一种电法勘探的多电极多个供电单元系统及其勘探方法

摘要

一种电法勘探的多电极多个供电单元系统及其勘探方法，其中系统中，供电电极A和供电电极B的数目均等于电流发送单元的个数；发射控制器包括相互之间连接的发射电流调制控制器和发射延时控制器；接收机与发射电流调制控制器之间连接，每个电流发送单元均与发射延时控制器之间连接；每个电流发送单元均与接收机之间通讯连接；接收机上设有分别用于连接测量电极M和测量电极N，并且用以测量测量电极M和测量电极N之间间的电位差的端子；每个电流发送单元上均分别连接供电电极A和对应的供电电极B。本发明电流发送单元的供电电流不超过1A，供电电压不超过200V，各发射单元功率小，易实现，在隧道中使用和安装在全金属的隧道全断面掘进机上安全。

说明书

技术领域

本发明涉及浅层地球物理勘查(工程地质勘查)技术领域，尤其是涉及一 种电法勘探的多电极多个供电单元系统及其勘探方法。

背景技术

视电阻率法和激发极化法均是通过A、B两个电极向大地供电，用M、N两个 电极接收因A、B供电产生的电场及地下不同电阻率介质对电场的影响而在MN电 极间形成电位差ΔU_MN，探查深度与AB间距离或A0间距离(0点为MN中点)有关， 同时也与通过AB向大地的供电强度有关，ΔU_MN与接收的仪器的灵敏度和精度也 有关。

为了增加探查深度，出现了“聚焦法”和“补偿法”，特别在隧道施工地质 预报时，为在掌子面上布置电极能最大限度避免隧道侧边的干扰，有些工作人 员更希望用聚集焦法。即想利用在供电电极A旁外侧另设一个A′电极，通以同 极性的电流，在供电电极B夕侧设B′电极，亦通以同极性的电流，试图通过A′、 B′同性电流排斥A和供电电极B通向岩体的电流，将A、B的供电挤向深部，以这 种方法增加探查深度。但是对这些方法有争议，实践效果也不好。它的原理是 以电流线的吸收和排斥为基础的。而电流线与磁力线不同，并不是个物理的现 象。电流线实际上是数学的概念，它是电流密度的虚拟的连线。而按电场的理 论，电场强度是电场电位的负梯度，即其中U是介质中某一点的电 位。而电流密度其中ρ为介质电阻率。实际上电场的理论都是基于介质 中一点A的电荷在一点M处的电位。若介质中有多个电荷存在，每个电荷都会 产生电场，介质中一点M的电位是诸电荷产生电位之和。电场中的电位是物理 概念，是实际存在的。而则是数学概念，是虚拟的物理量。 因此，如果以一台发送机供电，而且供电电流总和相同，则以一个电极A供电还 是以2个、3个电极AA′A″供电。M点的电位相差不大的，当然由于AM<A″M， 探查深度可以因极距大小而有差别。

从理论上可证明，无论用什么的电极布置的供电方法，其基础均为1个供电 电极A供电，1个电极M测量电位的2极法的测量结果的组合。同时，在制造仪器 时，由一个供电仪器分流出两个或三个同极性供电电极，若要加大供电电流， 特别是激发极化法需要供较大电流，并在供电时要保持一定时间的恒流，增加 了仪器设计、制造的困难。同时，当仪器装备在隧道中应用时，特别是仪器设 备载于隧道全断面掘进机(硬岩TBM或软岩盾构掘进机)这种全金属的大型机械 时采用超过2A的过大电流或超过200V的电压向电极供电。，将是大的安全隐患， 对工作人员是个直接的威胁。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的电法勘探的多电极多个供电单元系统， 解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电法勘探的多电极多个供电单元系统，包括接收机、发射控制器、测 量电极M、测量电极N、供电电极A、供电电极B和至少4个电流发送单元；所 述供电电极A和所述供电电极B的数目均等于所述电流发送单元的个数；

所述发射控制器包括相互之间连接的发射电流调制控制器和发射延时控制 器；所述接收机与所述发射电流调制控制器之间连接，每个所述电流发送单元 均与所述发射延时控制器之间连接；

每个所述电流发送单元均与所述接收机之间通讯连接；

所述接收机上设有分别用于连接所述测量电极M和所述测量电极N，并且用 以测量所述测量电极M和所述测量电极N之间间的电位差的端子；每个所述电 流发送单元上均分别连接所述供电电极A和对应的所述供电电极B。

每个所述电流发送单元由一个独立的电源供电。

采用二级装置时，所述测量电极M设置在隧道掌子面上，所述测量电极N 置于已开挖隧道远方，所述测量电极M与所述N电极之间的距离>100m；所述掌 子面上向远方边墙方向设置n个所述供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3；剩余的所 述供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3...距离所述掌子面由近及远布置在所述边墙上；所述 供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应的所述供电 电极B之间的距离>400m。

