三维坑道直流聚焦法超前探测技术.pdf

第3 3卷第 6期 2 0 0 9年 1 2月 物探与化探 GEOPHYSI CAL ＆ GEOCHEMI CAL EXPLORATI ON Vo 1 ． 3 3． No． 6 De c ．， 2 00 9 三维坑道直 流聚焦法超前探测技术 阮百尧 ， 强建科 ， 周俊 杰 1 ． 桂林理工大学 资源与环境工程系， 广西 桂林 5 4 1 0 0 4； 2 ． 中南大学 信息物理工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘 要 对坑道超前探测方法中的三维坑道直流聚焦法的电极组合作了研究。计算、 分析了2个同性点电源的电流 分布规律 ， 指出由于电流的相互排斥作用， 电流密度在这两个点电源的中垂线下一定深度处产生最大值， 这个深度 与这两个点源之间的距离成正比。基于上述理由， 设计 出 3种电极组合 四点 电源、 五点电源和九点电源布极方 式。用三维有限单元数值模拟的方法计算了上述 3种电极系的空间电位分布， 发现九点电源方式对电流聚束效果 较好 ， 而且当主电极电流小于屏蔽电极电流时效果最好。 关键 词 三维坑道直流 聚焦法 ； 坑道超前探测 ； 电阻率法 ， 电流聚焦 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标识 码 A 文章 编号 1 0 0 0 8 9 1 8 2 0 0 9 0 60 7 2 9 0 4 坑道超前探测在预报矿山、 隧道、 地下工程等地 出现的地质灾害方面发挥了巨大作用 ， 常用 的有地 震三分量 T S P法 、 无线电波透视法 、 探地雷达法 、 瞬 变 电磁法、 直流三极 电测深法等 ， 其 中， 直 流电阻率 法 由于原理 比较简单 ， 得到了广泛应用。 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 进展 ， 德 国 G E O H Y D R A U L I C D A T A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的激发极化 方法的电法隧道超前探测仪器 B E A M b o r e u n n e l i n g e l e c t r i c a l a h e a d mo n i t o r i n g 。该探测仪既能克服 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 。 常用的三极超前预报法最大的缺点是误报率太 高 ， 因此要研究准确的直流电阻率超前探测方法技 术 ， 必须建立在实际的三维坑道模型之上 ， 用数值和 物理模拟方法模拟确定各种不同坑 道形态 、 不同旁 侧影响、 不 同电极排列方式的电场分布情况 ， 然后选 择出受旁侧干扰最小 的电极排列方式 ， 才能实现正 确的超前预报方法。 笔者根据测井 电流聚焦条件 下的 电极布置方 式 ， 提出了在隧道掌子面 工作面 上布置不同组合 的电极系列 ， 通过屏蔽电极控制电流方向 ， 从而解决 传统直流电阻率超前预报探测遇到的旁侧影响问 题 。通过三维有限单元法对各种电极组合进行数值 模拟计算 ， 表明同电性 电极系有很好的聚焦作用 ， 能 够用于超前探测。 1 电流聚焦基本原理 在常规测井中， 为了确定地层电阻率的真值 ， 必 须要克服厚泥浆、 侵人带的影响 ， 因此发展 了侧 向聚 焦测井方法 ， 如三侧 向测井、 七 电极侧 向测井 、 微侧 向测井和微球形聚焦测井等。以上聚焦方法都有 2 组 同性 电源 ， 一组是 主 电极用 ， 另一组 是屏蔽 电极 用 ， 由于电流线之间有相互排斥的作用 ， 主 电极流出 的电流几乎沿径 向流人地层 ， 这就大大降低 了泥浆 和侵人带对视 电阻率 的影 响。但在 隧道超 前探测 中， 电极系要位于掘进工作面上 ， 如果采用板状或环 状电极 ， 布置起来 比较麻烦 ， 因此 ， 研 究点电源 的聚 焦作用是比较合适的。 当地表有 2个 同性点 电流源 A和 A 时 如图 1 所示 ， 在 的中垂线上 ， 电流密度的矢量和为 h | 一 I h I h 。 c o s 2‘ 了 一, IT 。 Z 订 r ， l L J 由于当 _ 0和 一o 。 时， A A 中垂线下 的电流密度 为零 ， 因此 ， 在A A 下方总有一个深度 h ， 使得 电流密 度 为最大。上式两边分别对 h求偏 导数 ， 并令其 为零 ， 则有 a 一 霄 h L 0 ， h , ／ Y ／ 2 L 4 r2 ／ 4 A A 。 收稿 日期 2 0 0 9一 O 11 2 基金项 目 国家 自然科 4 0 7 7 4 0 5 7 ； 桂林工学院广西地质工程中心重点实验室开放基 金 0 7 l O 9 0 1 1 一K 0 1 9 7 3 0 物探与化探 3 3卷 A o L A ＼ ／ 。 