一种用于注浆加固的电法勘探仪及其监测方法

1.本发明涉及地球物理勘探领域，具体是一种用于注浆加固的电法勘探仪及其监测方法。


背景技术：

2.在地下空间项目的施工过程中，注浆加固是支护的重要方式之一，注浆加固的效果不仅影响工程施工进度，也影响到施工人员的生命财产安全。在对地下空间进行注浆加固时，浆液扩散及加固是一个复杂的变化过程，伴随着浆液的运动与固结，浆液自身及其周围岩石的物理、电学性质也在发生相应的改变，通过与注浆之前的勘探数据进行对比，可以对注浆加固后的岩体进行动态监测。
3.现有的注浆加固监测方法，多是通过对注浆前后的电阻率变化对比，来分析注浆加固的效果，即在注浆之前先对待注浆区域的各个位置进行电阻率测定，然后进行注浆加固过程，完成注浆后，再对相同区域的各个位置进行电阻率测定，将其与注浆之前各个位置的电阻率进行比对，从而能确定本次注浆加固时浆液的扩散范围，但是这种方式，只能在每次注浆加固后才能进行测定，尚不能实现对注浆加固过程中浆液扩散位置的精准定位，如此就导致若本次注浆加固未达到所需的扩散范围，由于浆液已经凝固因此需要再设置钻孔并再次进行补充注浆，不仅麻烦而且会对最终的加固效果造成影响。另外现有采用的电法勘探仪中主机与勘探设备之间是以有线方式连接的，在布设多个勘探设备后会导致其与主机连接麻烦，线路过多的问题；因此如何提供一种新型设备及其监测方法，能在注浆加固的过程中对浆液的扩散范围进行精准定位，从而可根据浆液扩散范围对注浆参数进行实时调整，且采用的勘探设备与主机之间为无线数据传输，便于设备的布设，是本行业的研究方向之一。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于注浆加固的电法勘探仪及其监测方法，能在注浆加固的过程中对浆液的扩散范围进行精准定位，从而可根据浆液扩散范围对注浆参数进行实时调整，且采用的勘探设备与主机之间为无线数据传输，便于设备的布设。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于注浆加固的电法勘探仪，包括主机和多个电法勘探设备；
6.所述每个电法勘探设备均包括外壳、控制模块、无线数据传输模块、显示模块、第一供电模块、第二供电模块和电极棒；控制模块、无线数据传输模块、第一供电模块和第二供电模块均固定在外壳内部，显示模块固定在外壳表面，电极棒一端与外壳螺纹连接固定，且其与控制模块连接，用于根据控制模块指令作为供电电极放电或作为测量电极接收电流并反馈给控制模块；所述无线数据传输模块与控制模块连接，用于根据控制模块的传输指令将数据发送出去，同时能接收主机无线传输的数据，并反馈给控制模块；所述显示模块与
控制模块连接，用于根据控制模块指令将数据进行显示；所述第一供电模块为控制模块、无线数据传输模块和显示模块供电；第二供电模块为电极棒供电；
7.所述控制模块用于接收主机的控制指令，并对显示模块和电极棒进行控制，实现电法勘探设备进行放电工作或监测工作；
8.所述主机与各个电法勘探设备的无线数据传输模块无线连接，用于对各个电法勘探设备的工况进行控制，且能接收各个电法勘探设备反馈的监测数据并进行分析处理。
9.进一步，所述控制模块为单片机。采用单片机不仅其体积小巧，而且其工作稳定性较高。
10.进一步，所述无线数据传输模块为zigbee无线通讯器。采用这种无线通讯器，因其传输稳定性较好。
11.进一步，所述显示模块为led显示屏。采用led显示屏不仅能节约电能，而且具有较好的显示效果。
12.进一步，所述电极棒另一端为锥形，便于插入岩土体内部。
