申请/专利权人：中国矿业大学

申请日：2023-07-10

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN116859487B

主分类号：G01V11/00

分类号：G01V11/00;E21D9/10;E21D9/00;E21B7/04;E21B15/04;E21B15/00;E21B49/00;E21B44/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2023.10.27#实质审查的生效;2023.10.10#公开

摘要：本发明公开了一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置及超前探测方法，包括钻机、钻探物探一体化设备、多个检波器、主机和孔外电极；所述钻机能在TBM主梁的外圆周周向转动调节位置；所述钻探物探一体化设备包括随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置和随钻冲击震源装置，随钻电法电极装置用于随钻电法探测时采集数据，随钻瞬变电磁装置用于随钻瞬变电磁探测时采集数据，随钻冲击震源装置用于随钻地震探测时激发地震波；在钻进过程中可同时对掌子面前方的地质构造和含水体进行探测，且在钻进过程中从不同钻孔深度位置对异常体进行多点探测，通过三种不同的探测结果相互补充，且相互验证，可减少误报、漏报的可能性，提高探测准确率。

主权项：1.一种用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法，其特征在于，采用钻探物探一体化探测装置包括钻机、钻机周向移动滑轨、钻探物探一体化设备、多个检波器、主机和孔外电极；所述钻机周向移动滑轨固定在TBM主梁的外圆周；所述钻机包括钻机周向移动滑座、钻孔角度调节机构、钻机动力头进退滑轨和钻机动力头，钻机周向移动滑座装在钻机周向移动滑轨上，且能沿着该滑轨移动；钻孔角度调节机构固定在钻机周向移动滑座上部，钻机动力头进退滑轨装在钻孔角度调节机构上部，钻孔角度调节机构用于调节钻机动力头进退滑轨相对钻机周向移动滑座的角度；钻机动力头装在钻机动力头进退滑轨上，且能沿着该滑轨移动；所述钻探物探一体化设备包括通缆钻杆组、两个随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、随钻冲击震源装置和钻头，通缆钻杆组由多个通缆钻杆同轴连接组成，通缆钻杆组一端与钻机动力头连接、通缆钻杆组另一端与其中一个随钻电法电极装置一端同轴连接，该随钻电法电极装置另一端通过无磁通缆钻杆与随钻瞬变电磁装置一端同轴连接，随钻瞬变电磁装置另一端通过无磁通缆钻杆与另一个随钻电法电极装置一端同轴连接，另一个随钻电法电极装置另一端与随钻冲击震源装置一端同轴连接，随钻冲击震源装置另一端与钻头同轴连接；其中两个随钻电法电极装置用于随钻电法探测时采集数据，随钻瞬变电磁装置用于随钻瞬变电磁探测时采集数据，随钻冲击震源装置用于随钻地震探测时激发地震波；所述多个检波器分别布设在隧道两侧壁上，且每个侧壁上检波器呈一排布设，用于随钻地震探测时采集地震波数据；孔外电极布设在隧道底板或隧道侧壁的空隙中，用于随钻电法探测时提供基准数据；所述主机装在TBM控制室内，主机与检波器、孔外电极、随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、钻机和随钻冲击震源装置连接，用于控制随钻电法电极装置、随钻瞬变电磁装置、钻机和随钻冲击震源装置的工作状态，并获取随钻地震探测时的数据、随钻电法探测时的数据和随钻瞬变电磁探测时的数据进行综合分析后，确定TBM前方的地质情况，具体步骤为：A、预设钻杆通孔：针对实施隧道掘进作业的TBM，预先在TBM护盾壳体周边与钻机等高位置设置多个水平钻杆通孔，多个水平钻杆通孔呈环形分布，水平钻杆通孔的孔径尺寸大于钻头直径，确保钻探物探一体化设备能进行水平钻进作业；B、确定超前探测区段：结合前期勘查设计资料、地质编录以及TBM掘进所实际揭露的围岩状态对地质情况进行分析，确定可能出现的不良地质体及高风险区段；当TBM掘进至距该高风险区段20~40米时，停止掘进，准备实施超前探测；C、组装及布置钻探物探一体化设备：首先，根据异常体可能存在的方位选择一个步骤A中预设的水平钻杆通孔，并控制钻机在钻机周向移动滑轨上移动，使其钻机动力头与所选水平钻杆通孔处于同一轴线上，然后开始组装钻探物探一体化设备，完成后将钻探物探一体化设备一端与钻机动力头同轴连接、另一端的钻头伸入所选水平钻杆通孔内；D、实施超前探测：在钻设超前探测钻孔之前，预先在钻孔不同深度等距离设定多个随钻物探位置点，然后通过主机控制钻机启动，使其带动钻头沿钻机动力头进退滑轨向前方移动，进而使钻探物探一体化设备的钻头伸出TBM护盾壳体对前方岩体进行超前钻孔作业，在钻进过程中，当钻头到达第一个随钻物探位置点时停止钻进，并保持钻头与孔底岩石处于紧密接触状态，此时对该随钻物探位置点进行探测，具体过程为：①随钻地震探测：通过主机向随钻冲击震源装置发送探测指令，随钻冲击震源装置在钻孔内激发地震波，各个检波器将采集的地震数据反馈给主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成地震探测工作；②随钻瞬变电磁探测：通过主机向随钻瞬变电磁装置发送探测指令，随钻瞬变电磁装置获取周围地质的瞬变电磁信号反馈给主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成瞬变电磁探测工作；③随钻电法探测：通过主机向随钻电法电极装置发送探测指令，此时随钻电法电极装置与孔壁处于耦合接触状态，以保证电流能在随钻电法电极装置和孔壁之间双向传导，接着随钻电法电极装置将探测的电法数据反馈给主机，同时孔外电极将探测的基准数据反馈主机，主机分析后获取当前随钻物探位置点周围的地质情况，完成电法探测工作；④钻探情况记录：在钻机钻进过程中，通过钻机本身配置的传感器及自动记录仪，记录钻进过程中的转速、钻压、钻速、扭矩及振动数据并绘制相关曲线，同时记录钻机钻进过程中是否出现卡钻、跳钻以及钻孔回水量是否出现明显变化的情况，从而完成第一个随钻物探位置点的探测过程；E、持续进行各个位置点的探测：第一个随钻物探位置点探测完成后，开启钻机继续钻进，直到钻头到达第二个随钻物探位置点，此时停止钻进并重复步骤D中第一个随钻物探位置点的探测过程，完成第二个随钻物探位置点的探测；如此重复，直至完成所有随钻物探位置点探测；F、探测数据联合解释：将主机中记录的各个随钻物探位置点的随钻地震探测数据、随钻瞬变电磁探测数据以及随钻电法探测数据进行汇总，然后对三种随钻物探的汇总数据分别进行反演，具体为：首先对第一个随钻探测位置点的数据进行反演，然后取该反演结果的模型数据作为第二个随钻探测位置点的初始模型进行反演，再以该反演结果的模型数据作为第三个随钻探测位置点的初始模型进行反演，以此重复直至覆盖所有随钻物探位置点，最终得到三种随钻物探的反演结果，再结合步骤④钻进过程中记录的钻探情况数据进行联合解释，从而能精准判识地质构造的具体方位、含水体的水量和具体位置。

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百度查询： 中国矿业大学 用于TBM的钻探物探一体化探测装置的超前探测方法

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