r 图 1 聚焦装置电流密度分布 表 1 电流密度j 『 与深度 h的对应关 系 h 0 1 2 3 4 5 6 8 1 0 1 4 0 ． s ． z， ． 6 4， ． 0 4 ． 0 6 s． 0 9 3 ． 5 6 z ． 如果设电流 ， 1 A， A A 2 L 8 m， 则可 以得 出电 流密度与深度 h的关 系。表 1列 出了一组对应值 ， 可见 ， 当 h 0 ． 3 5 3 A A 一3 m时 ， 点处 的电流密度 达到最大， J 7 ． 6 m A ／ m ；当 h A A 8 m时， M A5 Aj 1 t MI 尬Mz Al A4 3 三维坑道数值模拟 点处的电流密度迅速降为 1 ． 4 4 m A ／ m 。 2 选择聚焦模式 由上面分析可知 ， 同性双点电源具有电流聚焦 作用 相对于放射状 的单点电源而言 。基 于上述 原理 ， 在坑道工作面上 ， 选择以下 3种电极组合方式 图2 a 1 4点电源方式， 即A 。 、 A 、 A ， 、 A 作为供电电 极 ， 考查包含 A 、 』 4 在 内的 断面电位分布规律 。 2 5点电源方式， 即 A 。 、 A 、 A ， 、 A 作为屏蔽电 流电极 ， A 。 作为主电流电极 ， 考查包含 A ， 、 A 。 、 A 在 内的 断面电位分布规律 。 3 9点 电源方式 ， 即 A 、 A 、 A 、 A 、 A 5 、 A 6 、 A 7 、 A 作为屏蔽电流 电极 ， A 。 作为主 电流 电极， 考查包 含 A ， 、 A 。 、 A 在内的 船 断面 ， 以及包括 A 。 一 A 。 在 内 的 断面电位分布规律。 图2 a是掘进面上供电电极布置方式 ， 测量点分 别选在 、 、 坞 处 ， 图 2 b为坑道掘进示意。 图 2 坑道掘进工作面上电极布 置示 意 坑道问题可 以看成全空间问题 ， 也就是说 ， 把坑 道当作一个 电阻率很大的异常体 ， 点电源电极放在 坑道工作面上， 测量电极也放在工作面上， 具体布极 见 图 2 。 在全空间直角坐标系中， 稳定电流场点电源电 位满足基本方程 盯 一 t s 6 Y A 6 ， 其 中， 为电导率 ， 为电位 ， 6 A 表示 以 A为中心 的 函数。 三维 电场的边值 问题是 f 0， E 地面 J l 0 ， E F 地 下 等价 的变分问题是 F u 』 【 寺 V 一 IS A 】 f z d 厂， 之 8 F 0。 有限单元法是求解上述三维 问题的最好方法。 笔者选用六面体为网格剖分单元， 电位三线性插值， 电导 率分 块 均 匀。有 限单 元 法详 细计 算 见 文献 [ 2 ] ， 这里不再赘述。 在以下模拟算例 中， 隧道位于均匀网格的中央， 6 期 阮百尧等 三维坑道直流聚焦法超前探测技术 7 3 1 隧道 电阻率设为 11 0 Q m， 围岩 电阻率 为 1 0 0 n m， 异常体 电阻率为 5 Q r n ， 网格在 、 Y 、 方 向 的节点数为 3 2 3 2 3 2 。 1 算例 1 。为了比较 3种电极系的聚焦效果 ， 按照图 2 b剖分地下介质 ， 坑道外 围为均匀 的围岩 ， 电阻率为 1 0 0 Q m， 供 电电流总和等于 1 A。模拟 结果显示 ， 在 。 点正前方 沿 方 向 ， 5电极系比4 电极系电流密度大 ， 9电极系 比 5电极系 电流密度 大。图 3 、 图4分别表示含有供 电极 A 、 A 在 内的 4 电极系和 9电极系 断面上电位与 电场 的分布 ， 其 中等值线为电位 ， 黑色箭头表示该节点的电场方向。 图 3 4电极 系 断面 电位与 电场分布 图 4 9电极系 断面 电位与 电场分布 图 5 9电极系 断面上电位与电场分布 2 算例 2 ， 模拟超前探测能力。采用 9电极系 方式 ， 同性点电源 A ， ～ A 的电流为 0 ． 1 2 5 A， 中心点 电源 A 。电流为0 ． 1 A， 在 点i 贝 0 量其电位 图5 、 图 6 。设低阻体为 2 r n 6 m1 2 m， 起始点距离工作 面 1 0 m处 ， 即图6中 0处 。每 当工作 面向前掘 进 1 次 ， 在工作面 处观测总 电位差 ， 随着工作面 靠近低阻体 ， ／ 4 。～ A 。的电流被吸引 ， 电位迅速下降， 工作面越过低阻体后 ， 点总电位逐渐恢复到正常 值 图 6 。这说 明， 通过监测 点 电位变化， 可以 达到预报工作面前方不 良地质体是否存在的目的。 图 6 9电极 系时 M2 点处 的实时电位 曲线 4 结论与建议 1 同性点电源有明显 的聚焦作用 ， 且聚焦深 度与点源间的距离成正 比。 2 在同等条件下， 9电极系布极方式 比4电极 系和 5电极系约束电流的效果都好。 