聚焦电流法隧道超前探测导电纸模拟.pdf

第2 3卷 第 4 期 2 0 0 9 年 8月 { } I 电 M I NERAL RES0URCES AND GEOLOGY Vo 1 ． 2 3 ， No ． 4 Aug．， 20 09 0 引言 聚焦电流法隧道超前探测导电纸模拟① 杨庭伟 ， 阮百尧 ， 周 丽 ， 段长生 1 ． 桂林工学院资源与环境工程系 ， 广西 桂林 5 4 1 0 0 4；2 ． 嘉兴学院机电工程学院 ， 浙江 嘉兴 3 1 4 0 0 1 摘要 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 。 关键词 聚焦 电流 ； 隧道 ； 超前预报； 导 电纸模拟 中图分类号 P 6 1 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 6 3 2 0 0 9 0 4 --o 3 6 2 一o 5 隧道施工中的超前地质预报关系到工程的安全、 质量和进度。 多年来国内外的工程地球物理工作者在 不断地改进探测技术和分析方法， 试图提高预报的可 靠性和精度， 已经取得了很多成功 的经验 ， 但是 目前 的技术水平在预报准确性和可靠性方面还有待提高 。 2 O世纪 8 o年代后期 ， 电法应用于隧道超前探测 逐渐发展起来 ， 并取得了一些成绩 ， 在实际工作中多 采用点 电源和偶极一偶极装置[ 1 ] 。 但由于隧道 内可 供观测的空间有限 ， 观测方案受到限制且容易受巷道 条件 浮煤 、 轨道、 电、 磁 等影响， 因而要准确地达到 预报的要求难度很大。 目前， 聚焦 电流法运用于隧道超前探测的研究已 经取得 了很大 的进展 ， 德国 GE O HYDR AUL I C DA TA公司在 2 0 0 2 年推出世界上第一台基于聚焦 电流 频 率 域 激发 极 化 方 法 的 电法 隧 道超 前 探 测 仪 器 BE AM B o r e Tu n n e l i n g El e c t r i c a l Ah e a d Mo n i t o r - i n g [ 6 ] 。 该探测仪器既能克服隧道有限观测空间的限 制， 又能避免旁侧影响 ， 展示了聚焦 电法广阔的应用 前景。 阮百尧等[ 7 ] 研究和提出了一种坑道直流电阻率 超前聚焦探测新方法 ， 并通过对坑道轴对称 电性介质 二维有限元数值模拟 ， 验证 了坑道直流电阻率超前探 测新方法的可行性 。 周丽等[ 8 ] 又提 出了两种聚焦直流 电法 电极布置方式 ， 然后通过土槽实验模拟了聚焦电 流法超前探测的范围， 分析了供电电极系半径及异常 体大小等因素对测量曲线的影响， 比较了两种装置的 超前探测效果。 本文根据侧向测井的电极布置方式， 提出了三种 聚焦 电流电极系， 并通过导电纸实验模拟各种聚焦电 流法隧道超前探测的影响因素， 验证聚焦电流法隧道 超前探测方法的可行性 。 1 聚焦电流法隧道超前探测原理 在通常情况下， 隧道超前预报探测主要 目标是掌 子面前方及其附近的破碎带、 水体、 地质构造等。 如图 1所示 ， 探测时， 主电极 A。 和屏蔽 电极A供以同一极 图 1 聚焦电流法隧道超前探测原理图 Fi g ． 1 Pr i n c i p l e o f f o c u s e d c u r r e n t a d v a n c e d d e t e c t i o n i n t u n n e l s ① 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 一1 0 作者简介 扬庭伟 1 9 8 5 一 ， 男 ， 桂林工学院 的地球探测与信息技术在读研究生 ， E- ma i l ； y a n g t i n g w e i 3 3 1 6 3 ． c o rn 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 4 0 7 7 4 0 5 7 和广西研究生教育 创新计 划资助项 目 2 0 0 8 1 0 5 9 6 0 8 1 8 M0 4 3 62 性的电流， 由于 电流线之间有相互排斥的作用， 主电 极流出的电流几乎只沿着隧道掌子面前方流 出， 这就 大大降低了旁侧影响。 