專利名稱：地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種隧道或者坑道等地下工程中聚焦層析激發(fā)極化超前預報裝置，具體地說是一種地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置。
背景技術：
激發(fā)極化法作為一種重要的電磁勘探方法，以其獨特的優(yōu)點(經(jīng)濟、無損、快速及信息豐富等)廣泛應用于資源勘探與工程勘察中。激發(fā)極化法是通過接收和分析各種異常體的激發(fā)極化效應來達到探測預報的目的。它有對隧道不良水體反映靈敏的特點，可用來預報工作面前方突水異常體情況，尤其可以預報隧道前方涌水量的情況。在隧道及地下坑道的超前地質預報中，激發(fā)極化法對隧道水體不良地質體的預報具有明顯的效果。聚焦層析激發(fā)極化法是在聚焦電法的基礎上，引入層析成像的概念，發(fā)展的一種新方法，可實現(xiàn)對隧道前方不良地質構造的層析成像，并能實現(xiàn)涌水量的估算，可以說，聚焦激發(fā)極化是目前所有超前探測方法中最有發(fā)展前景的方法之一。聚焦層析激發(fā)極化法依靠屏蔽電極和主供電電極供電，測量電極接收地質體響應后的信號，來達到數(shù)據(jù)信號采集的目的，電極等測量裝置的布置是影響聚焦層析激發(fā)極化法超前預報工作效率和預報精度的重要因素之一。聚焦層析激發(fā)極化法工作時需要在工作面周圍打孔布置若干屏蔽電極，在工作面上打孔布置較多數(shù)量(20-40個)的測量電極，打如此多的電極孔，費時費工，嚴重影響施工；工作面上的電極在測量中既要作為供電電極向工作面供電，又要作為接收電極接收工作面的電壓信號，需要在一個電極位置布置兩個電極，一個銅電極作為供電電極，一個是不極化電極作為接收電極，增加了一倍電極孔和電極數(shù)量，且一般工作面斷面較大，安裝電極、連接電纜極為不便，須借助裝載車，不易操作，危險系數(shù)較大且個別位置無法完成；且電極的測量跑極需要人工手動操作，操作不便、工作效率低下。

聚焦層析激發(fā)極化法，存在以下問題:①需要開發(fā)一種電極支撐體系，可以快速的安裝供電電極與接收電極，且能夠自動適應掌子面大小需要研發(fā)一種新型智能電極，能夠實現(xiàn)供電電極與測量電極于一體，能夠實現(xiàn)供電電極與測量電極的自動切換，且能夠與巖石接觸良好，避免在工作面上打孔；③需要研發(fā)供電與測量的自動控制裝置，實現(xiàn)對電極的自動控制和切換，提高測量效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種集發(fā)射與接收于一體的智能電極，并能實現(xiàn)對智能電極自動化控制和切換，無須在工作面打孔，操作方面、自動化程度高的聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:—種地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，包括智能電極、屏蔽電極、電極自動控制裝置。智能電極固定在工作面上，屏蔽電極布置在工作面的周圍發(fā)射屏蔽電流，在電極自動控制裝置的控制下，控制智能電極的發(fā)射或接收功能切換，并控制智能電極按照用戶定義的指令實現(xiàn)電極序列的自動切換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化的自動化發(fā)射與接收功能。所述電極自動控制裝置包括解碼器、智能電極切換電路、智能電極開關電路、屏蔽電極開關電路組成，解碼器連接智能電極切換電路與智能電極開關電路，同時解碼器連接屏蔽電極開關電路，在用戶指令的控制下，控制智能電極切換電路實現(xiàn)智能電極的發(fā)射/接收功能轉換，控制智能電極開關電路實現(xiàn)智能電極序列的跑極，控制屏蔽電極開關電路實現(xiàn)屏蔽電極的導通，實現(xiàn)屏蔽電極的供電電極數(shù)目的自動控制與智能電極發(fā)射/接收的智能轉換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化法的自動化探測。