基本信息
- 項目名稱：
- 地下工程突水災害源超前探測復合式激發(fā)極化設備研發(fā)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品以含水體超前定位和水量估算為核心目標，以儀器設備和軟件研發(fā)為核心內容，以物理模型試驗和數值正演反演方法為研究手段，建立復合式激電法在隧道中的工作方式，突破基于頻域激電參數、視電阻率參數和時域激電參數的含水體異常實時識別技術，提出基于三維反演成像技術的含水體超前定位方法，致力于研發(fā)出一套水量估算軟件，最終建立基于復合式激電法的隧道含水體實時超前預報、三維定位與水量估算方法技術體系。
- 詳細介紹：
- 由于我國基礎建設進程的加快，礦山、交通和水電等領域地下工程中的隧道工程越來越多，且這些隧道具有埋深大、地質條件復雜，含水構造發(fā)育等特點，為保證施工的順利在工程中不得不大量使用了多種物探方法。但現有的物探手段如鉆探、物探、遙感判斷、波速測井等方法，很難準確查明施工過程中的水文、地質條件，所以造成了隧道掘進過程中突水、涌水等災害時有發(fā)生，從而給隧道施工帶來了嚴重的安全問題和重大的經濟損失。例如，在交通施工中，宜萬鐵路野三關隧道發(fā)生特大突水，死亡10人；在礦山領域，目前全國600余處國有重點煤礦中受水害威脅的礦井達285處，占47.5%，為處理煤礦水害，我國每年排出礦井水56億m3，造成礦區(qū)水源枯竭、水與生態(tài)環(huán)境遭到破壞。例如，2010年3月28日發(fā)生的王家?guī)X煤礦透水事故，共造成38人遇難；2011年4月25日剛剛發(fā)生的貴州盤縣透水煤礦8名礦工遇難。綜上所述，隧道突水、透水事故給施工生產帶來了重大災難和經濟損失，已經成為制約隧道等地下工程安全建設的瓶頸問題。而目前含水構造探測儀器在探測距離、涌水量預測等問題都急需解決。因此，開發(fā)一套有效地超前探水儀器是作品設計、發(fā)明的目的。 本課題研究在地面上直接探水的頻率域激發(fā)極化法和我國物探工作者發(fā)明的時間域二激發(fā)電流極化時差方法及其技術，在隧道施工時探查掌子面前方的含水層和巖性變化狀況；利用二激發(fā)電流極化時差法估算含水層的涌水量。開發(fā)多通道、選擇性強（多頻組、低功耗、抗干擾）、具有多功能的超前地質實時預報多頻域激電及二激發(fā)電流極化時差儀及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠預測預報隧道前方地質條件的變化、不良地層如斷層和破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)、巖溶裂隙水及水量大小。該系統(tǒng)以數據的快速處理和實時預測預報為特點，為隧道安全快速施工提供正確、直觀的決策依據。 本項目的成果是研發(fā)了一種隧道或坑道超前地質預報復合式激發(fā)極化儀器設備。它實現了時域和頻域激發(fā)極化儀器的硬件與軟件的優(yōu)化集成，兼有時域激發(fā)極化儀器和頻域激發(fā)極化儀器的優(yōu)點，改變了隧道地質預報工作中時域激發(fā)極化設備與頻域激發(fā)極化設備分體使用的不利狀況，可顯著提高現場工作效率，有效的改善了抗干擾性能，可適應隧道或坑道惡劣環(huán)境。該設備最突出的特點是可實現半衰時之差參數的測量，實現了隧道或坑道含水體水量的估算。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 基本思路： 針對基于復合式激電法的隧道含水體超前預報方法，我們制定出以下的研究思路：以含水體超前定位和水量估算為核心目標，以儀器設備和軟件研發(fā)為核心內容，以物理模型試驗和數值正演反演方法為研究手段，建立復合式激電法在隧道中的工作方式，突破基于頻域激電參數、視電阻率參數和時域激電參數的含水體異常實時識別技術，提出基于三維反演成像技術的含水體超前定位方法，涌水量預測方法并致力于研發(fā)出一套水量估算軟件，最終建立基于復合式激電法的隧道含水體實時超前預報、三維定位與水量估算方法技術體系。 創(chuàng)新點：1.估算涌水量，可以探測掌子面強方水體涌水量，為其最大創(chuàng)新點。2.節(jié)約工作時間：通過優(yōu)化集成，實現一機多用，節(jié)約儀器成本簡化操作工序，有效的提高現場工作的效率。3.有效的抗干擾性能優(yōu)化：通過使用激發(fā)極化技術，能降低周圍施工設施對于儀器的影響，使其對于探測涌水量更加準確。4.數據更加直觀：儀器可以完成視電阻率、視極化率、半衰時、激發(fā)比和視頻散率等參數的測量。數據經處理后通過二維和三維圖表示，直觀的展示數據和掌子面前方水體情況，有利于施工技術人員判斷和后期數據整理。 技術關鍵和主要技術指標：儀器結合時域頻、域兩種技術，優(yōu)化集成，通過對儀器可以完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時、激發(fā)比和視頻散率等參數的測量，既可以快速探測掌子面前方水體，又可以估算其涌水量。后期數據可視化處理，直觀了解水體情況。超前探測距離可達50m，不影響掌子面施工，提高現場工作效率。
