专利名称：隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道施工过程中随钻定向激发极化探测预报装置与方法，具体地说是一种涉及在隧道施工过程中，在工作面钻杆向前钻进的同时，在不影响钻进的条件下，采用定向激发极化探测系统，对隧道施工时工作面前方的含水情况作出实时探测和预报的装置与方法。
背景技术：
突水突泥灾害是隧道施工中面临的主要挑战和难题，往往造成严重的经济损失和生产安全问题。在隧道施工期间，提前探明施工工作面前方的含水情况对于避免突水突泥灾害具有重要作用。超前水平钻探是目前常用的一种超前探水方法，通过在隧道工作面上布置1-3个钻孔，进行超前钻探，对隧道工作面前方的含水情况进行探测。超前水平钻探是一种直接探水方法，如果钻孔能够直接揭露含水地质构造，则可准确的探明含水情况；但是如果选取的钻孔位置不在含水地质构造的赋存区域，则无法揭露含水地质构造，遗漏突水突泥灾害源，造成误报。因此，钻孔探测范围较�。瞿芏宰昕卓拙赌诤迩榭鲎鞒鎏讲椋嬖凇耙豢字钡奈侍�。为了探测钻孔周围岩土体内的含水情况，提闻钻探的探测范围，在地面钻探中人们主要采用孔中地球物理探测方法，如孔中地震波法、孔中地质雷达法、孔中电阻率法等，取得了较好的效果，为解决隧道工作面超前钻探的问题提供了借鉴。但是，隧道工作面超前钻探探水存在着一些较为特殊的问题，使得地面钻探的辅助地球物理探测方法无法直接应用到隧道中。申请号201210182857. O的专利提出的一种超前探水预报装置由于探测深度低、受金属质钻杆的干扰和影响比较严重，在实际应用中未得到广泛推广。针对上述问题，本发明提出了一种隧道施工定向激发极化实时超前探水装置与方法。对于本发明而言，隧道中的特殊难题具体如下(I)隧道施工工期一般比较紧迫，预留给钻探和孔中地球物理探测时间非常有限，需要提出一种随钻的实时探测装置与方法；(2)钻头和钻杆均是高强钢材制作，对激发极化探测干扰非常大，在钻头和钻杆上无法直接安装激发极化探测系统，需要设计发明专用的随钻测量装置；(3)在单个钻孔中激发极化探测深度有限，需要提出一种提高探测深度的探测形式；(4) 一般地球物理探测的数据处理和解释的耗时较长，而超前钻探可实时给出探测结果，为了与超前钻探同步，需要提出一种实时数据处理与解释方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置与方法，该装置与方法可对隧道工作面前方含水体情况作出实时连续预报。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。一种隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，包括钻头、高强绝缘随钻套筒和定向激发极化探测系统，所述钻头通过连接轴承连接高强绝缘随钻套筒，在高强绝缘随钻套筒外周布设定向激发极化探测系统，实现超前钻探与激发极化探测的同步实时进行，采集的数据通过快速解译方法，以视电阻率和视极化率为参数，对隧道工作面前方含水情况作出实时连续预报。所述定向激发极化探测系统包括定向供电电极系和观测电极系，定向供电电极系包括供电电极、两个辅助供电电极和普通金属电极，观测电极系包括两个不极化的观测电极；所述两个辅助供电电极分别固定在供电电极两侧，普通金属电极位于隧道内；所述观测电极系位于供电电极和一个辅助供电电极之间，定向激发极化探测系统的所有电极都通过电缆与现场主机相连。所述两个辅助供电电极与供电电极的距离相等。所述观测电极在供电电极和一个辅助供电电极之间等间距布设。在进行工作时，对辅助供电电极供入与供电电极同等大小的同性电流，在观测电极系处进行数据采集。一般状态下供电电极发射电流会向平行钻探和垂直钻探方向发散，导致激发极化所需探测方向即垂直钻探方向上的电流线密度不大，探测深度受到限制。本发明中辅助供电电极平行于钻探方向供电，可定向压迫供电电极发射电流向垂直钻探方向定向集中，实现电流定向化，增大激发极化所需探测方向上的电流强度，增大探测深度。所述连接轴承后端以卡槽的形式连接高强绝缘随钻套筒。所述高强绝缘随钻套筒，通体采用高强PVC绝缘材料，直径小于钻孔直径，通过连接轴承与钻头连接。连接轴承固定在钻头上，后端以卡槽形式与高强绝缘随钻套筒连接。定向激发极化探测系统布设在高强绝缘随钻套筒上，在钻进过程中，高强绝缘随钻套筒只随钻杆前进，但不随钻杆转动，可保证定向激发极化探测系统安全稳定运行。高强绝缘随钻套筒将金属钻杆与定向激发极化电极隔离开，使得激发极化探测不受金属质钻杆的干扰和影响，同时实现了超前钻探和定向激发极化探测的同步实时进行。定向激发极化探测系统中，除普通金属电极外，其余所有电极都为布设在高强绝缘随钻套筒上的弹性环状滚动电极。所述弹性环状滚动电极，包括弹性薄片与滚珠，弹性环状滚动电极最外周直径略大于钻孔直径。弹性薄片上设置凹槽，安放滚珠，可以降低激发极化探测系统前进时的摩擦阻力，对探测电极起保护作用。