根据侧向测井电极系布置L 9 ] ， 设计 了三种聚焦 电 流电极布置方式 ， 同时为了与无屏蔽电极的布置方式 进行对比， 还增加了MAM 装置 ， 如图2所示 。 当 掌子面前方有水体 、 破碎带等低阻 高阻 异常体存在 时， 由于异常体与围岩有较大的电性差异 ， 会不 同程 度地吸引 排斥 电流 ， 从而引起观测 点 M 电位的下 降 上升 ， 并且越接近异常体 ， 电位下降 3 2 升 越快 ， 可以根据 电位变化来判断掌子面前方的地质情况 。 若 掌子面前方无异常体 ， 则 M 点电位无 明显变化。 a M_ _ A - M 装置 b M．- A _ 臌置 f c A 蕾 _ A A 装置 d A Ml M_ A c r _ M Ml - A 装置 图 2 电极布置方式示意图 Fi g． 2 Sk e t c h ma p s ho wi n g t he g e n e r a l a r r a ng e me n t f o r e l e c t r o de a M A M 装 疑 b A M A装置 c A M A0 一 M A装置 d A M1 一 M A0 一 M M1 一 A装置 a M A M jns t a l l a t i o n bA M A j n s t a l l a t i o n e A M A0 一 M A i n s t a l l a t ion dA M1 一 M A0 一 M M 1 一 A i n s t a l 】 a t ion 导电纸物理模拟实验 3 ． 1 实验布置 在实验中， 导电纸的大小为长1 5 0 c m， 宽9 1 c m。 具 体布置如图 3所示 ， 其中， D为隧道宽 ， H为掌子面到 异常体边界的垂直距离， L为异常体中心到隧道 中线 的距离， B为隧道边界到导电纸边界的距离 。实验所 用异常体模型R共有以下几个规格 边长A一8 ． 3 c m、 厚度S 3 ． 7 1 c m 和边长为A一3 ． 6 9 c m、 S 一3 ． 7 1 c m 的 铁块 、 边长分别为A一5 c m、 A一1 0 c m 和A一1 5 c m、 厚 度 S均为 0 ． 5 c m 的方形铜板 ， 依实验 的具体情况选 用。 仪器采用重庆奔腾所WD D S 一 1 数字电阻率仪。 在 每次实验中 ， 电极均布置于隧道掌子面上 。 图 3 实 验布 置 图 Fi g ．3 Ge ne r a l a r r a n ge me n t f or e xp e r i me nt 3 ． 2 实测 数据 归一 化 在实验 中， 测量的数据为随掘进距离变化的电压 电流 比 U／ I ， 为减少 导 电纸边界和无穷 远极 的影 响 ， 将测量的各点的 U／ I 用无异 常体时 U。 ／ I 进 行归 一 化 。图4 为 A M A装置 D一1 6 c m， AA一8 c m， B一 3 7 ． 5 c m， L一0 ， R 为 A 8 ． 3 c m 的 铁块 超 前 探 测 曲 线。 a 为实测 电位U／ I曲线 ， b 为归一化 电位 G U 曲线。通过 比较下图， 可 以发现归一化电位曲线比实 测 电位 u／ I 曲线更加光滑。所以， 在后续的实验中， 将采用归一化对测量数据进行处理 。 图 4 A M A 装置超前预报探测曲线 Fi g． 4 De t e c t i ng c ur v e o f a d v a nc e d f o r e c a s t m a d e b y A． ． M ． A s e t a 实测 电位 u／ i 曲线 ； b 归一化电位GU 曲线 a u／ I c u r v e b a s e d o n me a s u r e d p o t e n t i a l b GU c u r v e b a s e d o n n or ma l i z e d p o t e n t i a l 3 ． 3 不同电极系探测效果的比较 为了比较这四种不 同电极系的优缺点 ， 保证了隧 道宽D、 极距大小 AA 和MM ， 导 电纸大小和边界大 小B， 异常体 R和异常体到轴线距离L的各项参数的 一 致性． 在实验 中， 装置 a MM 一1 0 c m； 装置 b AA 一 1 0 c m； 装 置 c AA 一 1 0 c m、 MM 一 4 c m； 装 置 d AA1 0 c m、 MM 一4 c m、 M1 M 18 c m， 其他 设置 D一 1 4 c m、 B一3 7 ． 