所述智能電極包括電極外殼、銅電極、銅電極導向架、硫酸銅電解液、圓形磁鐵、磁場線圈和不極化電極接觸塊，銅電極的一端穿過電極外殼下端的不極化電極接觸塊，銅電極的另一端連接圓形磁鐵，圓形磁鐵的上部為磁場線圈，通過控制磁場線圈電流的方向，磁場線圈產(chǎn)生與圓形磁鐵極性相同或相反的磁場，實現(xiàn)銅電極的上下切換；當磁場線圈產(chǎn)生的磁性與圓形磁鐵相異時，圓形磁鐵拉動銅電極向磁場線圈移動，銅電極的另一端收縮到不極化電極接觸塊的內(nèi)部，不極化電極接觸塊與圍巖接觸，實現(xiàn)不極化電極接收功能；當磁場線圈產(chǎn)生的磁性與圓形磁鐵相同時，圓形磁鐵推動銅電極背離磁場線圈移動，銅電極的另一端伸出不極化電極接觸塊與圍巖接觸，實現(xiàn)供電電極供電功能。電極外殼采用高強PVC材料，為中空的圓柱狀，內(nèi)部充滿硫酸銅電解液，電極外殼的下端采用疏松多孔的陶瓷材料制作的不極化電極接觸塊，當不極化電極接觸塊與圍巖接觸時，可以實現(xiàn)不極化電極接收功能；不極化電極接觸塊中間有圓形孔并設有防漏圓管，且智能電極的上部設置有銅電極導向架，銅電極導向架為中間帶有圓孔的PVC板，既防止硫酸銅電解液污染智能電極上方電路，又可以對銅電極起到導向作用，保證銅電極可以自由移動，從而實現(xiàn)智能電極發(fā)射/接收功能的轉換。所述智能電極切換電路與智能電極的磁場線圈連接，包括繼電器開關和極性轉換電路，在解碼器控制下，控制電流方向的變化進而控制智能電極磁場線圈產(chǎn)生磁場的方向，推動智能電極的銅電極運動，實現(xiàn)智能電極發(fā)射/接收功能轉換。所述智能電極開關電路采用繼電器開關，在解碼器的控制下，實現(xiàn)智能電極與供電電極、接收電極的導通，可以智能的實現(xiàn)電極的導通，從而實現(xiàn)多個電極的自動跑極。所述屏蔽電極開關電路主要由繼電器電路組成，在解碼器的控制下，控制屏蔽電極是否與屏蔽電流導通，實現(xiàn)屏蔽電極電極數(shù)目的自動調(diào)整。所述屏蔽電極為自吸附屏蔽電極，自吸附屏蔽電極呈“品”字型，包括電極外殼、銅電極和吸附材料，銅電極底部尺寸大于頂部尺寸，底部設置有吸附材料，縮短了銅電極桿體的尺寸減輕自重，可以方面的將屏蔽電極固定到工作面上，同時可以有效的增大接觸面積，降低接地電阻，提高屏蔽電極的供電效果；吸附材料采用導電膠，既可以將屏蔽電極粘結到工作面上，又能夠較好的傳導電流，屏蔽電極外殼采用PVC套管，可以避免隧道等地下工程復雜環(huán)境的絕緣保護，同時屏蔽電極外殼設置有接線插槽，可以方便的連接供電電纜，提高了工作效率。所述地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置還包括電極導向軌，智能電極通過電極導向軌固定在工作面上，所述電極導向軌采用輕質高強的樹脂材料，包括導軌桿、調(diào)整閥、刻度盤與固定卡。導軌桿上設置電極安裝孔，每一個電極安裝孔上安裝一個電極，通過電極固定螺栓固定，可以快捷的固定智能電極；電極安裝孔的兩端各設置一個固定卡，通過彈簧卡槽安裝在導軌桿側面上，并可以通過按壓實現(xiàn)固定卡的開/合；導軌桿上還設有調(diào)整閥，調(diào)整閥上設置有若干個調(diào)整孔，固定卡卡在調(diào)整孔中實現(xiàn)導軌桿與調(diào)整閥的固定，可以通過按壓導軌桿上的固定卡，推動調(diào)整導軌桿穿入調(diào)整閥的長度，實現(xiàn)智能電極間距的任意調(diào)整，使得智能電極的安裝數(shù)目可以調(diào)整，可以適應不同類型的工作面大小，同時導軌上可以設置有刻度盤，可以讀出相鄰兩個智能電極的電極間距。本發(fā)明的工作原理為，通過電極導向軌將智能電極固定在工作面上，屏蔽電極布置在工作面的周圍發(fā)射屏蔽電流，在電極自動控制裝置的控制下，控制智能電極的發(fā)射或接收功能切換，并控制智能電極按照用戶定義的指令實現(xiàn)電極序列的自動切換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化的自動化發(fā)射與接收功能。本發(fā)明的有益效果是:1>本發(fā)明通過解碼器、多路繼電器開關實現(xiàn)了電極自動控制，實現(xiàn)了對智能電極發(fā)射或接收功能的自動轉換，并控制智能電極按照用戶定義的指令實現(xiàn)電極序列的自動切換，并能控制屏蔽電極的數(shù)目，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化的自動化發(fā)射與接收功能。2>本發(fā)明通過智能電極切換電路控制磁場線圈極性的變化，實現(xiàn)了發(fā)射電極與接收電極于一體，同一個電極既能作為供電電極又可以作為接收電極，同時設計了具有自吸附功能的屏蔽電極，極大的方便了測量操作，提高了工作效率。3>本發(fā)明通過導軌桿和調(diào)節(jié)閥組成了電極導向軌，通過電極導向軌實現(xiàn)了智能電極的安裝，實現(xiàn)電極間距的任意調(diào)整，使得智能電極的安裝數(shù)目可以調(diào)整，可以適應不同類型的工作面大小。