13.本发明的发明人研究发现：在注浆过程中，浆液扩撒的边缘区域围岩的地球物理性质会引起较大改变，地电场的响应特征也会发生较大改变，从而会引起横向与纵向上两个方向上四台电法勘探设备的所采集数据的巨大波动，接着将同一时间间隔内数据波动变化最大的四台电法勘探设备，联系其坐标值，以巷道分布的电法勘探设备与钻孔分布的电法勘探设备分别生成水平方向与垂直方向的两个垂直平面，通过两个垂直平面相交时所生成的重合线，即能确定当前时间间隔内浆液扩散的位置及深度。
14.上述用于注浆加固的电法勘探仪的监测方法，具体步骤为：
15.a、先确定待注浆区域，然后在待注浆区域上方的巷道，沿巷道走向相互平行布设两条测线，所述每条测线上均布设有多个电法勘探设备，各个电法勘探设备均通过电极棒固定在巷道底板；在巷道底板打设两个钻孔，两条测线一端分别延伸至对应的钻孔内，在每个钻孔内均布设多个电法勘探设备；将两条测线上各个电法勘探设备和两个钻孔内各个电法勘探设备均与主机无线连接，并分别进行编号，并以巷道走向为x轴、垂直巷道底板为y轴、垂直巷道侧壁为z轴建立坐标系，获取各个电法勘探设备在该坐标系内的坐标值；
16.b、完成步骤a的布设工作后，通过主机设置两条测线上各个电法勘探设备和两个钻孔内各个电法勘探设备的供电顺序、供电时间，采集时间、采集间隔的参数；并设定两种工作模式，其中一种是在其中一条测线上选择一个电法勘探设备放电形成点电源电场或者两条测线上均选择一个电法勘探设备放电形成偶极源电场，其余电法勘探设备作为测量电极监测地电场响应特征；另一种是在两条测线上均选择处于各自端部的电法勘探设备放电形成偶极源电场，其余电法勘探设备作为测量电极进行一次检测后，在两条测线上各自再选择一个电法勘探设备放电形成偶极源电场，其余电法勘探设备作为测量电极再进行一次监测，如此持续，每次检测后均更换电法勘探设备进行放电工作，直至各个电法勘探设备均完成放电工作后，完成监测地电场响应特征的过程；
17.c、在主机内设定预警阈值和采集时间段，其中将预警阈值传递给各个电法勘探设备的控制模块进行存储，然后开始对待注浆区域进行注浆，在注浆过程中，先从步骤b中确定的两种工作模式选择其中一种，然后主机通过zigbee无线通讯网络向各个电法勘探设备发送指令，其中所需放电的电法勘探设备接收信号后，由控制模块控制第二供电电池放电；
其余电法勘探设备接收到主机传来的采集指令后，通过控制模块控制电极棒的对勘探区域的电流、电压值进行采集，将采集到的数据通过zigbee无线网络传输给主机；各个电法勘探设备在数据采集的过程中，通过各自内置的控制模块对采集到的数据进行预处理对比，基于发明人的研究发现，若前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，电法勘探设备通过显示模块进行预警提示，并向主机发出预警信号，主机接收后能获取该电法勘探设备的编号及其采集的数据情况，并进行记录；在设定的一个采集时间段内若巷道内每条测线上和每个钻孔内均有一个电法勘探设备前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，此时主机根据这四个电法勘探设备的编号确定各自的坐标值；将这四个坐标值相互联系，以巷道分布的电法勘探设备与钻孔分布的电法勘探设备分别生成水平方向与垂直方向的两个垂直平面，通过两个垂直平面相交时所生成的重合线，确定当前时间段内浆液位置及深度，对浆液的扩散范围进行初步定位；
18.d、随着注浆过程的持续进行，在下一采集时间段内，若每条测线上和每个钻孔内均有多个电法勘探设备前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，选择每条测线上和每个钻孔内各自前后两次采集的数据变化幅度最大的电法勘探设备，并根据这四个电法勘探设备确定当前时间段内浆液位置及深度，对浆液的扩散范围进行再次定位；如此持续循环，在每个采集时间段内均重复步骤c，从而能获得每个采集时间段内浆液的扩散范围并对注浆参数进行调整，直至完成注浆过程；