5 c m、 L一0 ， 异常体R为A一1 5 c m铜板。 图5中为四种 电极布置方式实验测量的归一化 曲线。 3 6 3 峨 嘣 图中倒三角符号处即为对应 曲线的开始下降点， 从图 中可以发现， c ， d 装置探测 曲线开始下降点都较 早出现， b 次之 ， a 最晚。 图 5 不同电极系探测归一化曲线对比 Fi g． 5 Co m p a r i s o n of no r m a l i z e d c ur v e s f o r d i f f e r e nt e l e c t r o de a r r a ng e me n t 由此， 可以得出如下结论 1 聚焦电极系对异常体的反应较点电源 电极系 灵 敏 ； 2 聚焦电极系的有效探测距离较点电源电极系大； 3 具有 A。 供电的聚焦电极系比无 A。 供 电的电 极系探测有效距离要大些 ； 4 a ， b ， c ， d 四种 电极布置方式探测距 离依次增大 ， 但 c ， d 装置探测效果区别并不明显， 曲线下降点均较接近。 因此 ， 考虑到野外施工实际 ， 由于 d 装置 电极数 量较多 ， 探测时需打较多的锚杆 ， 这样势必拖延施工 进度 ， 在后续的实验中主要针对 c 装置进行研究。 3 ． 4 超前探测旁侧影响和探测范围 图6为L不同时A M A0 一 M A装置的超前探测 曲线 D一 1 6 c m， B一3 7 ． 5 c m， AA 8 c m， MM 一4 c m， R为Al O c m铜块 。当掌子面离异常体较远时， 由 于异常体对电流影响较小， 所以测量的归一化电位几 乎相同 ， 测量 曲线近似于直线 ， 随着掌子面到异常体 距离变小， 受低阻异常体 吸引电流的影响 ， 归一化 电 位开始下降 ， 此时将掌子面到异常体的距离称之为注 意 距 离 d n n o t i c e d i s t a n c e 。 如图6所示 ， 当异常体离隧道轴线较远时 如L一 1 2 ， 异常体对电流影响较小 ， 探测 曲线近似于直线 ， 可认为异常体 已在探测范 围之外 ， 同时， 也可以充分 证明 ， 聚焦电流法能有效地避免旁侧影响 。 当异常体位于聚焦电流法的有效探测范 围内时 如LO到 l 1 ， 随着掌子面到异常体的距离H不断 3 6 4 5 0 4 5 4 1 3 5 3 1 2 5 2 0 I 5 1 0 5 O 图 6 L不同时超前探测曲线 Fi g ． 6 Ad v a n c e d d e t e c t i o n c u r v e s f o r d i f f e r e n t L 变小， 异常体对 电流的影响逐渐增大 ， 当到达一定的 位置 ， 归一化电位曲线开始下降 ， 实验结果充分了证 明聚焦电流法超前探测的能力 。 根据 实验结果， 得出了不 同L时的注意距离 d n 如图 7所示 ， 并粗略圈定了聚焦电流法隧道超前探 测有效范 围。图 8 是超前探测范围示意图 ， 由异常体 1 6 蔓-4 { 1 2 1 0 8 6 4 2 ／ -_ ● _ 雾 。 __ 瞳 _ __ _ 。_ _ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 弱 蘩 L H 图8 超前探测范围示意图 Fi g． 8 Ske t c h ma p s ho wi n g t he r a n g e o f a d v a n c e d de t e c t i o n 3 供电极距的大小会影响探测效果， 电极距不 应过小 ， 也不宜过大 ， 必须选择合适的供电极距 ； 4 异常体越大 ， 探测距离则越大。 参考文献 [ 1 ] 程久龙 ， 王玉和， 于师建， 等． 巷道掘进 中电阻率法超前探测原理 与应用[ J ] ． 煤田地质与勘探， 2 0 0 0 ， 2 8 4 6 0 6 2 ． [ 2 ] 李玉 宝． 矿井 电法 超前探 测技 术 [ j ] ． 煤 炭科 学技术 ， 2 0 0 2 ， 3 0 Z l _ 3 ． [ 3 3 冯于静 ， 王邦成 ， 李玉宝， 等． 点 电源法在煤矿巷道超前探测中的 应用及效果口] ． 河北煤炭 ， 1 9 9 8 4 ； 9 - 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