三维坑道直流聚焦法超前探测的电极组合研究.pdf

第 5 3 卷 第 3期 2 0 1 0年 3月 地球物理学报 CHI NES E J 0URNAL OF GE 0P HYS I CS V0 I ． 5 3 ，No ． 3 M a r ．，2 01 0 强建科 ， 阮百尧 ， 周俊杰． 三 维坑 道直 流 聚焦 法超 前探 测 的电极 组合 研 究． 地球 物理 学报 ， 2 0 1 0 ， 5 3 3 6 9 5 ～6 9 9 ， D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 0 0 1 5 7 3 3 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 4 Qi a n g J K，Ru a n B Y，Z h o u Z J ． Re s e a r c h o n t h e a r r a y o f e l e c t r o d e s o f a d v a n c e d f o c u s d e t e c t i o n wi t h 3 D DC r e s i s t i v i t y i n t u n n e 1 ．C h i n e s e J．Ge o p h y s ． i n Ch i n e s e ，2 0 1 0 ，5 3 3 6 9 5 ～ 6 9 9 ， DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 0 0 1 5 7 3 3 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 4 三维坑道直流聚焦法超前探测的 电极组合研究 强建科 ， 阮百尧 ， 周俊杰 1中南大学信 息物理工程学院 ， 长沙4 1 0 0 8 3 2桂林理工大学资源与环境工程系 ， 桂林5 4 1 0 0 4 摘要在坑道超前探测方法中 ， 直流电阻率法原理和操作简单 ， 应用前景广阔 ， 其中侧 向聚焦 电阻率 法应用在测 井 中已经成为一种常用方法． 本文研究 了三维坑道直流聚焦 法 电极组 合 ， 首 先计算分 析 了两个 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． 基于上述原理 ， 设计 出三种电极组合 四点 电源 、 五点 电源 和九 点电源布极方式． 其次 ， 用三维有限单元数值模拟的方法计算 了上述三种电极 系的空 间电位分布 ， 得 出九点 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． 关键词超前探测 ， 电阻率法 ， 电流聚焦 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 0 0 1 5 7 3 3 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 4 中图分类号P 6 3 1 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 9 - 3 0 ， 2 0 0 9 1 2 0 8 收修定稿 Re s e a r c h o n t he a r r a y o f e l e c t r o de s of a dv a nc e d f o c u s d e t e c t i o n wi t h 3 D DC r e s i s t i v i t y i n t u nne l QI ANG J i a n - Ke ，RUAN Ba i Ya o 孙 ，ZHOU J u n J i e 1 S c h o o l o f I n f o Ph y s i c s a n d Ge o ma t i c s E n g i n e e r i n g， C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a 2 De p a r t me n t o f Re s o u r c e s＆ E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g， G u i l i n U n i v e r s i t y o f T 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 Ab s t r a c t I n t h e t un ne l f o r wa r d d e t e c t i o n m e t ho d s，DC r e s i s t i v i t y me t h o d ha s a g o o d a p pl i c a t i o n p r o s pe c t be c a u s e of i t s s i m p l e pr i n c i p l e a nd o pe r a t i o n，a nd l a t e r a l f oc us e d r e s i s t i v i t y me t ho d ha s be c o me a c o m mon l y u s e d m e t ho d i n we l l l o gg i n g．Th i s p a p e r s t ud i e s t he e l e c t r o de c o mbi n a t i o n o f 3 D t u nne l DC f o c us e d me t h o d．