隧道含水构造电阻率法超前探测正演模拟与应用

针对直流电阻率法超前探测研究中理论研究落后于工程实践的现状和探查效果较差的问题,对隧道直流电阻率法超前探测进行了系统的正演研究。首先,利用有限单元法数值手段对含水断层等多种典型含水构造的超前探测进行了正演,得到了典型含水构造超前探测的异常响应特征,提出了干扰识别与去除这一关键技术,形成了掌子面前方有用信息提取的有效途径,为隧道含水构造的超前探测奠定了理论基础。其次,研制了隧道含水构造超前探测物理模型试验装置和相似材料并开展了物理模型试验,在实验室尺度下对直流电阻率法超前探测这一新型测量方式进行了有益的探索,验证了该方法用于含水构造探测的有效性。最后,结合实际工程进行了超前地质预报实践,实现了对含水构造的定性判断。应用效果表明,直流电阻率法超前探测研究为现场应用提供了指导和参考,并为含水构造的三维反演成像与定位奠定了基础。     

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。     

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。     

基于非结构有限元的电阻率超前探测中旁侧异常影响特征研究

为了进一步探究旁侧异常体在巷道电阻率超前探测中的影响规律,提高探测精度,采用基于对偶加权后验误差估计的自适应非结构有限元法进行三维正演研究。首先通过无限大垂直板状体模型验证了该方法在超前探测模拟中的适用性和准确性,建立无旁侧异常体模型模拟巷道中的超前探测响应;然后分别对高低阻旁侧异常体的方位、与巷道h和掌子面的距离、巷道大小、不同供电和接收方式以及在多层介质中对超前探测的影响进行了数值模拟。结果表明：巷道前方异常体的实际位置可由异常曲线极值推断出;高低阻旁侧异常体的响应总体上不会掩盖巷道前方的异常响应特征,但会使对应范围内的异常曲线出现凸形或凹形畸变,畸变位置与实际位置相符合;巷道空腔的存在加强了底板异常响应,不同巷道大小对顶板异常影响不同,总体上不会影响巷道前方的异常响应;多层地层中,异常响应曲线仍能反映出旁侧异常体的实际位置,巷道前方的异常响应特征是否会被掩盖要视各层电阻率大小情况而定。干扰异常的辨别需要结合实际进一步开展研究。     

巷道掘进中电阻率法超前探测原理与应用

通过建立超前探测实际地电模型,进行单极—偶极法理论视电阻率曲线的计算,探讨了巷道前方存在低阻地质异常体的电阻率响应特征,提出了工作方法和解释方法,结合具体实例介绍了应用效果。      

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.     

最小二乘法在计算矿井瞬变电磁超前探测盲区中的应用

为解决矿井瞬变电磁超前探测的盲区问题,通过最小二乘法对仅由地质异常体产生的电磁场数据进行处理,得到一个测点的回归方程。利用该方程对盲区内的视电阻率值进行适当预测,得到的视电阻率值接近于煤层真实电阻率值,且曲线变化平稳。利用得到的新视电阻率曲线接反推盲区内的观测信号曲线,该曲线可以看作从盲区内混杂信号中分离出的纯二次场响应,从而提高矿井瞬变电磁超前探测在早期的效果。     

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。     

基于直流电阻率法探测隧道上覆地层赋水性

浅层地下水可导致黄土覆盖区隧道淋水、变形,带来严重的安全隐患,为查明黄土覆盖区隧道上覆地层赋水性特征和导水通道,为后期水害治理和隧道维护提供重要依据。在研究区复杂探测环境下布置了4条直流电法勘探线,经过数据处理,将视电阻率拟断面图直接用于地质解释,发现电性剖面高电阻率区域与隧道位置吻合较反演断面图好;结合地质资料,查明了黄土地层富水区域,并指出了可疑导水通道。研究表明,视电阻率拟断面图可准确的进行地质解释,常规电阻率法勘探在探查黄土区隧道地层赋水性方面可以发挥重要的作用。     

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。     

基于移动阵列电极的盾构超前探测正演响应分析

针对现有超前探测技术探测空间狭小、电磁干扰严重且难以应用于隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,简称TBM）施工隧道等难题,采用一种基于移动阵列电极的盾构超前探测方法。运用Comsol Multiphysics有限元仿真软件建立地电模型,对不同地质情况进行正演响应分析。结果表明:存在保护电极时,电压分布范围明显扩大,表明探测范围增大,为提高探测效果,有必要添加保护电极;异常体的尺寸、形状、位置改变会影响测量电压分布呈现规律性变化,表明这种方法对异常反应的响应良好;通过移动阵列电极盾构超前探测物理模型实验结果对比证明了基于移动阵列电极的盾构超前探测方法的可行性。      

煤矿井下孔中直流电法超前探测数值模拟研究

为解决煤矿井下独头巷道超前探测问题,对层状介质下钻孔内供电、接收工作模式三维直流超前探测模型,采用有限单元法进行了数值模拟。结果表明,钻孔内供电并接收,极大提高了异常幅度,简化了视电阻率曲线与异常的对应关系,极大提高了对未知致灾隐患的探查能力。     