3 在坑道掘进工作面上 ， 9点电源布极方式能 够探测到前方 4～ 6 m处的低阻异常体 。 参考文献 [ 1 ] 钟宏伟 ， 赵凌 ， 我 国隧道工程超前预报技术现状分析 [ J ] ． 人 民 长江 ， 3 5 9 ， 2 0 0 4 1 6～1 8 ． [ 2 ] 强建科 ， 罗延 钟． 三维地形 直流 电阻[ J ] ． 地球物理 学报 ， 2 0 0 7 ， 5 O 5 1 6 0 61 6 1 3 ． [ 3 ] 王齐仁． 灾害地质体超 前探测技 术研究 现状与思考 [ J ] ． 煤 田 地 质与勘探 ， 2 0 0 5 ， 3 3 5 ． [ 4] 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 ． [ 5 ] 刘青雯． 井下电法超前探测方法及其应用[ J ] ． 煤田地质与勘 探 ， 2 0 0 1 ， 2 9 5 ． [ 6 ] 黄俊 革 ， 王家林 ， 阮百尧 ． 坑 道 直流 电阻率 法超 前 探测 研究 [ J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 0 6， 4 9 5 ． [ 7 ] 刘盛东 ， 吴军 ， 张平松． 地下工程震 波技术 与应用 [ J ] ． 中国煤 田地质 ， 2 0 0 1 ， 1 3 3 ． [ 8 ] 张平松 ， 吴健生 ． 中国隧道及井巷地 震波法超前探测 技术研究 分析 [ J ] ． 地球科学进展 ， 2 0 0 6 ， 2 1 1 0 ． [ 9 ] 黄戡， 彭建国， 丁国华， 等． T S P 2 0 3 在雪峰山隧道施工地质超前 预报 中的应用研究[ J ] ．地质与勘探 ， 2 0 0 6， 4 5 2 ． 7 3 2 物探与化探 3 3卷 [ 1 O]方建立 ， 应松 ， 贾进 ． 地质雷达在公路隧道超前地质预报 中的应 用[ J ] ． 中国岩溶 ， 2 0 0 5 ， 2 4 2 ． [ 1 1 ] 王洪勇， 张继奎， 李志辉． 长大隧道红外辐射测温超前预报含水体 方法研究与应用实例分析[ J ] ． 物探化探计算技术， 2 O O 8 ，2 5 1 ． T HE T HE OR Y OF T HR E E D I ME N S I ONA L DC F OC US I NG RE S I S T I V I T Y T E C HN I QU E I N TUNNEL ADVANCED EXPLORATI oN R U A N B a i - r a o ， Q I A N G J i a n ． k e ， Z HO U J u n - j i e 1 De p a r t m e n t ofR e s o u r c e s a n dE n v i r o n men t E n g i n e e r i n g， G u i l i nU n iv e r s it y o fT e c h n o l o g y ，G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ．C h i n a； 2 ．C o l l e g e o fI n f o r m a t i o n a n dP h y s ． i c a l En gi n e e rin g，C e n t r a l S o u t h Un i ve”i t y，C h 。4 1 0 0 8 3 ，C h i n 口 Ab s t r a c t I n t u n n e l a d v a n c e d e x p l o r a t i o n， t h e l a t e r a l f o c u s i n g r e s i s t i v i t y me t h o d h a s b e c o me a c o mmo n me t h o d i n l o g g i n g ．T h e a u t h o r s c a r r i e d o u t r e s e a r c h e s o n t h e e l e c t r o d e a s s e mb l a g e o f t h e t h r e e - d i me n s i o n a l t u n n e l DC f o c u s i n g me t h o d ．