At f i r s t ，t he a ut ho r s c a l c u l a t e a nd a n a l yz e t he c ur r e n t d i s t r i bu t i o n of t wo p o i nt po we r s ou r c e s wi t h t h e s a me e l e c t r i c a l pr o pe r t y， a n d i nd i c a t e t h a t a s c ur r e n t s e x c l u d e e a c h o t h e r ，c u r r e n t d e n s i t y h a s a ma x i mu m a t a c e r t a i n d e p t h a l o n g 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 he t wo p o i nt po we r s o ur c e s a n d t h e d e p t h i s di r e c t l y p r op o r t i o na l t o t h e d i s t a n c e b e t we e n t he m ． Ba s e d o n t he a b ov e r e a s on s， t he a ut ho r s wo r k o ut t hr e e k i nd s o f e l e c t r o de c o mbi n a t i on sf o ur p o i nt p o we r s o ur c e，f i v e p o i nt p o we r s o ur c e a nd n i ne p o i nt po we r s ou r c e ． I n a dd i t i o n，t he s p a c i a l p o t e n t i a l di s t r i b ut i on s of t h e t hr e e k i nd s o f e l e c t r o de s ys t e m s a r e c a l c ul a t e d b y 3 D FEM ，a n d we c a n f i n d t h a t t h e n i n e p o i n t p o we r s o u r c e mo d e h a s a g o o d c u r r e n t f o c u s i n g e f f e c t ． Fu r t he r m o r e，wh e n t he ma i n e l e c t r o de c ur r e n t i S l e s s t ha n t he s hi e l d e l e c t r o de c ur r e nt ， 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 4 0 7 7 4 0 5 7 ， 4 0 9 7 4 0 7 6 ， 桂林工学 院广西地质工程中心重点实验室开放基金 0 7 1 0 9 0 1 1 - K 0 1 9 资助 作者简介强建科 ， 男 ， 1 9 6 7年生， 博士 ， 副教授 ， 从事地球物理电磁法正 、 反演研究． E ma i l q i a n g j i a n k e 1 6 3 ． e o m *通讯作者阮百尧 ， 男 ， 1 9 6 2年生 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事 电磁法正演模拟和反演成像研究． E - ma i l r b y g t i t e ． e d u ． e n 6 9 6 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J ．G e o p h y s ． t h e f o c u s i ng e f f e c t i s t he be s t ． Ke y wo r d s Fo r wa r d s ur v e y i n g，Re s i s t i v i t y me t ho d，DC f o c u s e d m e t h od 1 引 言 坑 道超前 探测对 预报 矿 山、 隧道 、 地 下工程 建设 等方面的地质灾害发挥了巨大的作用 ， 国内外专家 已经研 究 出许 多 方 法 ， 如地 震 三 分 量 TS P法 、 无 线 电波透 视法 、 地 质 雷达 法 、 瞬 变 电磁 法 、 直 流 三极 电 测深法 等_ 1 卅] ． 直流电阻率法由于原理 比较简单在坑道超前探 测 中得 到广泛 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 的 进 展 ， 德 国 GE OHYD R AUL I C DA TA 公 司 在 2 O O 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 AM B o r e Tu n n e l i n g E l e c t r i c a l Ah e a d Mo n i t o r i n g E l o 3 ． 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． 常 用 的三 极 超 前 预 报 法 最 大 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的坑道形态 、 不 同 的旁侧影响、 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． 本 文 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 掌子面 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 ， 结果显示， 同电性电极系有很好的聚焦作 用 ， 能够用 于超前探 测． 2 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、 侵入带的影响 ， 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几种 ， 以上聚焦方法都 有两组同性电源， 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， 电极系要位于掘进掌子 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． 