19.e、注浆后继续监测多个采集时间段，并将每个采集时间段获得的浆液扩散范围进行对比分析，从而获得注浆全过程中浆液的扩散范围，以及注浆结束后浆液最终到达的具体位置及深度。
20.与现有技术相比，本发明采用无线电法勘探仪与发明人的研究发现相结合的方式，根据发明人的研究发现，在待注浆区域上方巷道、沿巷道走向相互平行布设两条测线，并在巷道底板打设两个钻孔，在各条测线和各个钻孔内均布设有多个电法勘探设备，形成孔-巷联合的布设方式，用于后续电场监测地电场响应特征；完成布设后，开始对待注浆区域进行注浆，在该过程中各个电法勘探设备对待注浆区域进行数据采集，并基于发明人的研究发现特点，从而能获得设定时间段内浆液的扩散范围，根据该范围能对注浆参数(包括注浆量、注浆角度、注浆压力等)进行实时调整，从而最终保证一次注浆即能使浆液扩散至整个待注浆区域，完成注浆待浆液凝固后，使注浆区域获得所需的加固效果。因此本发明能在注浆加固的过程中对浆液的扩散范围进行精准定位，从而可根据浆液扩散范围对注浆参数进行实时调整，仅需一次注浆即可达到所需加固效果，无需再次实施补充注浆，且采用的勘探设备与主机之间为无线数据传输，便于设备的布设。
附图说明
21.图1是本发明的整体布设示意图；
22.图2是本发明中电法勘探仪的整体结构示意图；
23.图3是图1中电法勘探设备的内部结构示意图；
24.图4是本发明中两个钻孔与巷道底板垂直布设的示意图；
25.图5是本发明中两个钻孔相互平行且与巷道底板不垂直布设的示意图；
26.图6是本发明中选出的四个电法勘探设备进行浆液扩散定位的示意图；
27.图7是本发明中根据选出的四个电法勘探设备对浆液扩散定位的效果示意图。
28.图中：1-电法勘探设备，2-主机，3-待注浆区域，4-外壳，4.1-控制模块，4.2-第一供电模块，4.3-第二供电模块，4.4-无线数据传输模块，5-显示模块，6-螺纹，7-电极棒。
具体实施方式
29.下面将对本发明作进一步说明。
30.如图1至3所示，一种用于注浆加固的电法勘探仪，包括主机2和多个电法勘探设备1；
31.所述每个电法勘探设备1均包括外壳4、控制模块4.1、无线数据传输模块4.4、显示模块5、第一供电模块4.2、第二供电模块4.3和电极棒7；控制模块4.1、无线数据传输模块4.4、第一供电模块4.2和第二供电模块4.3均固定在外壳4内部，显示模块5固定在外壳4表面，电极棒7一端与外壳螺纹6连接固定，且其与控制模块4.1连接，用于根据控制模块4.1指令作为供电电极放电或作为测量电极接收电流并反馈给控制模块4.1；所述无线数据传输模块4.4与控制模块4.1连接，用于根据控制模块4.1的传输指令将数据发送出去，同时能接收主机2无线传输的数据，并反馈给控制模块4.1；所述显示模块5与控制模块4.1连接，用于根据控制模块4.1指令将数据进行显示；所述第一供电模块4.2为控制模块4.1、无线数据传输模块4.4和显示模块5供电；第二供电模块4.3为电极棒7供电；所述控制模块4.1为单片机。采用单片机不仅其体积小巧，而且其工作稳定性较高。所述无线数据传输模块4.4为zigbee无线通讯器。采用这种无线通讯器，因其传输稳定性较好。所述显示模块5为led显示屏。采用led显示屏不仅能节约电能，而且具有较好的显示效果。
32.所述控制模块4.1用于接收主机2的控制指令，并对显示模块5和电极棒7进行控制，实现电法勘探设备1进行放电工作或监测工作；
33.所述主机2与各个电法勘探设备1的无线数据传输模块4.4无线连接，用于对各个电法勘探设备1的工况进行控制，且能接收各个电法勘探设备1反馈的监测数据并进行分析处理。
