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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 地下工程突水災(zāi)害源超前探測(cè)復(fù)合式激發(fā)極化設(shè)備研發(fā)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品以含水體超前定位和水量估算為核心目標(biāo)，以儀器設(shè)備和軟件研發(fā)為核心內(nèi)容，以物理模型試驗(yàn)和數(shù)值正演反演方法為研究手段，建立復(fù)合式激電法在隧道中的工作方式，突破基于頻域激電參數(shù)、視電阻率參數(shù)和時(shí)域激電參數(shù)的含水體異常實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)，提出基于三維反演成像技術(shù)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(fù)合式激電法的隧道含水體實(shí)時(shí)超前預(yù)報(bào)、三維定位與水量估算方法技術(shù)體系。
- 詳細(xì)介紹：
- 由于我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)程的加快，礦山、交通和水電等領(lǐng)域地下工程中的隧道工程越來(lái)越多，且這些隧道具有埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜，含水構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)，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(xiàn)有的物探手段如鉆探、物探、遙感判斷、波速測(cè)井等方法，很難準(zhǔn)確查明施工過(guò)程中的水文、地質(zhì)條件，所以造成了隧道掘進(jìn)過(guò)程中突水、涌水等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，從而給隧道施工帶來(lái)了嚴(yán)重的安全問(wèn)題和重大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，在交通施工中，宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道發(fā)生特大突水，死亡10人；在礦山領(lǐng)域，目前全國(guó)600余處國(guó)有重點(diǎn)煤礦中受水害威脅的礦井達(dá)285處，占47.5%，為處理煤礦水害，我國(guó)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(chǎn)帶來(lái)了重大災(zāi)難和經(jīng)濟(jì)損失，已經(jīng)成為制約隧道等地下工程安全建設(shè)的瓶頸問(wèn)題。而目前含水構(gòu)造探測(cè)儀器在探測(cè)距離、涌水量預(yù)測(cè)等問(wèn)題都急需解決。因此，開(kāi)發(fā)一套有效地超前探水儀器是作品設(shè)計(jì)、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(guó)物探工作者發(fā)明的時(shí)間域二激發(fā)電流極化時(shí)差方法及其技術(shù)，在隧道施工時(shí)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(shí)差法估算含水層的涌水量。開(kāi)發(fā)多通道、選擇性強(qiáng)（多頻組、低功耗、抗干擾）、具有多功能的超前地質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)多頻域激電及二激發(fā)電流極化時(shí)差儀及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)隧道前方地質(zhì)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(shù)據(jù)的快速處理和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為特點(diǎn)，為隧道安全快速施工提供正確、直觀的決策依據(jù)。 本項(xiàng)目的成果是研發(fā)了一種隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)復(fù)合式激發(fā)極化儀器設(shè)備。它實(shí)現(xiàn)了時(shí)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(shí)域激發(fā)極化儀器和頻域激發(fā)極化儀器的優(yōu)點(diǎn)，改變了隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中時(shí)域激發(fā)極化設(shè)備與頻域激發(fā)極化設(shè)備分體使用的不利狀況，可顯著提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率，有效的改善了抗干擾性能，可適應(yīng)隧道或坑道惡劣環(huán)境。該設(shè)備最突出的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)半衰時(shí)之差參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 基本思路： 針對(duì)基于復(fù)合式激電法的隧道含水體超前預(yù)報(bào)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(biāo)，以儀器設(shè)備和軟件研發(fā)為核心內(nèi)容，以物理模型試驗(yàn)和數(shù)值正演反演方法為研究手段，建立復(fù)合式激電法在隧道中的工作方式，突破基于頻域激電參數(shù)、視電阻率參數(shù)和時(shí)域激電參數(shù)的含水體異常實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)，提出基于三維反演成像技術(shù)的含水體超前定位方法，涌水量預(yù)測(cè)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(fù)合式激電法的隧道含水體實(shí)時(shí)超前預(yù)報(bào)、三維定位與水量估算方法技術(shù)體系。 創(chuàng)新點(diǎn)：1.估算涌水量，可以探測(cè)掌子面強(qiáng)方水體涌水量，為其最大創(chuàng)新點(diǎn)。2.節(jié)約工作時(shí)間：通過(guò)優(yōu)化集成，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，節(jié)約儀器成本簡(jiǎn)化操作工序，有效的提高現(xiàn)場(chǎng)工作的效率。3.有效的抗干擾性能優(yōu)化：通過(guò)使用激發(fā)極化技術(shù)，能降低周圍施工設(shè)施對(duì)于儀器的影響，使其對(duì)于探測(cè)涌水量更加準(zhǔn)確。4.數(shù)據(jù)更加直觀：儀器可以完成視電阻率、視極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比和視頻散率等參數(shù)的測(cè)量。