基本信息
- 项目名称：
- 地下工程突水灾害源超前探测复合式激发极化设备研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品以含水体超前定位和水量估算为核心目标，以仪器设备和软件研发为核心内容，以物理模型试验和数值正演反演方法为研究手段，建立复合式激电法在隧道中的工作方式，突破基于频域激电参数、视电阻率参数和时域激电参数的含水体异常实时识别技术，提出基于三维反演成像技术的含水体超前定位方法，致力于研发出一套水量估算软件，最终建立基于复合式激电法的隧道含水体实时超前预报、三维定位与水量估算方法技术体系。
- 详细介绍：
- 由于我国基础建设进程的加快，矿山、交通和水电等领域地下工程中的隧道工程越来越多，且这些隧道具有埋深大、地质条件复杂，含水构造发育等特点，为保证施工的顺利在工程中不得不大量使用了多种物探方法。但现有的物探手段如钻探、物探、遥感判断、波速测井等方法，很难准确查明施工过程中的水文、地质条件，所以造成了隧道掘进过程中突水、涌水等灾害时有发生，从而给隧道施工带来了严重的安全问题和重大的经济损失。例如，在交通施工中，宜万铁路野三关隧道发生特大突水，死亡10人；在矿山领域，目前全国600余处国有重点煤矿中受水害威胁的矿井达285处，占47.5%，为处理煤矿水害，我国每年排出矿井水56亿m3，造成矿区水源枯竭、水与生态环境遭到破坏。例如，2010年3月28日发生的王家岭煤矿透水事故，共造成38人遇难；2011年4月25日刚刚发生的贵州盘县透水煤矿8名矿工遇难。综上所述，隧道突水、透水事故给施工生产带来了重大灾难和经济损失，已经成为制约隧道等地下工程安全建设的瓶颈问题。而目前含水构造探测仪器在探测距离、涌水量预测等问题都急需解决。因此，开发一套有效地超前探水仪器是作品设计、发明的目的。 本课题研究在地面上直接探水的频率域激发极化法和我国物探工作者发明的时间域二激发电流极化时差方法及其技术，在隧道施工时探查掌子面前方的含水层和岩性变化状况；利用二激发电流极化时差法估算含水层的涌水量。开发多通道、选择性强（多频组、低功耗、抗干扰）、具有多功能的超前地质实时预报多频域激电及二激发电流极化时差仪及分析系统。该系统能够预测预报隧道前方地质条件的变化、不良地层如断层和破碎带、岩溶发育区、岩溶裂隙水及水量大小。该系统以数据的快速处理和实时预测预报为特点，为隧道安全快速施工提供正确、直观的决策依据。 本项目的成果是研发了一种隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备。它实现了时域和频域激发极化仪器的硬件与软件的优化集成，兼有时域激发极化仪器和频域激发极化仪器的优点，改变了隧道地质预报工作中时域激发极化设备与频域激发极化设备分体使用的不利状况，可显著提高现场工作效率，有效的改善了抗干扰性能，可适应隧道或坑道恶劣环境。该设备最突出的特点是可实现半衰时之差参数的测量，实现了隧道或坑道含水体水量的估算。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 基本思路： 针对基于复合式激电法的隧道含水体超前预报方法，我们制定出以下的研究思路：以含水体超前定位和水量估算为核心目标，以仪器设备和软件研发为核心内容，以物理模型试验和数值正演反演方法为研究手段，建立复合式激电法在隧道中的工作方式，突破基于频域激电参数、视电阻率参数和时域激电参数的含水体异常实时识别技术，提出基于三维反演成像技术的含水体超前定位方法，涌水量预测方法并致力于研发出一套水量估算软件，最终建立基于复合式激电法的隧道含水体实时超前预报、三维定位与水量估算方法技术体系。 创新点：1.估算涌水量，可以探测掌子面强方水体涌水量，为其最大创新点。2.节约工作时间：通过优化集成，实现一机多用，节约仪器成本简化操作工序，有效的提高现场工作的效率。3.有效的抗干扰性能优化：通过使用激发极化技术，能降低周围施工设施对于仪器的影响，使其对于探测涌水量更加准确。4.数据更加直观：仪器可以完成视电阻率、视极化率、半衰时、激发比和视频散率等参数的测量。数据经处理后通过二维和三维图表示，直观的展示数据和掌子面前方水体情况，有利于施工技术人员判断和后期数据整理。 技术关键和主要技术指标：仪器结合时域频、域两种技术，优化集成，通过对仪器可以完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率等参数的测量，既可以快速探测掌子面前方水体，又可以估算其涌水量。后期数据可视化处理，直观了解水体情况。超前探测距离可达50m，不影响掌子面施工，提高现场工作效率。