在弹性薄片未压缩状态下，弹性环状滚动电极最外周直径略大于钻孔直径，电极进入钻孔后，弹性薄片立即发挥弹性作用，保证电极与岩土体实现较好的耦合接触。所设弹性环状滚动电极通过电缆实现与现场主机的通信。在观测电极中，弹性薄片外表面、凹槽及滚珠表面都涂有固体电解质，电缆引线设在固体电解质中。定向供电电极系则不需涂抹固体电解质，电缆引线直接引自弹性薄片。本发明还提供了一种隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水方法，包括如下步骤(I)在进行超前水平钻探的钻头上，安装连接轴承，连接轴承后端连接高强绝缘随钻套筒。(2)在高强绝缘随钻套筒外周布设定向供电电极系和观测电极系，所述定向供电电极系中两个辅助供电电极分别固定在供电电极两侧，普通金属电极位于隧道内；所述观测电极系位于供电电极和一个辅助供电电极之间，定向激发极化探测系统的所有电极都通过电缆与现场主机相连。(3)进行超前水平钻探，钻探每前进一定深度，即实施定向激发极化超前探测。在不停止钻进的情况下，向供电电极、辅助供电电极供入同等大小的同性电流，与普通金属电极形成回路，同时在观测电极处采集信号。(4)现场主机对观测电极采集信号进行实时探测解译，得到可视化的视电阻率和视极化率探测结果。结合钻探结果，对隧道工作面前方含水体情况作出预报。所述随钻实时探测解译方法是将现场所采集信号进行快速实时解译，得到探测范围可视化的视电阻率和视极化率视电阻率低，视极化率高时，探测的岩土体含水性强；视电阻率高，视极化率低，探测的岩土体含水性弱。结合超前钻探结果，对隧道工作面前方含水体情况作出预报。本发明的有益效果1.本发明将超前钻探与定向激发极化超前探测结合起来，定向激发极化探测在钻孔内进行，避开了施工环境的干扰，探测效果更好，提高了超前钻孔的利用效率。定向超前激发极化超前探测可以随钻进过程实时进行，探测过程中不需要抽出钻杆，甚至不需要停止钻进，提高了对隧道工作面前方含水体进行超前预报的工作效率。2.本发明使用高强绝缘随钻套筒，使随钻进过程的定向激发极化超前探测与超前钻探分离，高强绝缘随钻套筒以连接轴承与钻头连接，在钻进过程中，高强绝缘随钻套筒只向前移动而不发生转动，两种方法同时进行，但具体操作实施完全分离，真正实现随钻定向激发极化实时超前探水。3.本发明采用定向激发极化超前探测，设置了平行于钻进方向的定向供电电极系，供电电极与辅助供电电极同时供入同等大小的同性电流，使电流集中于垂直钻进方向，实现电流定向化，突破孔壁处低阻，扩大了探测范围，有效的解决了超前钻探“一孔之见”的问题。定向激发极化探测系统使用弹性环状滚动电极，滚珠可以降低电极前进过程中的摩擦力，起到保护电极的作用，弹性薄片可保证电极与岩土体实现较好的耦合接触。4.本发明对定向激发极化超前探测所采集信号进行快速实时解译，根据视极化率和视电阻率等参数，结合超前钻探结果，对隧道工作面前方含水体作出实时连续的超前预报。
图1是本发明的安装结构示意图。图2是本发明的结构示意图。图3是本发明钻头和高强绝缘随钻套筒的结构示意图。图4是本发明弹性环状滚动电极立体结构图。图5是本发明极化的弹性环状滚动电极截面图。图6是本发明不极化的弹性环状滚动电极截面图。图7是本发明探测方法流程图。图8是本发明实施例中某隧道的视电阻率与视极化率数据图。图中1.钻头，2.连接轴承，3.高强绝缘随钻套筒，4.弹性环状滚动电极，5.弹性薄片，6.滚珠，7.固体电解质，8.电缆。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。以某隧道为例，隧道断面为拱形，跨度12m高10m，隧道施工进行到里程YK15+533附近，前方可能存在含水体。为了探明前方地质情况，为施工提供依据和指导，采用随钻定向实时超前探水预报方法进行探测，方法流程图如图7所示。(I)在进行超前水平钻探的钻头I上，安装连接轴承2，连接轴承2后端以卡槽的形式连接高强绝缘随钻套筒3，如图3所示。(2)在高强绝缘随钻套筒3外周布设弹性环状滚动电极4，其中有供电电极A，位于高强绝缘随钻套筒3的中间位置，辅助供电电极A1、辅助供电电极A2，分别设在高强绝缘随钻套筒3的两端处，且与供电电极A距离相等，不极化的观测电极M、不极化的观测电极N在供电电极A、辅助供电电极A1之间等间距布设。普通金属电极B布设于隧道内无穷远处。所有电极都通过电缆8与现场主机相连；如图1和图2所示。(3)进行超前水平钻探，钻探每前进一定深度，即实施定向激发极化超前探测。在不停止钻进的情况下，向供电电极A、辅助供电电极A1、辅助供电电极A2供入同等大小的同性电流，与普通金属电极B形成回路，同时在观测电极M、观测电极N处采集信号。(4)现场主机对观测电极M、观测电极N采集信号进行实时探测解译，得到可视化的视电阻率和视极化率探测结果视电阻率低，视极化率高时，探测的岩土体含水性强；视电阻率高，视极化率低，探测的岩土体含水性弱。结合钻探结果，对隧道工作面前方含水体情况作出预报。图8是本实施例中某隧道的视电阻率与视极化率数据图，其中545m-548m处的含水性强。