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)二維和三維圖表示，直觀的展示數(shù)據(jù)和掌子面前方水體情況，有利于施工技術(shù)人員判斷和后期數(shù)據(jù)整理。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)：儀器結(jié)合時(shí)域頻、域兩種技術(shù)，優(yōu)化集成，通過(guò)對(duì)儀器可以完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比和視頻散率等參數(shù)的測(cè)量，既可以快速探測(cè)掌子面前方水體，又可以估算其涌水量。后期數(shù)據(jù)可視化處理，直觀了解水體情況。超前探測(cè)距離可達(dá)50m，不影響掌子面施工，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 儀器結(jié)合時(shí)域頻、域兩種技術(shù)，優(yōu)化集成，通過(guò)對(duì)儀器可以完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比和視頻散率等參數(shù)的測(cè)量，既可以快速探測(cè)掌子面前方水體，又可以估算其涌水量。儀器更強(qiáng)的抗干擾能力，有效減少施工設(shè)備的影響，提高預(yù)報(bào)精度。后期數(shù)據(jù)可視化處理，直觀了解水體情況。超前探測(cè)距離可達(dá)50m，不影響掌子面施工，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”山東大學(xué)學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽終審決賽 特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物 模型 圖片 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 由于我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)程的加快，礦山、交通和水電等領(lǐng)域地下工程中的隧道工程越來(lái)越多，且這些隧道具有埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜，含水構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)，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(xiàn)有的物探手段如鉆探、物探、遙感判斷、波速測(cè)井等方法，很難準(zhǔn)確查明施工過(guò)程中的水文、地質(zhì)條件，所以造成了隧道掘進(jìn)過(guò)程中突水、涌水等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，從而給隧道施工帶來(lái)了嚴(yán)重的安全問(wèn)題和重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開(kāi)發(fā)一套有效地超前探水儀器是作品將會(huì)有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用性。
同類課題研究水平概述
- 目前，在地下工程超前預(yù)報(bào)領(lǐng)域中常用的方法有TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)、地震負(fù)視速度法、 TRT真地震反射成像技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水法等，但是還沒(méi)有哪種方法能對(duì)隧道前方水體預(yù)報(bào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，更無(wú)法進(jìn)行涌水量的估算；在巖溶裂隙水等不良地質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方面還缺乏先進(jìn)的科學(xué)預(yù)報(bào)方法和設(shè)備。 時(shí)間域激發(fā)極化法直接找水是我國(guó)物探工作者于上世紀(jì)70年代中期集體發(fā)明的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方法，在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方面尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。它主要是利用地下水激發(fā)極化機(jī)制，形成一個(gè)新方法。其原理是在地面向地下供給一個(gè)較大電流，它將會(huì)使地下不同的巖石或水體受激發(fā)產(chǎn)生極化，當(dāng)供電停止后，極化的巖體或水體形成一個(gè)電源，產(chǎn)生極化二次電場(chǎng)，接收這個(gè)二次電場(chǎng)，可以得到極化率和極化電流的衰減系數(shù)等參數(shù)。但是，時(shí)間域激發(fā)極化法耗時(shí)較長(zhǎng)。 頻率域激發(fā)極化法也可以測(cè)到含水層的極化率，它與時(shí)間域激發(fā)極化法測(cè)得的極化率是等效的，但它的優(yōu)點(diǎn)是比時(shí)間域激發(fā)極化法測(cè)量速度快。在地面上作地下水資源探查時(shí)，業(yè)主要求半定量地給出鉆孔出水量，此時(shí)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(yù)報(bào)方法，由德國(guó)GEOHYDRAULIC DATA公司推出的產(chǎn)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(diǎn)是通過(guò)外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個(gè)屏障電流和在內(nèi)部發(fā)射一個(gè)測(cè)量電流，以便電流聚焦進(jìn)入要探測(cè)的巖體中，通過(guò)得到一個(gè)與巖體中孔隙有關(guān)的電能儲(chǔ)存能力的參數(shù)PFE(Percentage frequency effect)的變化，預(yù)報(bào)前方巖體的完整性和含水性。這種儀器目前在我國(guó)尚未引進(jìn)。它是一種頻率域激發(fā)極化儀器，但與我國(guó)已有的雙頻激電和偽隨機(jī)頻率域激發(fā)極化儀器相比，落后了近20年。 我們研究的復(fù)合式激發(fā)極化儀器設(shè)備是在現(xiàn)有時(shí)域激發(fā)極化儀器和頻域激發(fā)極化儀器的研究基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行一定的改進(jìn)，兼有時(shí)域和頻域激發(fā)極化儀器的優(yōu)點(diǎn)，既克服時(shí)域耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)又解決頻域無(wú)法探測(cè)用水量的缺點(diǎn)，將提供一種性能穩(wěn)定、靈敏度高、方便實(shí)用且能批量生產(chǎn)的能夠?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)隧道等地下工程掌子面前方巖性的變化和含水層性質(zhì)的復(fù)合式激發(fā)極化儀器。
