隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究

含导水构造和岩溶裂隙水的探查是亟需研究和解决的关键问题。直流电阻率法以其对低阻体反映敏感、分辨率高等优点被引入到隧道掌子面前方含水构造的预报工作中。首先,推导出了无限全空间中球体含水构造直流电法超前探测的解析解公式,并在利用有限元数值方法进行正演分析的基础上,借助“比较法”将含隧道腔体的三维空间中超前探测视电阻率数据转换为无限全空间中的数据,并探讨了由MN电极附近电阻率不均匀所造成的干扰以及识别和去除这种干扰的方法。然后,设计了基于全空间球体含水构造超前探测解析公式的阻尼最小二乘反演方法,对隧道中多组球体含水构造模型进行了较为成功的反演。另外,探讨了其他形状的有限体积的含水构造超前探测异常规律,提出了“等效球体”的概念,亦在全空间球体含水构造超前探测解析公式的基础上设计了快速反演方法。最后,利用物理模型试验验证了有限元数值正演方法和阻尼最小二乘反演技术的可行性和有效性,为实际工程中含水构造的直流电法超前预报奠定了基础。     

隧道含水构造频域激发极化法超前探测研究

隧道前方含水构造的超前预报是地下工程领域中亟待解决的难题。基于频域激发极化法中频散率参数对水体响应敏感的特点,将其引入到隧道含水体超前探测研究工作中。从理论正演、物理模拟、解译方法等方面入手对频域激发极化超前预报技术进行了系统的研究。利用三维有限元数值模拟技术解决了隧道中频域激发极化超前探测的数值正演难题,并通过对典型含水体的正演研究得到了视频散率对含水构造的响应规律,发现视频散率曲线的极大值是表征掌子面前方含水构造存在的重要特征;基于大量数值正演的结论,提出了一种利用两次探测的视频散率曲线极大值联合判断含水构造位置的方法;物理模型试验和现场实际应用表明,频域激发极化法预报的含水体位置与实际情况基本一致,验证了该方法用于隧道含水构造超前探测的有效性,为解决隧道含水构造超前探测这一难题提供了可行的途径。     

直流电阻率法与工作面透明化

通过先进的勘探设备与技术实现综采工作面的透明化,使煤层信息更加全面、准确,可为综采工作面的智能化生产奠定坚实的基础。直流电阻率法是矿井物探常用方法,其稳定性好、抗干扰能力强,对低阻体和高阻体都有灵敏的反映能力,因此直流电阻率法是实现工作面透明化的关键手段之一。为探究直流电阻率法在工作面透明化中的应用效果,对工作面探明含水构造、巷道迎头超前探测等问题,分别使用不同的工作方法对两种问题的响应特征进行三维正、反演。结果表明在对应的工作方法下得到的三维直流反演数据分布规律与初始模型基本一致,有良好的高、低阻体区分能力。对实际工程中直流电阻率法在工作面透明化中的应用有一定指导作用。     

煤矿井下定点源梯度法超前探测试验研究

超前探测预测地质构造是煤矿井下突出的地质问题之一。根据理论分析提出定点源梯度法;模拟试验证明该方法用于煤矿井下超前探测具有较好的地球物理基础,视电阻率参数可以用来区分含水与非含水构造;实际应用结果表明:该法具有布极简便、结果直观等特点,其分辨力及抗干扰能力均优于其它装置形式,探测效果明显。      

等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报中的解释方法研究与应用

瞬变电磁法具有对低阻体反应灵敏的特点,在探测隧道掌子面前方含水或充泥断层、破碎带等低阻不良地质体上具有独特的优势。这里首先简单介绍了等值反磁通瞬变电磁法的原理及特点,然后通过对隧道全空间域高低阻模型一维正演曲线响应特征、视电阻率及视纵向电导曲线的解释特点和效果进行较为全面地分析研究,提出并分析了视电阻率等值线图与视纵向电导断面图联合解释方法。最后通过两个应用案例,总结出等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报成果解释中的一些特点和规律。结论表明,等值反磁通瞬变电磁方法适用于隧道超前质预报工作,能够有效提高预报成果的精度及准确度。     

基于高分辨直流电法的隧道超前地质预报异常探测研究

采用高分辨直流电法,对隧道不同空间位置的不良地质体探测异常特征进行了数值试验,并结合物理模型试验进行了分析研究。介绍了高分辨直流电法隧道超前探测机制和有限元求解原理;通过建立有限单元模型,对含隧道空腔全空间点源场的电位分布进行了数值试验,分析了不同地电条件下隧道不良地质体的视电阻率曲线形态特征;结合物理模型试验结果,对隧道不同空间位置的不良地质体探测进行了模拟试验。结果表明:在隧道空间内采用高分辨直流电法对围岩进行不良地质体的探测具有空间选择性,仅从GU或视电阻率曲线难以判断隧道掌子面前方的不良地质体,但对位于隧道底板或侧帮的不良地质体探测效果较好。研究成果对利用高分辨直流电法应用于隧道不良地质异常体的超前地质预报选择以及适用性具有一定的参考意义。     

