[发明专利]一种矿井底板水源核磁共振探测装置及其工作方法

权利要求书

1.一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：包括主机、发射系统、接收系统、发射线圈和接收线圈，其中：

所述主机与发射系统连接，用于向发射系统发送发射指令，以控制所述发射系统向与其连接的发射线圈发射脉冲，驱动设置于矿井底板区域的发射线圈工作，以探测水源；

所述接收线圈布置于发射线圈的下方，用于接收回波信号，所述接收系统与接收线圈连接，用于对所述回波信号进行预处理；

所述主机与接收系统连接，用于对预处理后的回波信号进行信号处理，提取电阻率分布特征和核磁共振核函数三维分布特征，根据两种分布特征，采用迭代算法反演三维含水率分布，且在反演过程中引入全变分项以降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

2.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述发射系统包括控制器、脉冲信号波形发生器、脉冲输出驱动电路、脉冲关断和极性转换保护电路、发送电流检测组件和输出信号调整电路，所述控制器与主机连接，且和脉冲信号波形发生器连接，所述脉冲信号波形发生器与脉冲输出驱动电路连接，脉冲输出驱动电路的输出端设置有脉冲关断和极性转换保护电路，以形成驱动信号，所述发送电流检测组件用于检测该驱动信号，并反馈至输出信号调整电路和控制器，所述输出信号调整电路与所述脉冲输出驱动电路连接。

3.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述发射系统与电源连接。

4.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述接收系统，包括与接收线圈连接的隔离电路，与隔离电路连接的前置放大电路，与前置放大电路连接的滤波放大电路，以及与滤波放大电路、主机连接的采集电路。

5.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述发射线圈和接收线圈，均包括多匝长方形线圈，且长方形线圈的短边边长与矿井巷道宽度相匹配，长边边长按短边边长的1.5～3倍范围设置。

6.如权利要求1所述的一种矿井底板水源核磁共振探测装置，其特征是：所述主机、发射系统、接收系统、发射线圈、接收线圈和连接的电缆均经过防爆处理。

7.基于权利要求1-6中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

测量矿井巷道内地磁场值，作为静态磁场，根据静态磁场计算Larmor频率；

控制主机对发射系统发送信号，发射系统通过发射线圈开始发射脉冲，发射停止后接收系统采集信号，经过接收系统将接收线圈采集的回波信号进行预处理，得到核磁共振探测数据；

进行多次探测，并将获得的核磁共振探测数据取平均，探测结束后不发射信号，仅凭接收系统和接收线圈记录噪声数据，根据噪声数据特征对探测所得核磁共振响应数据进行去噪；

获取矿井底板下方电阻率分布特征，进行基于有限单元法的核磁共振正演，获得矿井底板下方的核磁共振核函数三维分布特征；

利用核磁共振核函数的分布特征和探测所得的核磁共振信号，进行矿井底板下方含水率三维分布反演，反演过程中，引入全变分项降低反演多解性，得到矿井底板水源的三维位置和形态特征。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：核磁共振核函数三维分布特征的计算过程包括：

其中ω₀为Larmor频率，M₀为单位体积内水的静磁化强度常数，I为激发电流强度，B_⊥为激发磁场在地下的三维分布，γ为水中氢质子的旋磁比，q为核磁共振激发脉冲距。

9.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：进行矿井底板下方含水率三维分布反演的具体过程包括：核磁共振响应信号和三维核函数分布与三维含水率分布的关系如下：

E₀(q)＝∫K·n dV

其中E₀为核磁共振响应信号，q为核磁共振激发脉冲距，K为三维核函数分布，n为三维含水率分布。

10.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：反演过程中，引入全变分项降低反演多解性的具体过程包括：将探测装置下方的一个三维区域设置为反演区域，用正方形规则网格对其进行剖分，计算每个网格对应的核函数数值，采用迭代方式求解含水率范围分布，目标函数为：

目标函数由两部分构成，前部分为核磁共振拟合项，K、n、E分别为三维核函数、三维含水率和核磁共振响应信号的矩阵形式，后部分为三维含水率的全变分，α为两部分强度的协调参数；

或，

含水率三维分布的计算过程通过LBFGS算法迭代求解三维。