所述静电高压抑制电路主要吸收工作环境中的静电和浪涌冲击，保护后端电路；共模抑制电路和差模抑制电路吸收输入的共模、差模干扰信号，两级50Hz限波器初步吸收50Hz工频干扰，保证差分输入放大器的直流工作点不随上述干扰信号漂移；差分输入放大器输出信号，在经过第一级50Hz限波器和IOOHz限波器，充分抑制工频及工频谐波的干扰；8阶巴特沃斯低通滤波器，有40dB每十倍频程的衰减量，且保证带宽内信号的平坦。所述多路电极自动转换器包括多路继电器开关、解码电路、转换器单片机、通信模块、电压采样电路，工控机通过通信模块与转换器单片机连接，转换器单片机通过解码电路与多路继电器开关连接，多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下工程突水灾害源超前地质预报三维聚焦激发极化设备，其特征是，包括恒流多路发射机、多通道智能接收机、多路电极自动转换器、工控机和电极系；所述电极系包括观测电极阵列和屏蔽电极；所述观测电极阵列包括若干个电极，观测电极阵列中的电极、屏蔽电极分别与多路电极自动转换器连接，多路电极自动转换器分别与恒流多路发射机、多通道智能接收机连接，恒流多路发射机、多通道智能接收机、多路电极自动转换器分别与工控机实现通信。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，刘斌，聂利超，隋青美，宋杰，郝亭宇，曹玉强，张法业，王静，刘征宇，孙怀凤，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：实用新型
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