直流电阻率三极超前探测的有效性

大量实例表明,在煤矿井下直流电阻率三极超前探测虽然被广泛应用于迎头前方地质异常体的探测,但探测效果并不理想。通过简单的全空间低电阻率球状电性体进行解析式三极超前探测正演计算,以及对地面积水体进行三极超前探测,其解释结果与实际相差较远。根据理论分析,迎头前方存在低阻球体时三极超前探测的视电阻率曲线随探测距离增加呈单调下降趋势,仅能表现出低阻体的存在,但不能真实反映出低阻球体的位置。地面积水坑的探测结果表明,受MN电极接地电阻的影响,与积水坑对应位置并没有出现低阻异常。在山西某地,三极超前探测数据与仪器配套的软件处理解释后获得的二处异常,经钻孔验证均为误判,而钻孔揭露的含水采空区在成果图上却无异常迹像。建议在改善MN接地电阻、改变数据采集方式或增强异常数据处理等方面加强研究,以提高三极超前探测有效性。     

中国隧道及井巷地震波法超前探测技术研究分析

自20世纪90年代以来，反射地震波法作为一种主要的超前探测技术在我国国内隧道及井巷工程中取得了诸多成功应用的探测实例，同时在应用中不同探测方法也存在不少问题。文章结合国内外超前探测中应用较为广泛的TSP法、负视速度法、HSP法、TRT法、ISIS系统等反射波探测技术加以阐明，分析了国内超前探测技术应用与研究的现状，指出隧道及井巷超前探测数据采集与处理过程中存在的不足，并进一步提出超前探测研究在正反演理论、数据采集、偏移成像技术等方面应该注意的问题，超前探测的目标是要建立和完善一套实时的巷道前方地质体的动态监测与预报系统。     

几种矿井电法的应用分析

对国内煤矿井下应用较为广泛的直流电法、瞬变电磁法和音频电透视的理论研究基础进行了论述及评价,内容包括正反演理论及资料处理解释方法,并对其研究现状进行了解析。通过实例介绍了三种方法在井下小窑巷道、含水目标体和富水层等进行超前探测中的应用,最后对三种方法在理论基础、解释精度、反演方法等方面进行展望,并对其在理论研究与应用的发展方向提出了建议。     

隧道综合参数超前地质预报技术研究

本文介绍一种新型的隧道施工综合超前地质预报系统USEP,该系统采用综合参数法进行超前地质预报,综合参数为"波速+电阻率".其中波速探测采用角度偏移和位置偏移的联合体系,电阻率探测采用瞬变脉冲电磁法重叠回线装置在掌子面进行扫描,最终实现综合参数及空间超前地质预报.文章利用课题组研发的USEP系统,结合108国道北京南村隧道的探测预报实例详细说明隧道综合参数及空间超前地质预报工作的原理与效果,并总结在复杂地质条件下采用"波速+电阻率"综合预报的必要性,它对隧道及地下工程施工超前地质预报工作有广泛的指导作用.     

充水溶洞特征的高密度电阻率法反演分析研究

在高密度电法勘探中,不同性质的溶洞其反演电阻率特征有差异,溶洞为空洞时反演电阻率表现为高阻,充满水时表现则为低阻,而充水溶洞的电阻率反演特征很难判断。文章通过构建不同充水程度的溶洞模型进行正演模拟,利用最小二乘法对模型的地电断面进行反演,对比不同反演成像模型的地电响应特征。结果表明,充水溶洞的电阻率随溶洞充水量的增加而减小,低阻的范围随着水量的增加而不断扩大,其可分辨性强。野外探查资料进一步验证了模拟结果,所获得的认识对地下溶洞的电法探测分析具有一定的指导意义。      

电阻率法和激发极化法在地下水勘查中的应用

依据提供的物性参数的不同,广泛应用于找水工作的电法手段可分为电阻率法和激发极化法两大类,其中电阻率法提供电阻率参数,主要解决与赋水有关的构造问题(如赋水层位或断裂构造)。方法上有常规电法、电磁法,可根据地区赋水部位的不同选择适当的方法。激发极化法则利用含水层的激发极化效应进一步确定目标层位或构造的赋水性。电阻率法和激发极化法相互配合,在找水工作中相得益彰。     

