[发明专利]狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法

说明书

本发明涉及核磁共振探水领域，尤其是一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈及探测方法，包括：上位机、主控单元、磁共振发射机、磁共振接收机、多个线圈以及多个程控开关；所述上位机经主控单元与磁共振发射机连接，通过所述主控单元向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令；所述主控单元根据上位机的指令向磁共振发射机以及磁共振接收机发送指令，以及用于控制多个程控开关；所述多个线圈之间通过两个程控开关两两相连，通过控制程控开关的开合使得线圈形成串联或并联结构；本发明与原本的单个多匝发射/接收线圈相比，增大发射/接收线圈等效面积，且同样的发射功率下，发射电流相应地可提高倍，激发更远距离的氢质子。

技术领域

本发明涉及核磁共振探水领域，尤其是一种狭小空间远距离超前探测的磁共振线圈及探测方法。

背景技术

在地下工程中，尤其是矿井、隧道等大型地下挖掘工程中，由于地质条件的复杂性与未知性，由地下水引起的突水、空水、涌水等灾害常有发生，给施工安全带来了巨大的灾难以及难以估计的损失。因而在地下工程中，提前对施工前方水体进行准确、快速、有效的探测，具有重要意义。磁共振方法已被证明可以有效应用于狭小空间，包括矿井及隧道，对前方水体进行超前探测，通常使用的线圈系统为一组发射线圈，一组接收线圈，接收线圈位于发射线圈之内。然而，处于地下施工环境内，为了安全作业，以防发生打火、爆炸，应用磁共振方法时需控制发射电流，发射电流有限导致探测范围小，磁共振信号往往为nV级别，施工噪声过大会引起获取的磁共振信号信噪比极低。因此，为了增大探测范围、提高磁共振信号质量，在保证地下安全作业的前提下，本发明提出一种应用于狭小空间的远距离超前探测的磁共振线圈系统及探测方法。 CN102262247A公开了一种“隧道突水超前预测装置及预测方法”，涉及一种基于核磁共振地下水探测方法的隧道突水超前预测装置及预测方法。收发一体多匝矩形或方形线圈，平行于掌子面布设，计算机控制高压电源，主控芯片通过驱动电路驱动发射桥路，产生激发磁场。放大电路将核磁共振信号放大后送到采集电路，采集电路通过A/D转换器将放大器输出的模拟信号转换成数字信号后送至计算机，对数据进行显示和存储和滤波处理，通过软件进行水文地质解释，获取探测深度、水体含水率及潜在水体赋存状态。该发明中采用的是收发一体的多匝矩形或方形线圈，隧道中为了安全，往往会降低发射功率，而较低的发射功率限制了发射电流，因而无法实现对远距离的超前探测。

CN102062877A公开了一种“对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法”，涉及一种对前方水体超前探测的核磁共振探测装置及探测方法。由计算机通过串口总线与系统控制器、大功率电源、信号采集单元相连，系统控制器经桥路驱动器、大功率H型发射桥路和配谐电容与发射线圈连结构成。该发明可实现对前方是否存在含水体以及含水体的含水量大小等重要信息做出准确有效的检测。其采用垂直布设线圈模式，降低了线圈的占用面积。然而该发明采用发射/接收线圈为单个多匝、收发分离的发射/接收线圈，众所周知，探测深度与线圈截面积、匝数及发射电流呈正比关系。在矿井、隧道等施工现场中应用时，为了安全作业，防止发生爆炸，发射电流通常很小，经过一个多匝线圈的发射功率也被大大降低，从而无法激发远距离的氢质子而导致探测深度无法保障。

CN104656155A公开了一种“提高煤巷核磁共振仪勘探深度的超导装置及信号提取方法”，提出了一种在煤巷接收NMR信号的超导装置，由铌-钛或铌-锡合金导线绕成多匝空心螺线管线圈，直径3.5米，并将线圈置于低温的双层液氮杜瓦瓶中，使其成为超导体，其电阻率接近零，然后应用“最小二成小波变换”对具有干扰的实测信号进行5级分解，其中第4级分解中的相对较大的极大值为核磁共振信号。其发明内容涉及的是磁共振低温超导接收线圈，提高接收信号的信噪比，未涉及发射线圈，若发射线圈有效截面积及发射功率无法提高，远距离的氢质子无法被激发，无法产生磁共振响应，因而仅从接收线圈上改进并不能解决发射功率受限的问题。

上述发明的核磁共振探水装置针对特殊的需要和应用场合均具有较高的测量精度和良好的测量效果,但都存在一些问题，仅从接收角度考虑提高了矿井、隧道等狭小空间内磁共振超前探测的信噪比，而并未对磁共振发射部分进行改进，因而无法激发远距离的氢质子，无法达到远距离超前探测的需求。