所述弹性环状滚动电极4，由弹性薄片5与滚珠6构成，弹性环状滚动电极4的直径大于钻孔直径，弹性薄片4上设置凹槽，安放滚珠6，如图4-图6所示。在观测电极M和观测电极N中，弹性薄片5外表面、凹槽及滚珠6表面都涂有固体电解质7，电缆引线设在固体电解质7中。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，包括钻头、高强绝缘随钻套筒和定向激发极化探测系统，所述钻头通过连接轴承连接高强绝缘随钻套筒，在高强绝缘随钻套筒外周布设定向激发极化探测系统；所述定向激发极化探测系统包括定向供电电极系和观测电极系，定向供电电极系包括供电电极、两个辅助供电电极和普通金属电极，观测电极系包括两个不极化的观测电极；所述两个辅助供电电极分别固定在供电电极两侧，普通金属电极位于隧道内；所述观测电极系位于供电电极和一个辅助供电电极之间，定向激发极化探测系统通过电缆与现场主机相连。
2.如权利要求1所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，所述两个辅助供电电极与供电电极的距离相等。
3.如权利要求1所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，所述观测电极在供电电极和一个辅助供电电极之间等间距布设。
4.如权利要求1所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，所述连接轴承后端以卡槽的形式连接高强绝缘随钻套筒。
5.如权利要求1所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，所述高强绝缘随钻套筒，采用高强PVC绝缘材料，直径小于钻孔直径。
6.如权利要求1所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，所述定向激发极化探测系统中，除普通金属电极外，均为布设在高强绝缘套筒上的弹性环状滚动电极；所述弹性环状滚动电极，包括弹性薄片与滚珠，弹性环状滚动电极的直径大于钻孔直径；弹性薄片上设置凹槽，安放滚珠。
7.如权利要求6所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，其特征是，所述观测电极，弹性薄片外表 面、凹槽及滚珠表面都涂有固体电解质，固体电解质中设有电缆引线。
8.—种隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水方法，其特征是，包括如下步骤: (1)在进行超前水平钻探的钻头上，安装连接轴承，连接轴承后端连接高强绝缘随钻套筒； (2)在高强绝缘随钻套筒外周布设定向供电电极系和观测电极系，所述定向供电电极系中两个辅助供电电极分别固定在供电电极两侧，普通金属电极位于隧道内；所述观测电极系位于供电电极和一个辅助供电电极之间，定向激发极化探测系统的所有电极都通过电缆与现场主机相连； (3)进行超前水平钻探，钻探每前进一定深度，即实施定向激发极化超前探测。在不停止钻进的情况下，向供电电极、辅助供电电极供入同等大小的同性电流，与普通金属电极形成回路，同时在观测电极处采集信号； (4)现场主机对观测电极采集信号进行实时探测解译，得到可视化的视电阻率和视极化率探测结果；结合钻探结果，对隧道工作面前方含水体情况作出预报。
9.如权利要求8所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水方法，其特征是，所述两个辅助供电电极与供电电极的距离相等。
10.如权利要求8所述的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水方法，其特征是，所述观测电极在供电电极和一个辅助供电电极之间等间距布设。
全文摘要
本发明公开了一种隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水装置，包括钻头、高强绝缘随钻套筒和定向激发极化探测系统，所述钻头通过连接轴承连接高强绝缘随钻套筒，在高强绝缘随钻套筒外周布设定向激发极化探测系统。本发明还提供了一种相应的隧道施工随钻定向激发极化实时超前探水方法。本发明避开了施工环境的干扰，探测效果更好，提高了超前钻孔的利用效率。本发明实现电流定向化，突破孔壁处低阻，扩大了探测范围。本发明还保护了电极，保证电极与岩土体较好的耦合接触。
文档编号G01V3/02GK103076636SQ201210583138
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者李术才, 刘斌, 王传武, 聂利超, 宋杰, 刘征宇, 孙怀凤, 许新骥, 徐磊, 郝亭宇, 周浩 申请人:山东大学
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