跨孔条件下椭球模型的视电阻率异常特征

在跨孔条件下，利用积分方程法计算了孔区内外不同位置、不同产状的三维椭球体模型视电阻率异常。根据所得的典型数值模拟结果，借助视电阻率异常信息剖面图，对异常进行研究，总结了异常特征及其变化规律，并以此为基础分析和认识了其他模型的异常特征。     

全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用

为了使掘进巷道前方和回采工作面内部导含水构造准确定位和直观显示在成果图件中。基于原有的瞬变电磁探测技术设计定点三维超前探测技术,采用三维物理模拟技术,对煤矿中不同空间位置和形态的导含水构造进行模拟研究,分析其三维视电阻率空间分布的规律特征,结果表明:多匝小线圈具有一定的方向性,当收发线圈的法线接近模拟体时,才会产生较明显的瞬变电磁响应信号;不同位置和形态的导含水模型,其视电阻率三维空间等势面范围与其实际体积尺寸基本吻合。在平朔井工一矿19108工作面内部隐伏陷落柱的探测应用中,工作面内部的陷落柱能够在三维异常空间中准确地显示出来,为煤矿巷道掘进和工作面回采前的地质预报提供了有效的技术手段。     

聚焦电流法隧道超前探测导电纸模拟

为了解决传统直流电法隧道超前探测易受旁侧影响的问题,文章根据侧向测井的电极系布置,研究和提出了三种聚焦电流法隧道超前探测电极布置方式。在导电纸实验中,通过不同的电极排列方式和实验参数设置,研究和分析了聚焦电流法隧道超前探测效果的影响因素及其探测曲线特征。导电纸实验表明：聚焦电流法具有较好的超前探测效果,并且数据处理解释简单。     

大地电磁测深中薄层响应特征与地质目标体拾取的探讨

基于理论模型的正演模拟,探讨了大地电磁测深法中的薄层响应特征,考察不同盖层深度、薄层厚度以及围岩电阻率比等参数对测深曲线的影响,并采用背景值最大归一化建立视电阻率与盖厚比的关系曲线图,总结出高、低薄层的电性响应特征。针对地质目标体的拾取,建立了均匀半空间下的近地表非均匀体与地质目标体理论模型,对比TE、TM极化模式下视电阻率、阻抗相位的单点响应曲线与正演响应拟断面图,总结出区别非均匀体与局部地质目标体异常的重要响应特征。     

巷道直流电阻率法超前探测三维数值模拟

针对巷道直流电阻率法超前探测的三维数值模拟,应用代数多重网格快速算法对二次场的有限差分问题进行求解。将均匀全空间板状体数值结果与解析解对比,最大误差不超过0.28%。模拟结果表明,巷道空腔对测量结果存在一定影响,采用比值曲线消除该影响,修正后的视电阻率极值与理论值误差为2.4%。进一步研究受旁侧影响的前方异常识别方法,可通过在不同巷道面进行定点源测量或掘进过程中的定点测量来识别旁侧影响,达到准确探测前方异常的目的。      

测井技术在灰岩地区隧道深孔勘探中的应用

鄂西地区完整灰岩地层的视电阻率、密度、声波、自然伽马等曲线形态受灰岩胶结物质成份和泥质含量影响并具有一定的规律性，当灰岩地层受到构造、溶蚀作用产生破碎带、岩溶、裂隙等不良地质体或存在地下含水体时，各测井物理参数发生变化并在曲线形态上呈现异常反映，据此可以对不良地质体的位置、规模、类型进行准确判断。测井技术在鄂西地区灰岩地区隧道深孔勘探中的应用，补充、验证了钻探资料，为隧道设计、施工提供了可靠的依据。     

钻杆供电直流电法超前探测快速反演

在传统直流电法超前探测施工中,通过三个不同位置的电极对地供电,测量巷道后方一段距离内电位差,由此得到迎头前方电阻率变化的一维结果。由于一维解释结果具有不确定性,为此提出了一种基于钻杆供电的二维反演方法:即将迎头前方三维空间以柱坐标形式剖分,建立前方特定区域电阻率与测量异常电位差的近似线性关系,根据不同钻进深度测量值构建反演代数方程组,通过解方程快速反演以获取前方电阻率的二维分布。采空区模型与陷落柱超前探测快速反演以及实例表明,钻杆供电直流电法超前探测快速反演方法能比较准确反映异常电阻率在两个方向的方位信息,提高反演结果的准确性。     

一种改进的电法勘探技术在探测隐伏溶洞的应用

贵州岩溶地貌分布广泛,地质情况非常复杂,严重影响重大工程建设和地下水安全,文章提出一种改进的电法勘探技术,对不良地质体勘查取得了成功应用。以直流电法理论为基础,该方法是根据视电阻率微分统计原理,由电流密度分布规律与供电电极AB两极分布总存在着一定的对应关系,在野外同一供电测线(剖面)上,通过不断加密改变供电极距AB的位置,观测测量电极MN之间的电性参数变化,求取剖面相应纵向空间上,较大深度的(近地表的)近似连续视电阻率地电断面异常。此方法在深300 m以浅的岩溶区隐患排查中取得较好勘查效果,对煤矿钻孔及页岩气钻孔的选址探测误差能够控制在7%以内,值得进一步探索实践。