采用三极装置时，所述测量电极M与所述测量电极N均设置在掌子面上， 所述掌子面上向远方边墙方向设置n个所述供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3；剩 余的所述供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3...距离所述掌子面由近及远布置在所述边墙上； 所述供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应的所述 供电电极B之间的距离>200m。

一种根据权利要求1-4任意之一所述的电法勘探的多电极多个供电单元系 统的勘探方法，包括步骤如下：

第一步，将所述测量电极M、所述测量电极N、所述供电电极A和所述供电 电极B布置在隧道的掌子面和边墙上；

第二步，将所述测量电极M和所述测量电极N连接到所述接收机上，用以 测量△U_MN；将每个所述电极A和与其对应的所述供电电极B连接到一个所述电 流发送单元上；

第三步，开始勘测：所述发射控制器控制所述电流发送单元电源供电电流 大小及波形，并且分别检测各所述电流发送单元的发送电流的供电时间和断电 时间，然后调整各所述电流发送单元的供电开始时间之间一致性，并且调整各 所述电流发送单元的供电和断电关断时间之间的一致性；

所述电流发送单元将其供电电流和供电电压的数值传输到所述接收机上， 并将供电的起始时间、断电的关断时间通过输送到所述发射控制器上，并接收 所述发射控制器的供电开始时间指令和断电关断时间指令；

各所述电流发送单元将供电电流和供电电压的数值输入所述接收机，并在 所述接收机上显示。

所述发射电流调制控制器调节所述电流发送单元电源的供电电流的直流或 交流及供电电流大小，并在交流供电时调节波形。

所述第一步中，

采用二极装置时，所述测量电极M设置在隧道掌子面上，所述测量电极N 置于已开挖隧道远方，所述测量电极M与所述测量电极N之间的距离>100m；所 述掌子面上向远方边墙方向设置n个所述A供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3；剩 余的所述A供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3......距离所述掌子面由近及远布置在所述边 墙上；所述供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应 的所述供电电极B之间的距离>400m。

所述第一步中，

采用三极装置时，所述测量电极M与所述测量电极N均设置在掌子面上， 所述掌子面上向远方边墙方向设置n个所述供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，，n≥3； 剩余的所述供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3，...距离所述掌子面由近及远布置在所述边 墙上；所述供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应 的所述供电电极B之间的距离>200m。

控制从各所述电流发送单元通向各电极的供电电线长度和电线阻抗尽量一 致，避免各电极供电时间出现大的不一致。

本发明涉及视电阻率法和激发极化法向大地的供电方式和测量形式，应用 于隧道施工地质预报中，属浅层地球物理勘查(工程地质勘查)领域。

本发明的目的是针对前述的“聚焦法”和“补偿法”的缺点，提出一种新 的思路和办法。

本发明的方案是：实际工作中所测得的基本参数，对电阻率法，视电阻率， 对激发极化法为极化电位ΔU。

其中ρs为视电阻率，单位为欧姆·米；

K为装置系数，是由各电极之间几何关系计算的已知系数；

I为通过供电电极向大地的供电电流，单位为安培；

△U_MN为A、B供电电极供电时，通过M、N电极测量的电位差；

△U为A、B供电电极供电后，使含水体产生极化电位、停止供电后通 过M、N电极测得的电位差，单位为毫伏。

实际上，当供电电流I大时，按公式可知，所测得△U_MN也大； 对激发极化法，激发电流加大，极化电流△U也加大。同一台供电主机，增多供 电电极等于加大了主机的功率，若采用4对、5对电极向大地供电，供电主机则 不堪负担。同时供电电流和电压过大，在隧道中工作不安全。

本发明为克服这些不足提出：

(1)采用多台独立的电流发送单元分别向不同的电极同时供电，用一台接 收仪器接收。这样增加了供电电流，使得△U_MN和△U加大，在同等精度的测量主 机的情况下，△U_MN、△U越大，测量的信嗓比越高，对深一些的探查对象反映明 显，测量的深度也越大，这就加大了探查深度。

(2)目前，一些电阻率法仪器采用低频交流供电，时间域激发极化法也多 用方波连续供以激发电流，因此多台仪器供电和断电必须同步。各台仪器间要 设一个同步信号电路。

本发明中向供电电极A、供电电极B供电的是多组电流发送单元分别向多个 供电电极A、供电电极B同时供电，通过一台接收机测量M、N电极间电位差△U_MN， 接收机通过连接线与发射控制器连接，发射控制器由电流调制器和与之连接的 延时控制器组成，通过延时控制器与3～6组电流发送单元连接，电流发送单元 分别连接电流发送单元电源，并分别连接各对供电电极A、供电电极B向介质供 电，每台电流发送单元通过接线连接接收机输出数据；

