专利摘要

本发明属于岩石矿物成分分析领域，为了解决在TBM掘进过程中难以实时检测隧道围岩中矿物种类及含量的问题，提供了一种TBM搭载式矿物成分检测方法、超前地质预报方法及系统。其中，TBM搭载式矿物成分检测方法包括自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域；接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素‑矿物‑岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

权利要求

1.一种TBM搭载式矿物成分检测方法，其特征在于，包括：

自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域，其中包括，以人工输入的待测点为原点，以多边形网格的方式向四周扩展待测区域，扩展过程中，以多边形网格格点作为新的测试点； 在同种岩性区域内测试，随测试范围的逐渐扩大，元素平均含量趋于稳定；超过此区域后，测试到其他岩性，元素平均含量开始变化，直至出现新的趋近值，则变化点可以作为同种岩性区域的边界点，以此选定测试区域；

接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素-矿物-岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

2.如权利要求1所述的TBM搭载式矿物成分检测方法，其特征在于，在测试区域选择完成后，根据视窗内点的疏密程度，选择更小的多边形边长进行补点测试，以增加测试数据量来保证测试准确性。

3.如权利要求1所述的TBM搭载式矿物成分检测方法，其特征在于，若预先构建的元素-矿物-岩石数据库中，未找到相匹配的岩石种类，则进行人为判定岩石种类，并将当前的矿物元素成分与含量以及其对应的矿物的种类和岩石种类存储至元素-矿物-岩石数据库中。

4.一种超前地质预报方法，其特征在于，包括：

跟随TBM掘进隧道里程，采用如权利要求1-3中任一项所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测；

构建出整个隧道的矿物序列特征，以实现超前地质预报。

5.一种TBM搭载式XRF元素测试系统，其特征在于，包括控制及数据处理终端和XRF检测仪，所述XRF检测仪搭载在TBM上，所述XRF检测仪用于检测测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

所述控制及数据处理终端包括：

测试区域选定模块，其用于自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域，其中包括，以人工输入的待测点为原点，以多边形网格的方式向四周扩展待测区域，扩展过程中，以多边形网格格点作为新的测试点；在同种岩性区域内测试，随测试范围的逐渐扩大，元素平均含量趋于稳定；超过此区域后，测试到其他岩性，元素平均含量开始变化，直至出现新的趋近值，则变化点可以作为同种岩性区域的边界点，以此选定测试区域；

数据接收模块，其用于接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

岩石判定模块，其用于利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素-矿物-岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

6.如权利要求5所述的TBM搭载式XRF元素测试系统，其特征在于，在所述测试区域选定模块中，在测试区域选择完成后，根据视窗内点的疏密程度，选择更小的多边形边长进行补点测试，以增加测试数据量来保证测试准确性。

7.如权利要求5所述的TBM搭载式XRF元素测试系统，其特征在于，在所述岩石判定模块中，若预先构建的元素-矿物-岩石数据库中，未找到相匹配的岩石种类，则进行人为判定岩石种类，并将当前的矿物元素成分与含量以及其对应的矿物的种类和岩石种类存储至元素-矿物-岩石数据库中。

8.如权利要求5所述的TBM搭载式XRF元素测试系统，其特征在于，XRF检测仪固定于机械臂的末端，机械臂与TBM的撑靴连接；所述机械臂为折臂式且包含至少两个关节。

9.如权利要求8所述的TBM搭载式XRF元素测试系统，其特征在于，所述机械臂的末端还设有压力传感器，所述压力传感器用于检测XRF检测仪与隧道围岩的贴合情况并反馈至控制及数据处理终端。

10.如权利要求8所述的TBM搭载式XRF元素测试系统，其特征在于，所述机械臂的每个关节均安装有位置传感器，位置传感器用于实时检测机械臂位置并反馈至控制及数据处理终端。

11.一种超前地质预报系统，其特征在于，包括：

矿物检测模块，其用于跟随TBM掘进隧道里程，采用如权利要求1-3中任一项所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测；