34.作为本发明的一种改进，所述电极棒7另一端为锥形，便于插入岩土体内部。
35.本发明的发明人研究发现：在注浆过程中，浆液扩撒的边缘区域围岩的地球物理性质会引起较大改变，地电场的响应特征也会发生较大改变，从而会引起横向与纵向上两个方向上四台电法勘探设备1的所采集数据的巨大波动，接着将同一时间间隔内数据波动变化最大的四台电法勘探设备1，联系其坐标值，以巷道分布的电法勘探设备1与钻孔分布的电法勘探设备1分别生成水平方向与垂直方向的两个垂直平面，通过两个垂直平面相交时所生成的重合线，即能确定当前时间间隔内浆液扩散的位置及深度。
36.上述用于注浆加固的电法勘探仪的监测方法，具体步骤为：
37.a、先确定待注浆区域3，然后在待注浆区域3上方的巷道，沿巷道走向相互平行布设两条测线，所述每条测线上均布设有多个电法勘探设备1，各个电法勘探设备1均通过电极棒7固定在巷道底板；在巷道底板打设两个钻孔，两条测线一端分别延伸至对应的钻孔内，在每个钻孔内均布设多个电法勘探设备1；如图4所示，两个钻孔可均与巷道底板垂直设置，或者如图5所示，两个钻孔相互平行且均与巷道底板不垂直设置，相邻两个电法勘探设备1的电极距根据实际探测范围及设备数量确定，将两条测线上各个电法勘探设备1和两个
钻孔内各个电法勘探设备1均与主机2无线连接，并分别进行编号，并以巷道走向为x轴、垂直巷道底板为y轴、垂直巷道侧壁为z轴建立坐标系，获取各个电法勘探设备1在该坐标系内的坐标值；
38.b、完成步骤a的布设工作后，通过主机2设置两条测线上各个电法勘探设备1和两个钻孔内各个电法勘探设备1的供电顺序、供电时间，采集时间、采集间隔的参数；并设定两种工作模式，其中一种是在其中一条测线上选择一个固定的电法勘探设备1放电形成点电源电场(如图4和5中采用
①
号或
②
号电法勘探设备进行放电)或者两条测线上均选择一个固定的电法勘探设备1放电形成偶极源电场(如图4和5中采用
①
号和
②
号电法勘探设备同时放电)，其余电法勘探设备1作为测量电极监测地电场响应特征；另一种是在两条测线上均选择处于各自端部的电法勘探设备1放电形成偶极源电场(如图4和5中采用
①
号和
②
号电法勘探设备同时放电)，其余电法勘探设备1作为测量电极进行一次检测后，在两条测线上各自再选择一个电法勘探设备1放电形成偶极源电场(如图4和5中采用
③
号和
④
号电法勘探设备同时放电)，其余电法勘探设备1作为测量电极再进行一次监测，如此持续，每次检测后均更换电法勘探设备1进行放电工作，直至各个电法勘探设备1均完成放电工作后，完成监测地电场响应特征的过程；
39.c、在主机内设定预警阈值和采集时间段，其中将预警阈值传递给各个电法勘探设备1的控制模块4.1进行存储，然后开始对待注浆区域3进行注浆，在注浆过程中，先从步骤b中确定的两种工作模式选择其中一种，然后主机通过zigbee无线通讯网络向各个电法勘探设备1发送指令，其中所需放电的电法勘探设备1接收信号后，由控制模块4.1控制第二供电电池4.3放电；其余电法勘探设备接收到主机2传来的采集指令后，通过控制模块4.1控制电极棒7的对勘探区域的电流、电压值进行采集，将采集到的数据通过zigbee无线网络传输给主机2；各个电法勘探设备1在数据采集的过程中，通过各自内置的控制模块4.1对采集到的数据进行预处理对比，基于发明人的研究发现，若前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，电法勘探设备1通过显示模块5进行预警提示，并向主机2发出预警信号，主机2接收后能获取该电法勘探设备1的编号及其采集的数据情况，并进行记录；在设定的一个采集时间段内若巷道内每条测线上和每个钻孔内均有一个电法勘探设备1前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，如图6所示，此时主机根据这四个电法勘探设备1的编号确定各自的坐标值；将这四个坐标值相互联系，以巷道分布的电法勘探设备与钻孔分布的电法勘探设备分别生成水平方向与垂直方向的两个垂直平面，如图7所示，通过两个垂直平面相交时所生成的重合线，确定当前时间段内浆液位置及深度，对浆液的扩散范围进行初步定位；