接收机通过发射控制器控制多个电流发送单元，各电流发送单元分别连接 电流发送单元电源，并分别通过A、B两个接线柱连接一对A、供电电极B供电， 并将各自向介质供电的电流和电压数值输入接收机，将供电的起始时间和断电 时间输送到发射控制器上；

发射控制器中的发射电流调制控制器根据接收机的指令调节供电的波形及 供电电流大小，并通过延时控制器控制电流发送单元；

发射控制器中的延时控制器先测量各电流发送单元的通电和断电时间，然 后设定延时时间来控制各电流发送单元的供电和断电时间的一致性，减小各电 流发送单元的供电和断电时间的时间差；

在隧道中作掌子面前方探查时，可以用二极法和三极法。二极法的电极布 置是在掌子面上设测量电极M，测量电极N则置于已开挖隧道后远方，MN距离 >100m，在掌子面上向远方设供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3，供电电极A_n+1布置 在边墙上，更远方设A_n+2、A_n+3...供电电极，供电电极和分别供电的发送单元数 目随需要和可能而增加，即可设多个供电电极A，并用不同发送机向每个电极供 电；另一供电电极B则放于更远处，AB>5400m以上。三极法的电极布置是在隧道 掌子面上设M、N两个测量电极，在掌子面上向远方边墙方向设供电电极A₁、A₂、 A₃...A_n，n≥3，供电电极A_n+1电极布置在边墙上，更远方设A_n+2、A_n+3...供电电极， 供电电极和分别供电的发送单元数目随需要和可能而增加，即可设多个供电电 极A，并用不同发送机向每个电极供电；另一供电电极B则放于已开挖隧道远方， AB>200m。

本发明的有益效果可以总结如下：

1、本发明采用多台独立的电流发送单元分别向多组A、供电电极B供电； 各台电流发送单元的供电电流不超过1A，供电电压不超过200V，各 发射单元功率小，易实现，在隧道中使用和安装在全金属的隧道全断 面掘进机上安全。

2、各台供电仪器的供电起始时间和断电时间需要同步，并和测量仪器同 步；同步控制器是一个延时控制器，控制各台发送机仪器(电流发送 单元)在开机后到开始供电及各个方波的延时时间一致。

3、本发明结构简单，无复杂零件的加工，使用方便，制造成本低。

附图说明

图1为电极在隧道掌子面及边墙作前方地质预报时的电极布置形式之一；

图2为电极在隧道掌子面及边墙作前方地质预报时的电极布置形式之二；

图3为接收机和电流调制及延时控制器和发送单元示意图；

图4为接收机和电源发送单元和发射控制器之间连接关系的示意图；

其中：1-接收机；2-发射控制器；3-接收机与发射控制器的连接线；4-发 射电流调制控制器；5-发射延时控制器；6-电流发送单元；7-电流发送单元电 源；8-发射控制器与电流发射单元的连接线；9-电流发送单元向接收机发送数 据的连接线；10-掌子面；11-边墙；12-隧道开挖方向，其中箭头前方为未开挖， 箭头后方为开挖；13-测量电极M；14-测量电极N；15-供电电极A；16-供电电 极B。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示的一种电法勘探的多电极多个供电单元系统，包括接收 机、发射控制器、测量电极M、测量电极N、供电电极A、供电电极B和至少4 个电流发送单元；所述供电电极A和所述供电电极B的数目均等于所述电流发 送单元的个数；

所述发射控制器包括相互之间连接的发射电流调制控制器和发射延时控制 器；所述接收机与所述发射电流调制控制器之间连接，每个所述电流发送单元 均与所述发射延时控制器之间连接；

每个所述电流发送单元均与所述接收机之间通讯连接；

所述接收机上设有分别用于连接所述测量电极M和所述测量电极N，并且用 以测量所述测量电极M和所述测量电极N之间间的电位差的端子；每个所述电 流发送单元上均分别连接所述供电电极A和对应的所述供电电极B。

在更加优选的实施例中，每个所述电流发送单元由一个独立的电源供电。

在更加优选的实施例中，采用二极法，所述测量电极M设置在隧道掌子面 上，所述测量电极N置于已开挖隧道远方，所述测量电极M与所述N电极之间 的距离>100m；所述掌子面上向远方边墙方向设置n个所述供电电极A₁、A₂、A₃... A_n，n≥3；剩余的所述供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3...距离所述掌子面由近及远布置 在所述边墙上；所述供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A 与其对应的所述供电电极B之间的距离>400m。

或者：

采用三极法，所述测量电极M与所述测量电极N均设置在掌子面上，所述 掌子面上向远方边墙方向设置n个所述供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3；剩余的 所述供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3...距离所述掌子面由近及远布置在所述边墙上；所 述供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应的所述供 电电极B之间的距离>200m。