圖1是本發(fā)明的原理框圖。圖2是智能電極切換電路原理圖。圖3是智能電極開關電路原理圖。圖4是屏蔽電極開關電路原理圖。圖5是智能電極結構示意圖。圖6是智能電極剖面結構示意圖。圖7是自吸附屏蔽電極剖面圖。圖8是電極導向軌示意圖。其中，1、智能電極；2、自吸附屏蔽電極；3、電極控制解碼器；4、智能電極切換電路；5、智能電極開關電路；6、屏蔽電極開關電路；7、第一繼電器開關；8、極性轉換電路；9、供電電極A ;10、供電電極B ;11、接收電極M ;12、接收電極N ;13、第二繼電器開關；14、第三繼電器開關；15、第四繼電器開關；16、第五繼電器開關；17、第六繼電器開關；18、第一電極外殼；19、第一銅電極；20、銅電極導向架；21、硫酸銅電解液；22、圓形磁鐵；23、磁場線圈；24、不極化電極接觸塊；25、防漏圓管；26、第二電極外殼；27、第二銅電極；28、吸附材料；29、導軌桿；30、調(diào)整閥；31、刻度盤；32、固定卡；33、電極安裝孔；34、電極固定螺栓；35、調(diào)整孔。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。如圖1所示，一種地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，主要包括:智能電極1、自吸附屏蔽電極2、電極自動控制裝置、電極導向軌。智能電極I通過電極導向軌固定在工作面上，自吸附屏蔽電極2布置在工作面的周圍發(fā)射屏蔽電流，在電極自動控制裝置的控制下，控制智能電極I的發(fā)射或接收功能切換，并控制智能電極I按照用戶定義的指令實現(xiàn)電極序列的自動切換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化的自動化發(fā)射與接收功能。所述電極自動控制裝置包括電極控制解碼器3、智能電極切換電路4、智能電極開關電路5、屏蔽電極開關電路6組成，電極控制解碼器3連接智能電極切換電路4與智能電極開關電路5，同時電極控制解碼器3連接屏蔽電極開關電路6，在用戶指令的控制下，控制智能電極切換電路4實現(xiàn)智能電極I的發(fā)射/接收功能轉換，控制智能電極開關電路5實現(xiàn)智能電極I序列的跑極，控制屏蔽電極開關電路6實現(xiàn)自吸附屏蔽電極2的導通，實現(xiàn)自吸附屏蔽電極2的供電電極數(shù)目的自動控制與智能電極I發(fā)射/接收的智能轉換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化法的自動化探測。如圖2所示，所述智能電極切換電路4與智能電極I的磁場線圈23連接，由第一繼電器開關7、極性轉換電路8組成，在電極控制解碼器3控制下，控制電流方向的變化進而控制智能電極I的磁場線圈23產(chǎn)生磁場的方向，推動智能的電極銅電極運動,實現(xiàn)智能電極I發(fā)射/接收功能轉換。如圖3所示，所述智能電極開關電路5采用第二繼電器開關13、第三繼電器開關14、第四繼電器開關15、第五繼電器開關16，在電極控制解碼器3的控制下，實現(xiàn)智能電極I與供電電極A9、供電電極B10、接收電極Mil、接收電極N12導通，可以智能的實現(xiàn)電極的導通，從而實現(xiàn)η個電極的自動跑極。如圖4所示，所述屏蔽電極開關電路6主要由第六繼電器開關17組成，在電極控制解碼器3的控制下，控制m個屏蔽電極是否與屏蔽電流導通，實現(xiàn)自吸附屏蔽電極2電極數(shù)目的自動調(diào)整。如圖5所不,所述智能電極I由第一電極外殼18、第一銅電極19、銅電極導向架20、硫酸銅電解液21、圓形磁鐵22、磁場線圈23、不極化電極接觸塊24組成，第一銅電極19的一端穿過第一電極外殼18下端的不極化電極接觸塊24，第一銅電極19的另一端連接圓形磁鐵22,圓形磁鐵22的上部為磁場線圈23,通過磁場線圈23電流的方向，磁場線圈23產(chǎn)生與圓形磁鐵22極性相同或相反的磁場，實現(xiàn)第一銅電極19的上下切換；當磁場線圈23產(chǎn)生的磁性與圓形磁鐵22相異時，圓形磁鐵22拉動第一銅電極19向磁場線圈23移動,第一銅電極19的另一端收縮到不極化電極接觸塊24的內(nèi)部，不極化電極接觸塊24與圍巖接觸，實現(xiàn)不極化電極接收功能；當磁場線圈23產(chǎn)生的磁性與圓形磁鐵22相同時，圓形磁鐵22推動第一銅電極19背離磁場線圈23移動，第一銅電極19的另一端伸出不極化電極接觸塊24與圍巖接觸，實現(xiàn)供電電極供電功能。