科学性、先进性
- 仪器结合时域频、域两种技术，优化集成，通过对仪器可以完成视电阻率、接地电阻、视极化率、半衰时、激发比和视频散率等参数的测量，既可以快速探测掌子面前方水体，又可以估算其涌水量。仪器更强的抗干扰能力，有效减少施工设备的影响，提高预报精度。后期数据可视化处理，直观了解水体情况。超前探测距离可达50m，不影响掌子面施工，提高现场工作效率。
获奖情况及鉴定结果
- 第十二届“挑战杯”山东大学学生课外学术科技作品竞赛终审决赛 特等奖
作品所处阶段
- 实验室中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物 模型 图片 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 由于我国基础建设进程的加快，矿山、交通和水电等领域地下工程中的隧道工程越来越多，且这些隧道具有埋深大、地质条件复杂，含水构造发育等特点，为保证施工的顺利在工程中不得不大量使用了多种物探方法。但现有的物探手段如钻探、物探、遥感判断、波速测井等方法，很难准确查明施工过程中的水文、地质条件，所以造成了隧道掘进过程中突水、涌水等灾害时有发生，从而给隧道施工带来了严重的安全问题和重大的经济损失。因此，开发一套有效地超前探水仪器是作品将会有巨大的经济价值和实用性。
同类课题研究水平概述
- 目前，在地下工程超前预报领域中常用的方法有TSP超前预报技术、地震负视速度法、 TRT真地震反射成像技术、地质雷达、红外探水法等，但是还没有哪种方法能对隧道前方水体预报进行准确定位，更无法进行涌水量的估算；在岩溶裂隙水等不良地质实时预报方面还缺乏先进的科学预报方法和设备。 时间域激发极化法直接找水是我国物探工作者于上世纪70年代中期集体发明的具有我国自主知识产权的方法，在隧道地质超前预报方面尚未见到相关报道。它主要是利用地下水激发极化机制，形成一个新方法。其原理是在地面向地下供给一个较大电流，它将会使地下不同的岩石或水体受激发产生极化，当供电停止后，极化的岩体或水体形成一个电源，产生极化二次电场，接收这个二次电场，可以得到极化率和极化电流的衰减系数等参数。但是，时间域激发极化法耗时较长。 频率域激发极化法也可以测到含水层的极化率，它与时间域激发极化法测得的极化率是等效的，但它的优点是比时间域激发极化法测量速度快。在地面上作地下水资源探查时，业主要求半定量地给出钻孔出水量，此时频率域激发极化法遇到了困难。 BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)是一种电法超前预报方法，由德国GEOHYDRAULIC DATA公司推出的产品。它是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外围的环状电极发射一个屏障电流和在内部发射一个测量电流，以便电流聚焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE(Percentage frequency effect)的变化，预报前方岩体的完整性和含水性。这种仪器目前在我国尚未引进。它是一种频率域激发极化仪器，但与我国已有的双频激电和伪随机频率域激发极化仪器相比，落后了近20年。 我们研究的复合式激发极化仪器设备是在现有时域激发极化仪器和频域激发极化仪器的研究基础上对其进行一定的改进，兼有时域和频域激发极化仪器的优点，既克服时域耗时长的缺点又解决频域无法探测用水量的缺点，将提供一种性能稳定、灵敏度高、方便实用且能批量生产的能够实时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的复合式激发极化仪器。