一种根据所述的电法勘探的多电极多个供电单元系统的勘探方法，包括步 骤如下：

第一步，将所述测量电极M、所述测量电极N、所述供电电极A和所述供电 电极B布置在隧道的掌子面和边墙上；

第二步，将所述测量电极M和所述测量电极N连接到所述接收机上，用以 测量△U_MN；将每个所述电极A和与其对应的所述供电电极B连接到一个所述电 流发送单元上；

第三步，开始勘测：所述发射控制器控制所述电流发送单元电源供电电流 大小及波形，并且分别检测各所述电流发送单元的发送电流的供电时间和断电 时间，然后调整各所述电流发送单元的供电开始时间之间一致性，并且调整各 所述电流发送单元的供电和断电关断时间之间的一致性；

所述电流发送单元将其供电电流和供电电压的数值传输到所述接收机上， 并将供电的起始时间、断电的关断时间通过输送到所述发射控制器上，并接收 所述发射控制器的供电开始时间指令和断电关断时间指令；

各所述电流发送单元将供电电流和供电电压的数值输入所述接收机，并在 所述接收机上显示。

在更加优选的实施例中，所述发射电流调制控制器调节所述电流发送单元 电源的供电电流的直流或交流及供电电流大小，并在交流供电时调节波形。

所述第一步中，

所述测量电极M设置在隧道掌子面上，所述测量电极N置于已开挖隧道远 方，所述测量电极M与所述测量电极N之间的距离>100m；所述掌子面上向远方 边墙方向设置n个所述A供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3；剩余的所述A供电电 极A_n+1、A_n+2、A_n+3......距离所述掌子面由近及远布置在所述边墙上；所述供电电 极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应的所述供电电极B 之间的距离>400m。

或者：

所述第一步中，

采用三极法时，所述测量电极M与所述测量电极N均设置在掌子面上，所 述掌子面上向远方边墙方向设置n个所述供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，，n≥3；剩 余的所述供电电极A_n+1、A_n+2、A_n+3，...距离所述掌子面由近及远布置在所述边墙 上；所述供电电极B设置在更远处的所述边墙上，所述供电电极A与其对应的 所述供电电极B之间的距离>200m。

在更加优选的实施例中，控制从各所述电流发送单元通向各电极的供电电 线长度和电线阻抗尽量一致，避免各电极供电时间出现大的不一致。

在某个具体的实施例中：

电极布置方式

例1，如图1所示，采用二极法，在隧道掌子面上设测量电极M，测量电极 N置于已开挖隧道远方，MN距离>100m，在掌子面上向后远方边墙方向设供电电 极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3，供电电极A_n+1布置在边墙上，更远方设A_n+2、A_n+3... 供电电极，供电电极和分别供电的发送单元数目随需要和可能而增加，即可设 多个供电电极A，并用不同发送机向每个电极供电；另一供电电极B则放于更远 处AB>400m。

例2，如图2所示，采用三极法，在隧道掌子面上设M、N两个测量电极， 在掌子面上向后远方边墙方向设供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，n≥3，供电电极A_n+1布置在边墙上，更远方设A_n+2、A_n+3...供电电极，供电电极和分别供电的发送单 元数目随需要和可能而增加，即可设多个供电电极A，并用不同发送机向每个电 极供电；；另一供电电极B则放于更远处AB>200m。

仪器设备设置方式

如图3和图4所示：

接收机1上的接线端连接M、N，用以测量△U_MN；

接收机1上的控制线3连接到发射控制器2上；发射控制器2由两部分组 成，一个部分为电流调制器4，和与4相连接的延时控制器5。发射电流调制控 制器4调节供电电流的直流或交流及供电电流大小，并在交流供电时调节波形； 发射控制器2通过连接线8连接3～6个电流发送单元6，4和5组成的发射控 制器2控制6，其一功能是控制供电电流大小及波形，其二功能是分别检测各电 流发送单元6的发送电流的供电和断电时间，然后调整延时到基本同一时间供 电和完全同一时间断电。

每一个电流发送单元6的构成：

每一电流发送单元6都单独连接电流发送单元电源7，并通过A、B两个接 线端与供电电极A、供电电极B连接，同时通过连接线9将供电电流和供电电压 的数值传输到接收机1上，并将供电的起始时间、断电的关断时间通过连接线8 输送到发射控制器2上，并接收发射控制器2的延时供电及关断指令，通过发 射控制器2调整各电流发送单元供电及断电关断时间的一致性。同时，各电流 发送单元6均通过连线9与接收机1连接将供电电流和供电电压的数值输入接 收机1，并在接收机1上显示。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员 应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。