Ba s e d o n t h e c a lc u l a t i o n a n d a ． n a l y s i s o f t h e c u r r e n t d i s t ri b u t i o n r e g u l a ri t y o f t w o l i k e p o i n t e l e c t ri c s o u r c e s ，t hi s pa pe r po i n t s o u t t h a t ，du e t o t he mut ua l r e p e l l e n c v o f t h e c u r r e n t ，t h e c u r r e n t d e n s i t y wi l l p r o d u c e t h e ma x i mu m v a l u e a t a c e r t a i n d e p t h b e l o w t h e p e r p e n d i c u l a r b i s e c t o r o f t h e t w o p o i n t e ． 1 e c t r i c s o u r c e s ，an d t h i s d e p t h i s i n d i r e c t p r o p o r t i o n wi t h t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o p o i n t s o u r c e s ．On s u c h a b a s i s．the a u t ho r s d e ． s i g n e d t h r e e k i n d s o f e l e c t r o d e a s s e mb l a g e s ，i ．e ． f o u r p o i n t e l e c t ri c s o u r c e s ，f i v e p o i n t e l e c t ri c s o u r c e s a n d n i n e p o i n t e l e c t r i c s o u r c e s ．T h e n，t h e t h r e e d i me n s i o n al fi n i t e e l e me n t d i g i t a l s i mu l a t i o n me t h o d w a s u s e d t o c alc u l a t e t h e s p a t i al p o t e n t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e s e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e ms ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e n i n e p o i n t e l e c t ri c s o u r c e t y p e c a n y i e l d f a i r l y g o o d c u rre n t b e a m b u n c h i n g e f f e c t a n d，mo r e o v e r ，t h e e f f e c t o f t h e c u rre n t s e e ms t o b e t h e b e s t w h e n t h e c u rre n t o f t h e p r i n c i p al e l e c t rod e i s l o w e r t h a n t h e c u rre n t o f t h e s h i e l d e d e l e c t r o d e ． Ke y wo r d s thr e e d i me n s i o n al t u n n e l DC f o c u s i n g me t h o d；t u n n e l a d v a n c e d e x p l o r a t i o n；r e s i s t i v i t y me t h o d ；c u rr e n t f o c u s i n g 作者简介 阮百尧 1 9 6 2一 ， 男 ， 教授， 主要从事地球物理电磁法正反演研究。 上接 7 2 5页 [ 5 ] [ 6] [ 7] 邓飞． 基 于 Q 的地震资料采集质量监控及评价 系统的开发与 研究[ D ] ． 成都 成都理工大学， 2 0 0 4 ． 潘树林． 地震 资料 采集 质量 监控 与评 价 系统 的研 究 与开 发 [ D] ． 成都 成都理工大学， 2 0 0 5 ． 王红玲， 詹毅 ， 张朝 霞． 地震资 料信噪 比估 算方法改进 [ J ] ． 物 探化探计算技术， 2 0 0 7 ， 2 9 3 1 8 9 1 9 2 ． [ 8 ] 杨永红 ， 陈传 仁． 地震资料信噪 比的定量分析 [ J ] ． 江汉石 油学 院学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 2 3 0 2 3 1 ． [ 9 ] 云美厚． 