超前地质预报模块，其用于构建出整个隧道的矿物序列特征，以实现超前地质预报。

说明书

技术领域

本发明属于岩石矿物成分分析领域，尤其涉及一种TBM搭载式矿物成分检测方法、超前地质预报方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在岩质隧道施工过程中，岩石强度对工程的施工进度、安全等有直接的影响，而矿物作为岩石的组成成分，其强度是评价围岩强度的一项重要的指标。因此在隧道掘进过程中实时检测岩石的矿物成分，可以给隧道掘进机(TBM，Tunnel Boring Machine，全断面岩石隧洞掘进机)的参数设置提供依据。但是，在TBM施工过程中，开挖后的围岩需要在很短的时间内进行支护，而矿物成分测试必须在支护前完成，否则支护材料会对测试结果造成影响，于是较大的测试工作量就与较短的时间产生了矛盾。

TBM结构复杂，整体长度较长，使得开挖后的未支护部分空间几乎全部由TBM填充，同时还存在通风管道、岩渣传送带等，留给元素测试设备或人员的工作空间十分有限。同时，未支护部分存在严重的垮塌和突水突泥风险，对传统的人工作业来说是十分危险的。

在元素检测设备方面，XRF(X Ray Fluorescence，X射线荧光光谱分析)技术可以实现设备的小型化、便携化，且在岩石元素检测方面结果较为准确，但是现有技术中对于元素反演矿物存在含量不准确的问题。

由于组成岩石的矿物在成分、形状、大小方面各异，其在岩石内部的排布方式各异，导致岩石元素在小尺度范围内具有高度不均一的特点。同时，岩体是由岩石和结构面组成的，在地下深部隧道掘进的区域内，由于地质构造运动造成的岩浆穿插、地层错动等现象的存在，使得不同岩性在同一空间内突然变化，又造成在中尺度范围内岩体具有高度的不均一性。这种不均一性就给元素检测方法划定同一岩性范围造成了困难，也就在后续的矿物序列特征建立和超前地质预报造成了困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种TBM搭载式矿物成分检测方法，其能够自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域，可以跟随隧道开挖进程，实时自动检测围岩矿物成分。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种TBM搭载式矿物成分检测方法，包括：

自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域；

接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素-矿物-岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

本发明的第二个方面提供一种超前地质预报方法，其能够跟随TBM掘进隧道里程，采用上述所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测，从而为超前地质预提供相关数据基础，提高TBM掘进隧道的稳定性和安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超前地质预报方法，包括：

跟随TBM掘进隧道里程，采用如上述所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测；

构建出整个隧道的矿物序列特征，以实现超前地质预报。

本发明的第三个方面提供一种TBM搭载式XRF元素测试系统，其能够自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域，可以跟随隧道开挖进程，实时自动检测围岩矿物成分。

一种TBM搭载式XRF元素测试系统，包括控制及数据处理终端和XRF检测仪，所述XRF检测仪搭载在TBM上，所述XRF检测仪用于检测测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

所述控制及数据处理终端包括：

测试区域选定模块，其用于自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域；

数据接收模块，其用于接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

岩石判定模块，其用于利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素-矿物-岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

本发明的第四个方面提供一种超前地质预报系统，其能够跟随TBM掘进隧道里程，采用上述所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测，从而为超前地质预提供相关数据基础，提高TBM掘进隧道的稳定性和安全性。

一种超前地质预报系统，包括：

矿物检测模块，其用于跟随TBM掘进隧道里程，采用如权利要求1-5中任一项所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测；

超前地质预报模块，其用于构建出整个隧道的矿物序列特征，以实现超前地质预报。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用TBM搭载，可以跟随隧道开挖进程，实时检测围岩矿物成分。

2)本发明采用自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域，能够准确确定不同的岩石种类，进而得到全里程岩性划分；

3)本发明在跟随TBM掘进隧道里程，采用TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测，进而得出整个隧道的矿物序列特征，实现了超前地质预报，提高了TBM掘进隧道的稳定性与安全性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一种TBM搭载式矿物成分检测方法流程图。

图2为本发明实施例中TBM搭载式矿物成分检测系统工作状态的主视图；

图3为本发明实施例中机械臂主视图；

图4为本发明实施例中TBM搭载式矿物成分检测系统的主视图；

图5为本发明实施例中TBM搭载式矿物成分检测系统剖面图；

图6为本发明实施例的控制及数据处理终端主视图。

图中：1机械臂，2元素检测系统，3控制与数据处理终端，4基座，5第一关节，6第二关节，7第三关节，8第四关节，9压力传感器，10XRF检测仪，11摄像头，12控制电路，13保护罩，14卡槽，15超声波距离传感器，16机械臂控制箱，17计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