如圖6所示，第一電極外殼18采用高強PVC材料，為中空的圓柱狀，內(nèi)部充滿硫酸銅電解液21，第一電極外殼18的下端采用疏松多孔的陶瓷材料制作的不極化電極接觸塊24，當不極化電極接觸塊24與圍巖接觸時，可以實現(xiàn)不極化電極接收功能；不極化電極接觸塊24中間有圓形孔并設有防漏圓管25，且智能電極I的上部設置有銅電極導向架20，銅電極導向架20為中間帶有圓孔的PVC板，既防止硫酸銅電解液21污染智能電極I上方電路，又可以對第一銅電極19起到導向作用，保證第一銅電極19可以自由移動，從而實現(xiàn)智能電極I發(fā)射/接收功能的轉換。如圖7所示，所述自吸附屏蔽電極2呈“品”字型，由第二電極外殼26、第二銅電極27、吸附材料28組成，第二銅電極27底部尺寸大于頂部尺寸，底部設置有吸附材料28，縮短了第二銅電極27桿體的尺寸減輕自重，可以方面的將自吸附屏蔽電極2固定到工作面上，同時可以有效的增大接觸面積，降低接地電阻，提高自吸附屏蔽電極2的供電效果；吸附材料28采用導電膠，既可以將自吸附屏蔽電極2粘結到工作面上，又能夠較好的傳導電流，自吸附屏蔽電極2外殼采用PVC套管，可以避免隧道等地下工程復雜環(huán)境的絕緣保護，同時自吸附屏蔽電極2外殼設置有接線插槽，可以方便的連接供電電纜，提高了工作效率。如圖8所示，所述電極導向軌采用輕質高強的樹脂材料，由導軌桿29、調(diào)整閥30、刻度盤31與固定卡32組成。導軌桿29橫截面為長方形，導軌桿29中部設置電極安裝孔33，每一個電極安裝孔33上安裝一個電極，通過電極固定螺栓34固定，可以快捷的固定智能電極I ;電極安裝孔33的兩端各設置一個楔形固定卡32,通過彈簧卡槽安裝在導軌桿29側面上，并可以通過按壓實現(xiàn)固定卡32的開/合；導軌桿29上還設有調(diào)整閥30，調(diào)整閥30上設置有9個調(diào)整孔35，固定卡32卡在調(diào)整孔35中實現(xiàn)導軌桿29與調(diào)整閥30的固定，可以通過按壓導軌桿29上的固定卡32，推動調(diào)整導軌桿29穿入調(diào)整閥30的長度，實現(xiàn)電極間距的任意調(diào)整，使得智能電極I的安裝數(shù)目可以調(diào)整，可以適應不同類型的工作面大小，同時導軌上設置有刻度盤31，可以讀出相鄰電極的電極間距。上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權利要求
1.一種地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，包括智能電極、屏蔽電極、電極自動控制裝置；智能電極固定在工作面上，屏蔽電極布置在工作面的周圍發(fā)射屏蔽電流，在電極自動控制裝置的控制下，控制智能電極的發(fā)射或接收功能切換，并控制智能電極按照用戶定義的指令實現(xiàn)電極序列的自動切換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化的自動化發(fā)射與接收功能； 所述電極自動控制裝置包括解碼器、智能電極切換電路、智能電極開關電路、屏蔽電極開關電路組成，解碼器連接智能電極切換電路與智能電極開關電路，同時解碼器連接屏蔽電極開關電路，在用戶指令的控制下，控制智能電極切換電路實現(xiàn)智能電極的發(fā)射/接收功能轉換，控制智能電極開關電路實現(xiàn)智能電極序列的跑極，控制屏蔽電極開關電路實現(xiàn)屏蔽電極的導通，實現(xiàn)屏蔽電極的供電電極數(shù)目的自動控制與智能電極發(fā)射/接收的智能轉換，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化法的自動化探測。