随机岩溶介质的电阻率正演模拟

受岩溶发育的影响,岩溶地区电阻率分布具有很大的不确定性。采用传统的正演方法在一定程度上不能满足岩溶探测的需要。为了更真实地反映岩溶介质的电性特点,本文提出了一种根据随机过程的谱分解理论来构造随机介质模型的方法,并以此建立了岩溶地区随机地电模型。对理论和实测地电模型的正演计算表明,随机介质能更有效模拟实际地电结构,正演结果更接近实测的异常形态。因此,岩溶地区的电阻率正演模拟计算采用随机介质模型是十分有必要的,一方面有助于对异常的认识,另一方面,随机介质模型可以更好地模拟岩溶地区的地电模型。      

煤巷多点电流源双频激电法超前扫描探测技术

在掘进工作面上设计多点电流源双频激电法探测电极布置方式,根据稳定电流场性质,建立多点电流源电场线微分方程,基于变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法,对微分方程组进行求解。定义探测电场空间立体角和电场线边界角概念,分析探测电场平均电流密度随主屏流比系数及距掘进断面距离变化规律,确定聚焦效应探测时主屏流比系的取值范围。同时改变约束屏流比系数和主屏流比系数,分析探测电场偏转角的变化规律及对其影响的主要因素,确定偏转效应探测时约束屏流比系数的取值范围。工业性试验表明:利用该方法进行超前扫描探测,根据视幅频率和视电阻率异常激电效应参量变化规律,能够有效识别工作面前方围岩地质构造特征及低阻含水异常体的方向,但含水异常体距工作面的准确距离和含水量的大小尚需进一步研究。      

高密度电法三电位电极系装置勘察适用性研究

为了对比分析高密度电法三电位电极系α、β和γ排列针对工程中常见的基岩面、充水断层以及充填型地下空洞等类型地质体适用性的差异,首先建立相关地电模型进行正演模拟计算,并对计算电阻率进行加噪二维反演,再以工程应用实例进行验证和进一步讨论。正演与实例对比结果表明:β排列在地形等干扰条件较小时对充水断层以及充填型地下空洞分辨能力较强;α排列为基岩面探测最理想装置,而当存在一定地形等干扰条件时,α、γ排列应分别为地下空洞和近直立断层勘探的最佳装置。      

三极断面测深技术在第四系水源地勘探中的应用

介绍了三极断面测深技术在第四系水源地勘探中的应用。钻探验证结果表明，该方法能够准确地圈定第四系地层中的含水体，可为供水水源地选择提供必要的地质资料。     

填方地基压实质量的波电场耦合快速检测试验研究

土石填方地基的压实质量直接影响着上部结构的沉降变形和稳定性,如何有效地评价土石填方地基的压实质量是土石填方施工质量控制中亟待解决的关键技术问题。基于土石填料的波动传播特性和电阻率特性,构建了波电场耦合检测路基压实质量的理论模型,基于该模型提出了适用于填方地基现场压实质量检测的波电场耦合快速测试方法。将该方法应用于土石填方地基现场,采用面波测试的方法测试土石地基的波动信号,利用瑞利波的频散效应分析测试断面的横波波速,采用直流电阻率法采集测量断面的电阻率数据。对现场地基填料的波电场参数统计分析,构建了基于波电场耦合的填方地基压实度计算模型,利用现场测试的波电场参数对填方地基的压实质量进行了综合评价。结果表明,构建的模型综合了土石填料的波电场参数,应用过程中测试方便,计算简单,便于快速检测。     

太行山北段岩溶裂隙水的富水性及其电性特征

为揭示太行山北段岩溶裂隙水富水性分布规律,采用电阻率、极化率、半衰时和偏离度分析不同含水层介质结构、不同含水岩组和不同地下水系统岩溶裂隙水与电性参数的关系,探讨研究区岩溶裂隙水富水性的影响因素及其电性响应特征。结果表明:含水层介质结构按照溶蚀孔洞型→断层型→褶皱型→岩体阻水型的排列顺序,半衰时值分布范围依次降低,而偏离度值分布范围依次升高;四种电性参数对奥陶系含水岩组、蓟县系含水岩组具有较强的分辨能力;极化率、半衰时和偏离度难以识别拒马河、界河－唐河以及瀑河－漕河三种岩溶裂隙地下水系统类型;奥陶系含水岩组的富水性优于蓟县系含水岩组;就含水层介质结构而言,溶蚀孔洞型富水性最佳,断层型和褶皱型次之,岩体阻水型富水性最差。