图1给出了本实施例的一种TBM搭载式矿物成分检测方法流程图。

如图1所示，本实施例的TBM搭载式矿物成分检测方法，包括：

S101：自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域。

选定测试区域具体实现方式如下：

1)选定测试区域以自适应方式进行，以人工输入的待测点为原点，以多边形网格的方式向四周扩展待测区域，扩展过程中，以多边形网格格点作为新的测试点。

2)由于岩石矿物分布的不均一性，在同种岩性区域内测试，随测试范围的逐渐扩大，元素平均含量会趋于稳定。而超过此区域后，也就是测试到其他岩性，元素平均含量会开始变化，直至出现新的趋近值。则变化点可以作为同种岩性区域的边界点。以此选定测试区域

3)在测试区域选择完成后，可根据视窗内点的疏密程度，自行选择更小的多边形边长进行补点测试，以增加测试数据量保证准确性。

S102：接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量。

具体地，一般采用搭载在TBM上的XRF检测仪进行测量。

S103：利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素-矿物-岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

其具体实现方法为：

1)隧道施工区域内数据库建立。通过施工区域内地表标本采集，工程勘察钻孔岩心采集等工作，获得施工区域内岩石标本，进行元素和矿物的成分与含量检测，建立适用于本区域内的元素-矿物-岩石数据库。

2)通过隧道内测试得到的元素成分与含量，利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合数据库确定岩石种类，同时确定矿物含量区间。

3)通过矿物含量区间与测试得到的矿物种类及含量进行对应匹配查找。若预先构建的元素-矿物-岩石数据库中，未找到相匹配的岩石种类，则进行人为判定岩石种类，并将当前的矿物元素成分与含量以及其对应的矿物的种类和岩石种类存储至元素-矿物-岩石数据库中，以增加数据库数量，提高准确度。

实施例二

本实施例的一种超前地质预报方法，包括：

S201：跟随TBM掘进隧道里程，采用如实施例一所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测；

S202：构建出整个隧道的矿物序列特征，以实现超前地质预报。

本实施例能够跟随TBM掘进隧道里程，采用上述所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测，从而为超前地质预提供相关数据基础，提高TBM掘进隧道的稳定性和安全性。

实施例三

如图2所示，本实施例提供了一种TBM搭载式XRF元素测试系统，包括控制及数据处理终端和XRF检测仪，所述XRF检测仪搭载在TBM上，所述XRF检测仪用于检测测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

所述控制及数据处理终端包括：

测试区域选定模块，其用于自适应选定TBM掘进隧道内的围岩测试区域；

数据接收模块，其用于接收围岩测试区域内围岩的矿物元素成分与含量；

岩石判定模块，其用于利用标准矿物计算方法得到矿物的种类，结合预先构建的元素-矿物-岩石数据库确定出岩石种类及矿物含量区间。

具体地，TBM的撑靴与机械臂1连接；机械臂1为折臂式且包含至少两个关节；机械臂的末端固定有元素检测系统2，所述机械臂1的末端还设有压力传感器9，所述压力传感器9用于检测元素检测系统2与隧道围岩的贴合情况并反馈至控制及数据处理终端3；控制及数据处理终端3，其用于控制机械臂1使其带动元素检测系统2移动到待测试点位置，接收元素检测系统所检测的相贴合的隧道围岩的元素成分，进而反演出矿物种类及含量。

如图3所示，为满足灵活工作的要求，机械臂1至少包括四个关节，整体运动维度为三维。本实施例的机械臂1包括依次连接的基座4、第一关节5、第二关节6、第三关节7和第四关节8；所述元素检测系统2固定在第四关节8的末端；

第一关节5的运动方式为水平旋转，旋转角度360°，保证机械臂工作空间覆盖水平方向的一周；

第二关节6的运动方式为竖直旋转，增加机械臂竖直方向和水平方向的工作范围；

第三关节7的运动方式为竖直旋转与沿关节轴线自转，沿关节轴线自转角度为360°；增加机械臂的工作范围，同时保证机械臂末端可以灵活运动。

第四关节8的运动方式为沿第三关节自转角度旋转与沿关节轴线自转，沿关节轴线自转角度为360°。因第三、四关节都可以自转，相互配合后可以在机械臂1末端实现较大角度和较多维度的运动以微调元素检测系统。