地震分辨率 [ J ] ． 勘探 地球物理 进展 ， 2 0 0 5 ， 2 8 1 1 2 1 7． [ 1 0 ]程建远． 三维地震资料微机解 释性处理技术 [ M] ． 北京 石油工 业出版社 ， 2 0 0 2 ． T HE QU AL I T Y MA N AGE ME NT I N F oR MA T I oN S YS T E M FoR 3 D SEI S M I C EXPLoRATI oN I N THE CoAL Fm LD K U A N G We i ， L I D e - c h u n ， Z H A O J u a n - j u a n ， C U I We i x i o n g S c h o o l ofR e s o u r c e s a n d E a r t h S c i e n c e s ， C h i n a U n iv e r s it e ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8， C h i na Ab s t r a c t I n t h e l i g h t o f t h e p r e s e n t r e q u i r e me n t and e x i s t e n t p r o b l e ms o f 3 D s e i s mi c d a t a a c q u i s i t i o n i n t h e c o a l fi l e d， t h e a u t h o r s印 - p l i e d t h e i n f o r ma t i o n man a g e me n t s k i l l t o t h e 3 D s e i s mi c e x p l o r a t i o n，wh i c h c o u l d r e d u c e ma n ma d e e rro r a n d i mp r o v e e ffic i e n c y ．Ac - c o r d i n g t o the d e ma n d s o f the e x p l o r a t i o n p a r t y a n d c o al mi n e man a g e r ，t h e q u a l i t y ma n a g e me n t i n f o r ma t i o n s y s t e m f o r 3 D s e i s mi c s u r - v e y e x p l o r a t i o n i n t h e c o al fi e l d wa s d e v e l o p e d ．T h e ma i n f u n c t i o n s o f t h i s s y s t e m i n c l u d e are a ma n a g e me n t ，fi l e mana g e me n t ，s h o t g e - o p h o n e d i s t rib u t i o n，f o l d c alc u l a t i o n，c o n s t r u c t i o n are a s t a t i s t i c s ，s h o t t o g e o p h o n e d i s t a n c e o r o r i e n t a t i o n a n g l e d i s p l a y ，s e i s mi c d a t a q u ali t y an aly s i s an d e v alu a t i o n e t c ．T h e a p p l i c a t i o n o f t h i s s y s t e m t o a c t u a l p r o d u c t i o n h a s y i e l d e d s a t i s f a c t o r y r e s u l t s ． Ke y wo r d s 3 D s e i s mi c e x p l o r a t i o n ； c o al mi n i n g ； ma n a g e me n t i n f o rm a t i o n s y s t e m ； q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s 作者简介 匡伟 1 9 8 3 一 ， 男， 汉族 ， 江苏丹阳人， 全 日 制硕士研究生， 就读于江苏徐州中国矿业大学资源学院固体地球物理专 业， 主要从事于煤田地震勘探野外资料采集与解释工作 ， 公开发表学术论文数篇。