40.d、随着注浆过程的持续进行，在下一采集时间段内，若每条测线上和每个钻孔内均有多个电法勘探设备1前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，选择每条测线上和每个钻孔内各自前后两次采集的数据变化幅度最大的电法勘探设备1，并根据这四个电法勘探设备确定当前时间段内浆液位置及深度，对浆液的扩散范围进行再次定位；如此持续循环，在每个采集时间段内均重复步骤c，从而能获得每个采集时间段内浆液的扩散范围并对注浆参数进行调整，直至完成注浆过程；
41.e、注浆后继续监测多个采集时间段，并将每个采集时间段获得的浆液扩散范围进行对比分析，从而获得注浆全过程中浆液的扩散范围，以及注浆结束后浆液最终到达的具
体位置及深度。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于注浆加固的电法勘探仪，其特征在于，包括主机和多个电法勘探设备；所述每个电法勘探设备均包括外壳、控制模块、无线数据传输模块、显示模块、第一供电模块、第二供电模块和电极棒；控制模块、无线数据传输模块、第一供电模块和第二供电模块均固定在外壳内部，显示模块固定在外壳表面，电极棒一端与外壳螺纹连接固定，且其与控制模块连接，用于根据控制模块指令作为供电电极放电或作为测量电极接收电流并反馈给控制模块；所述无线数据传输模块与控制模块连接，用于根据控制模块的传输指令将数据发送出去，同时能接收主机无线传输的数据，并反馈给控制模块；所述显示模块与控制模块连接，用于根据控制模块指令将数据进行显示；所述第一供电模块为控制模块、无线数据传输模块和显示模块供电；第二供电模块为电极棒供电；所述控制模块用于接收主机的控制指令，并对显示模块和电极棒进行控制，实现电法勘探设备进行放电工作或监测工作；所述主机与各个电法勘探设备的无线数据传输模块无线连接，用于对各个电法勘探设备的工况进行控制，且能接收各个电法勘探设备反馈的监测数据并进行分析处理。2.根据权利要求1所述用于注浆加固的电法勘探仪，其特征在于，所述控制模块为单片机。3.根据权利要求1所述用于注浆加固的电法勘探仪，其特征在于，所述无线数据传输模块为zigbee无线通讯器。4.根据权利要求1所述用于注浆加固的电法勘探仪，其特征在于，所述显示模块为led显示屏。5.根据权利要求1所述用于注浆加固的电法勘探仪，其特征在于，所述电极棒另一端为锥形，便于插入岩土体内部。6.一种根据权利要求1至5任一项所述用于注浆加固的电法勘探仪的监测方法，其特征在于，具体步骤为：a、先确定待注浆区域，然后在待注浆区域上方的巷道，沿巷道走向相互平行布设两条测线，所述每条测线上均布设有多个电法勘探设备，各个电法勘探设备均通过电极棒固定在巷道底板；在巷道底板打设两个钻孔，两条测线一端分别延伸至对应的钻孔内，在每个钻孔内均布设多个电法勘探设备；将两条测线上各个电法勘探设备和两个钻孔内各个电法勘探设备均与主机无线连接，并分别进行编号，并以巷道走向为x轴、垂直巷道底板为y轴、垂直巷道侧壁为z轴建立坐标系，获取各个电法勘探设备在该坐标系内的坐标值；b、完成步骤a的布设工作后，通过主机设置两条测线上各个电法勘探设备和两个钻孔内各个电法勘探设备的供电顺序、供电时间，采集时间、采