2.如權利要求1所述的地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，所述智能電極包括電極外殼、銅電極、銅電極導向架、硫酸銅電解液、圓形磁鐵、磁場線圈和不極化電極接觸塊，銅電極的一端穿過電極外殼下端的不極化電極接觸塊，銅電極的另一端連接圓形磁鐵，圓形磁鐵的上部為磁場線圈，通過磁場線圈電流的方向，磁場線圈產(chǎn)生與圓形磁鐵極性相同或相反的磁場，實現(xiàn)銅電極的上下切換；當磁場線圈產(chǎn)生的磁性與圓形磁鐵相異時，圓形磁鐵拉動銅電極向磁場線圈移動，銅電極的另一端收縮到不極化電極接觸塊的內(nèi)部，不極化電極接觸塊與圍巖接觸，實現(xiàn)不極化電極接收功能；當磁場線圈產(chǎn)生的磁性與圓形磁鐵相同時，圓形磁鐵推動銅電極背離磁場線圈移動，銅電極的另一端伸出不極化電極接觸塊與圍巖接觸，實現(xiàn)供電電極供電功能； 電極外殼采用高強PVC材料，為中空的圓柱狀，內(nèi)部充滿硫酸銅電解液，電極外殼的下端采用疏松多孔的陶瓷材料制作的不極化電極接觸塊，當不極化電極接觸塊與圍巖接觸時，能夠實現(xiàn)不極化電極接收功能；不極化電極接觸塊中間有圓形孔并設有防漏圓管，且智能電極的上部設 置有銅電極導向架，銅電極導向架為中間帶有圓孔的PVC板，既防止硫酸銅電解液污染智能電極上方電路，又能夠對銅電極起到導向作用，保證銅電極能夠自由移動，從而實現(xiàn)智能電極發(fā)射/接收功能的轉換。
3.如權利要求2所述的地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，所述智能電極切換電路與智能電極的磁場線圈連接，包括繼電器開關和極性轉換電路，在解碼器控制下，控制電流方向的變化進而控制智能電極磁場線圈產(chǎn)生磁場的方向，推動智能電極的銅電極運動，實現(xiàn)智能電極發(fā)射/接收功能轉換。
4.如權利要求1所述的地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，所述智能電極開關電路采用繼電器開關，在解碼器的控制下，實現(xiàn)智能電極與供電電極、接收電極的導通。
5.如權利要求1所述的地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，所述屏蔽電極開關電路主要由繼電器電路組成，在解碼器的控制下，控制屏蔽電極是否與屏蔽電流導通。
6.如權利要求1所述的地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，所述屏蔽電極為自吸附屏蔽電極，自吸附屏蔽電極呈品字型，包括電極外殼、銅電極和吸附材料，銅電極底部尺寸大于頂部尺寸，底部設置有吸附材料。
7.如權利要求1所述的地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其特征是，所述地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置還包括電極導向軌，智能電極通過電極導向軌固定在工作面上，所述電極導向軌采用樹脂材料，包括導軌桿、調(diào)整閥、刻度盤與固定卡；導軌桿上設置電極安裝孔，電極安裝孔上安裝電極，通過電極固定螺栓固定；電極安裝孔的兩端各設置一個固定卡，通過彈簧卡槽安裝在導軌桿側面上；導軌桿上還設有調(diào)整閥，調(diào)整閥上設置有若干個調(diào)整孔，固定卡卡在調(diào)整孔中實現(xiàn)導軌桿與調(diào)整閥的固定 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地下工程聚焦層析激發(fā)極化法超前預報發(fā)射與測量裝置，其結構包括智能電極、屏蔽電極和電極自動控制裝置。電極自動控制裝置包括解碼器、智能電極切換電路、智能電極開關電路、屏蔽電極開關電路。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了對智能電極發(fā)射或接收功能的自動轉換，控制智能電極按照用戶定義的指令實現(xiàn)電極序列的自動切換，并能控制屏蔽電極的數(shù)目，從而實現(xiàn)聚焦層析激發(fā)極化的自動化程度高的發(fā)射與接收功能。
文檔編號G01V3/02GK103105627SQ20131001330
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權日2013年1月15日
發(fā)明者聶利超, 劉斌, 李術才, 宋杰, 劉征宇, 林春金, 徐磊, 許新驥, 王傳武, 郝亭宇, 周浩, 牛健, 張孝健 申請人:山東大學