[發明專利]基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統及方法

有效

• 申請號: 202010065359.2
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111220424B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 林鵬;謝輝輝;余騰飛;邵瑞琦;許振浩;潘東東;劉剛
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N1/22
• 分類號: G01N1/22;G01N1/24;G01N33/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

1.一種基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，包括第一氣體輸送管道、第二氣體輸送管道、第三氣體輸送管道、氣體過濾裝置、氣泵、氣體收集盒、尾氣處理裝置和電腦控制系統；

所述的第一氣體輸送管道包括多個支管道、1個軸承和1個主管道，每個支管道首端連接一個氣體進口裝置相連，多個個支管道尾端匯集于軸承內圈，所述軸承外圈連接主管道首端，且所述每個氣體進口裝置內均設一氣體過濾膜；第一氣體輸送管道主管道的尾端連接氣體過濾裝置的進氣口，氣體過濾裝置的出氣口與第二氣體輸送管道的首端相連，且在第二氣體輸送管道的尾端安裝氣泵，氣泵通過第三氣體輸送管道與氣體收集盒相連，所述的氣體收集盒包括儲氣區和導線區，在所述氣體收集盒尾部連接氣體測量儀，氣體測量儀用于探測儲氣區的氣體；且在所述儲氣區兩側連有氣體輸送管道，在所述氣體收集管道尾端連接尾氣處理裝置；

所述軸承與支管道連接處可隨TBM旋轉，所述軸承與主管道連接處不隨TBM旋轉；

所述的電腦控制系統包括三個系統分別為：氣體抽取測量控制系統、數據曲線繪制系統、信號識別系統；所述信號識別系統用于存放已經訓練好的斷層或斷層破碎帶相關數據自動識別模型，將所述數據曲線繪制系統中已按一定時間段或一定距離存儲好的曲線圖采用卷積神經網絡計算方法進行信息提取將提取到的信息輸入到已經訓練好的自動識別系統中進行對比分析，最后輸出氣體采樣點前方可能出現的氣體含量、氣暈寬度、預測斷層處氣體含量以及預測準確率，其中預測出的氣體含量若連續出現多個高值，則高值對應的寬度則為斷層或破碎帶的斷距，氣暈寬度即為預報距離。

2.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，多個支管道的氣體進口裝置安裝至TBM刀盤處。

3.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，所述的氣體測量儀包括多個，可更換，多個氣體測量儀安裝在不同的小盒中，氣體測量儀的探頭延伸到儲氣區。

4.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，所述的氣體進口裝置由硬橡膠制成，形狀為喇叭狀。

5.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，所述的氣體過濾裝置內分為多層過濾膜，沿著氣流流動方向，多層過濾膜的空隙依次減小。

6.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，所述氣體過濾裝置上有一可打開的門。

7.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，所述氣體收集盒內部分為上下兩層，上層為儲氣區，下層為導線區。

8.如權利要求1所述的基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統，其特征在于，所述電腦控制系統用導線與氣泵、氣體檢測儀以及尾氣處理裝置連接，通過導線控制氣泵開關，通過導線收集氣體檢測儀測試數據，通過導線控制尾氣處理裝置。

9.一種利用權利要求1-8任一所述基于隧道掌子面氣體監測的TBM搭載式超前地質預報系統實現隧道掌子面氣體含量監測的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)在TBM掘進過程中，開始收集氣體之前，通過電腦控制系統氣體抽取測量控制系統控制尾氣處理裝置，對儀器校正，使氣體收集盒內氣體含量穩定；

2)開始收集氣體時，通過電腦控制系統氣體抽取測量控制系統，打開氣泵進行抽氣，使氣體從氣體進口裝置的氣體入口進入；沿第一氣體輸送管道進入氣體過濾裝置進行進一步過濾，氣體依次穿過多層過濾膜，沿管道繼續傳送；

3)氣體進入氣體收集盒后，由氣體檢測儀進行氣體含量測量，并將數據通過小盒下部的接口將數據傳送至電腦控制系統；電腦控制系統的數據曲線繪制系統將數據保存，繪制出氣體含量隨時間或樁號變化的曲線，并將曲線顯示于電腦控制系統的顯示屏上，同時按一定時間段或一定距離將曲線圖進行分割存儲，儲存時間段或一定距離可根據需要調整；

4)通過電腦控制系統的信號識別系統，將所述數據曲線繪制系統中已按一定時間段或一定距離存儲好的曲線圖，采用卷積神經網絡計算方法提取氣體在巖石中的含量、氣體含量開始增高、降低點的信息，將提取到的信息輸入到已經訓練好的自動識別系統中進行對比分析，最后輸出氣體采樣點前方可能出現的氣體含量、氣暈寬度以及預測準確率；其中預測出的氣體含量若連續出現多個高值，則高值對應的寬度則為斷層或破碎帶的斷距，氣暈寬度即為預報距離；

5)根據測試需要，隨著TBM掘進，氣體依次通過1-4步驟進行測量，完成掌子面氣體含量變化監測及超前地質預報目的。