集间隔的参数；并设定两种工作模式，其中一种是在其中一条测线上选择一个电法勘探设备放电形成点电源电场或者两条测线上均选择一个电法勘探设备放电形成偶极源电场，其余电法勘探设备作为测量电极监测地电场响应特征；另一种是在两条测线上均选择处于各自端部的电法勘探设备放电形成偶极源电场，其余电法勘探设备作为测量电极进行一次检测后，在两条测线上各自再选择一个电法勘探设备放电形成偶极源电场，其余电法勘探设备作为测量电极再进行一次监测，如此持续，每次检测后均更换电法勘探设备进行放电工作，直至各个电法勘探设备均完成放电工作后，完成监测地电场响应特征的过程；c、在主机内设定预警阈值和采集时间段，其中将预警阈值传递给各个电法勘探设备的
控制模块进行存储，然后开始对待注浆区域进行注浆，在注浆过程中，先从步骤b中确定的两种工作模式选择其中一种，然后主机通过无线通讯网络向各个电法勘探设备发送指令，其中所需放电的电法勘探设备接收信号后，由控制模块控制第二供电电池放电；其余电法勘探设备接收到主机传来的采集指令后，通过控制模块控制电极棒的对勘探区域的电流、电压值进行采集，将采集到的数据通过无线网络传输给主机；各个电法勘探设备在数据采集的过程中，通过各自内置的控制模块对采集到的数据进行预处理对比，若前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，电法勘探设备通过显示模块进行预警提示，并向主机发出预警信号，主机接收后能获取该电法勘探设备的编号及其采集的数据情况，并进行记录；在设定的一个采集时间段内若巷道内每条测线上和每个钻孔内均有一个电法勘探设备前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，此时主机根据这四个电法勘探设备的编号确定各自的坐标值；将这四个坐标值相互联系，以巷道分布的电法勘探设备与钻孔分布的电法勘探设备分别生成水平方向与垂直方向的两个垂直平面，通过两个垂直平面相交时所生成的重合线，确定当前时间段内浆液位置及深度，对浆液的扩散范围进行初步定位；d、随着注浆过程的持续进行，在下一采集时间段内，若每条测线上和每个钻孔内均有多个电法勘探设备前后两次采集的数据变化幅度超过设定的预警阈值时，选择每条测线上和每个钻孔内各自前后两次采集的数据变化幅度最大的电法勘探设备，并根据这四个电法勘探设备确定当前时间段内浆液位置及深度，对浆液的扩散范围进行再次定位；如此持续循环，在每个采集时间段内均重复步骤c，从而能获得每个采集时间段内浆液的扩散范围并对注浆参数进行调整，直至完成注浆过程；e、注浆后继续监测多个采集时间段，并将每个采集时间段获得的浆液扩散范围进行对比分析，从而获得注浆全过程中浆液的扩散范围，以及注浆结束后浆液最终到达的具体位置及深度。

技术总结
本发明公开了一种用于注浆加固的电法勘探仪及其监测方法，采用无线电法勘探仪，并根据研究发现的原理，在待注浆区域上方巷道、沿巷道走向相互平行布设两条测线，并在巷道底板打设两个钻孔，在各条测线和各个钻孔内均布设有多个电法勘探设备，形成孔-巷联合的布设方式，用于后续电场监测地电场响应特征；完成布设后，开始对待注浆区域进行注浆，在该过程中各个电法勘探设备对待注浆区域进行数据采集，并基于发明人的研究发现特点，从而能获得设定时间段内浆液的扩散范围，根据该范围能对注浆参数进行实时调整，从而最终保证一次注浆即能使浆液扩散至整个待注浆区域，完成注浆待浆液凝固后，使注浆区域获得所需的加固效果。使注浆区域获得所需的加固效果。使注浆区域获得所需的加固效果。


技术研发人员：权利要求书2页说明书6页附图3页
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/7