科學性、先進性
- 儀器結合時域頻、域兩種技術，優(yōu)化集成，通過對儀器可以完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時、激發(fā)比和視頻散率等參數的測量，既可以快速探測掌子面前方水體，又可以估算其涌水量。儀器更強的抗干擾能力，有效減少施工設備的影響，提高預報精度。后期數據可視化處理，直觀了解水體情況。超前探測距離可達50m，不影響掌子面施工，提高現場工作效率。
獲獎情況及鑒定結果
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”山東大學學生課外學術科技作品競賽終審決賽 特等獎
作品所處階段
- 實驗室中試階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物 模型 圖片 現場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 由于我國基礎建設進程的加快，礦山、交通和水電等領域地下工程中的隧道工程越來越多，且這些隧道具有埋深大、地質條件復雜，含水構造發(fā)育等特點，為保證施工的順利在工程中不得不大量使用了多種物探方法。但現有的物探手段如鉆探、物探、遙感判斷、波速測井等方法，很難準確查明施工過程中的水文、地質條件，所以造成了隧道掘進過程中突水、涌水等災害時有發(fā)生，從而給隧道施工帶來了嚴重的安全問題和重大的經濟損失。因此，開發(fā)一套有效地超前探水儀器是作品將會有巨大的經濟價值和實用性。
同類課題研究水平概述
- 目前，在地下工程超前預報領域中常用的方法有TSP超前預報技術、地震負視速度法、 TRT真地震反射成像技術、地質雷達、紅外探水法等，但是還沒有哪種方法能對隧道前方水體預報進行準確定位，更無法進行涌水量的估算；在巖溶裂隙水等不良地質實時預報方面還缺乏先進的科學預報方法和設備。 時間域激發(fā)極化法直接找水是我國物探工作者于上世紀70年代中期集體發(fā)明的具有我國自主知識產權的方法，在隧道地質超前預報方面尚未見到相關報道。它主要是利用地下水激發(fā)極化機制，形成一個新方法。其原理是在地面向地下供給一個較大電流，它將會使地下不同的巖石或水體受激發(fā)產生極化，當供電停止后，極化的巖體或水體形成一個電源，產生極化二次電場，接收這個二次電場，可以得到極化率和極化電流的衰減系數等參數。但是，時間域激發(fā)極化法耗時較長。 頻率域激發(fā)極化法也可以測到含水層的極化率，它與時間域激發(fā)極化法測得的極化率是等效的，但它的優(yōu)點是比時間域激發(fā)極化法測量速度快。在地面上作地下水資源探查時，業(yè)主要求半定量地給出鉆孔出水量，此時頻率域激發(fā)極化法遇到了困難。 BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)是一種電法超前預報方法，由德國GEOHYDRAULIC DATA公司推出的產品。它是一種聚焦電流頻率域的激發(fā)極化方法，其最大特點是通過外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個屏障電流和在內部發(fā)射一個測量電流，以便電流聚焦進入要探測的巖體中，通過得到一個與巖體中孔隙有關的電能儲存能力的參數PFE(Percentage frequency effect)的變化，預報前方巖體的完整性和含水性。這種儀器目前在我國尚未引進。它是一種頻率域激發(fā)極化儀器，但與我國已有的雙頻激電和偽隨機頻率域激發(fā)極化儀器相比，落后了近20年。 我們研究的復合式激發(fā)極化儀器設備是在現有時域激發(fā)極化儀器和頻域激發(fā)極化儀器的研究基礎上對其進行一定的改進，兼有時域和頻域激發(fā)極化儀器的優(yōu)點，既克服時域耗時長的缺點又解決頻域無法探測用水量的缺點，將提供一種性能穩(wěn)定、靈敏度高、方便實用且能批量生產的能夠實時預報隧道等地下工程掌子面前方巖性的變化和含水層性質的復合式激發(fā)極化儀器。