此处需要说明的是，机械臂的类型较多，机械臂也可采用其他结构形式，只是关节增多、运动角度增大和运动维度增多后更加灵活。

在图3中，所述第一关节5安装在基座4上，所述基座4固定在TBM的撑靴上。在具体实施中，所述基座4、第一关节5、第二关节6、第三关节7和第四关节8处均安装有驱动机构，所述驱动机构与控制及数据处理终端3连接，控制及数据处理终端3用于控制驱动机构运动来驱动下一关节动作。

具体地，驱动机构包括减速机和电机，用来控制与其连接的下一个关节的动作。

在具体实施中，所述机械臂的每个关节均安装有位置传感器，位置传感器用于实时检测机械臂位置并反馈至控制及数据处理终端3。

如图4和图5所示，所述元素检测系统2包括箱体，所述箱体内设置有XRF元素检测仪10，用于检测隧道围岩的元素成分；箱体靠近岩面的一端设置有摄像头11，其用于观察隧道内情况，指导机械臂动作方向；箱体内部设置控制与处理电路12，用以将各个仪器获得的数据传送至控制及数据处理终端3。

在图4中，元素检测系统2外部包裹保护罩13，用于防止落石的伤害。

其中，保护罩末端设置有卡槽14，用于非工作状态时增加保护盖保护。

在具体实施例中，箱体靠近岩面的一端设置有超声波距离传感器15，超声波距离传感器15用于探测检测头与岩面的垂程度。

如图6所示，控制及数据处理终端3位于TBM主控制室内，包括控制箱16与计算机17。机械臂1通过电缆与控制箱16相连，电缆中埋置电源线与数据传输线。控制箱16通过接收电脑端发出的指令来控制机械臂1运动，计算机17用于接收XRF、超声波检测仪数据、摄像头图像。

计算机17还用于给控制箱发送指令控制机械臂1和元素检测系统2的运动来选定测试区域进行测试；计算机17还用于基于元素检测系统所获取的围岩元素成分及含量，利用改进型矿物反演方法计算出矿物种类及含量。

本实施例的TBM搭载式矿物成分检测的检测过程为：

设定待测试点的坐标位置；

开启机械臂1，通过控制及数据处理终端3控制使得机械臂1自动移动到待测点附近位置且不贴合；

控制机械臂1自动移动，使元素检测系统靠近待测岩面，直至压力传感器9出现读数，此时元素检测系统与岩面贴合，XRF元素检测仪10进入矿石模式，开始检测围岩元素成分并等待完成，将数据返回控制及数据处理终端3；

对所检测的矿物元素成分进行矿物种类分析，得到矿物种类及含量，此时完成一个测试周期，继续开始下一个检测周期。

下面以机械臂1、元素检测系统2与控制及数据处理终端3结合，以及基于压力传感器9、超声波距离传感器15，自适应测试区域选择方法和改进型标准矿物计算方法来详细说明本实施例的TBM搭载式矿物成分检测系统的工作方法：

步骤一：设定岩石待测试点的坐标位置；

步骤二：开启机械臂1，通过控制及数据处理终端3控制使得机械臂1自动移动到待测点附近位置且不贴合；

步骤三：机械臂1自动通过超声波距离传感器15进行微调，使元素检测系统2的X射线测试口垂直于待测岩面；机械臂1自动移动使元素检测系统2靠近待测岩面，此过程一直保持垂直，直至压力传感器9出现读数；

步骤四：开启XRF检测仪10，进入矿石模式，开始检测围岩元素成分并等待完成后，传输数据至控制及数据处理终端3。

步骤五：机械臂1基于步骤一确定的测试点自适应选定测试区域，对区域内所有测试点重复步骤二、三、四，直至完成。

步骤六：对所有数据采用改进型标准矿物计算方法进行矿物反演。此时完成一个测试周期，继续开始下一个检测周期。

本实施例的基于XRF矿物反演的TBM搭载式围岩矿物成分检测系统若需要手动控制对单独点进行补测，则手动输入待测位置坐标，不执行步骤五和步骤六。

实施例四

本实施例还提供了一种超前地质预报系统，其包括：

矿物检测模块，其用于跟随TBM掘进隧道里程，采用如上述所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测；

超前地质预报模块，其用于构建出整个隧道的矿物序列特征，以实现超前地质预报。

本实施例能够跟随TBM掘进隧道里程，采用上述所述的TBM搭载式矿物成分检测方法进行矿物检测，从而为超前地质预提供相关数据基础，提高TBM掘进隧道的稳定性和安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

TBM搭载式矿物成分检测方法、超前地质预报方法及系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。