在均匀大地条件下， 当地表有两个同性和同电 流的点 电流源 A和 A 时 如 图 1 所示 ， 在 A A 的 中垂 线上 ， 电流 密度 的矢量 和为 一 2 。 一 2 争 一 h ’ 1 式中， 为点电流源A 和A 的供 电电流； 其余符号 的意义 参见 图 1 ． A 0 L ＼ 』 图 1 聚焦装置电流密度分 布 Fi g ．1 Cu r r e nt d e ns i t y di s t r i b ut i on of f o c u s e d s ys t e m 由于 当 一0和 矗 一 。 。 时 ， AA 中垂线 下 的电流 密度为零 ， 因此 ， 在 下方总有一个深度 h使得 电流密度 为最大． 上式两边对 h求偏导数 ， 并令 其为零 ， 则有 a j 2 一 L／ 一 。 ， 2 a 矗 7 c 0 0 ’ ⋯ 一 雩 L 一 4 --． 3 如 果设 电流 I 一1 A， AA 2 L， L一8 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 如 图 2所示 ， 当 h 一0 ． 3 5 3 AA ≈ 3 m 时 ， M 点处 的电流 密度达 到最 大 一7 ． 6 mA／ m ； 当 h 一 1 0 m 时， M 点处的电流密度迅速降为 2 ． 5 5 mA／ m ． 表 1 电流密度 ．， 与深度 h的对应值 Tab l e 1 Th e c o r r e s p o nd i n g v a l u e s o f c u r r e n t d e n s i t y 1 a n d d e p t h h h ／ m 0 1 2 3 4 5 6 8 1 0 1 4 mA 。m o 4 5 1 2 7 6 4 - 0 4 0 6 5 0 9 。 5 5 5 - 3 期 强建科等 三维坑道直流聚焦法超前探测 的电极组合研究 6 9 7 6 E {4 o 4 8 1 2 1 6 m 1 4点电源方式 ， 即 A 、 A 、 A。 、 A 作为供电 电极， 考查包含 A3 、 A 在内的XZ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 XZ断面电位分布规律 ； 3 9点 电源 方 式 ， 即 A 、 A 、 A。 、 A 、 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 XZ断面以及包括 A ～ A。 在内的Y Z断面电位分布规律． 图 3 a是坑道掘进示意 图， 图 3 b是掘进掌子面 上供电电极布置方式， 测量点分别选在 M 、 、 处． 图 2电 流 密 度 与 深 度 的 变 化 曲 线 Fi g． 2 Cur r e nt de n s i t y c ha ng e s wi t h d e pt h 4 三维坑道数值模拟 3 选择聚焦模式 坑道 问题 可 以看成 全空 间问题 ， 也就是 说 ， 把 坑 由上面分析可知， 同性双点电源具有 电流聚焦 道当作一个电阻率很大的异常体 ， 点 电源电极放在 作用 相对于放射状的单点 电源而言 ． 基于上述原 坑道掌子面上， 测量电极也放在掌子面上 ， 具体布极 理， 在坑道掌子面上， 选择以下三种 电极组合方式 见 图 3示意图． 图 3 坑道掘进掌子面上电极布置示 意图 Fi g ． 3 Th e e l e c t r o d e d i s t r i b u t i o n mo d e i n t u n n e l wo r k i n g f a c e 在全 空 I司直角 坐 标 系 中 ， 稳 定 电流 场点 电源 电 位满 足 的基 本 方程为 考 委 罄 一一 z A A z A ． 4 其 中， 为电导率 ， 为电位 ， A 表示 以 A 为中心 的 函数． 三维 电场的边值问题是 I _ 0 ∈ -P s g r o u n d _c o s r , n “一 o ， ∈ ⋯n a e ⋯ d ， ’ 等价 的变分 问题 是 F “ 一I 1 寺 V 一I d A u ld O J n L 厶 J 1 f-a c o s r , n u z d F 6 厶 J r∞ r F 一 0 ． 有 限单元法是求解上述三维问题 的最好方法， 本文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[ 1 1 ， 1 2 ] ， 这里不再赘述． 在以下算例模拟中， 隧道放在均匀网格中央 ， 隧 道电阻率设为 1 1 0 Q m， 围岩 电阻率为 1 0 0 Qm， 异常体 电阻率为 5 Qm， 网格在 z、 Y 、 z方 向的节点 数为 3 2 3 2 3 2 ． 3期 强建科等 三维坑道直流聚焦法超前探测的电极组合研究 6 9 9 5 结论与建议 通过 上述研 究得 出 1 在稳定电流场中， 地表两个相距一定距离的 同性点电源之间， 其 中垂线上 电流密度总存在一个 极大值 ， 此极大值的埋深与点电源之间的距离成正比． 2 在三维坑道环境下 ， 掌子面上具有主、 副两 套同性电源的 9 点电极系布极方式 比4点电极系和 5 点 电极系聚束电流的效果更佳． 3 模型计算 表明， 在坑道掘进掌子面上 ， 9点 电源系布极方式能够探测到前方 4 ～8 I T I 处的低阻 异常体 ， 如果加大电流， 能够探测更远一些． 4 建议进一步做物理模拟实验 ， 验证上述数值 模拟结果． 参 考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 王齐仁．灾 害地质体超前探测技术研究现状与 思考．煤 田地 质与勘探 ， 2 0 0 5 ， 3 3 5 6 5 ～6 9 W a n g Q R．Re s e a r c h a c t u a l i t y a n d c o n s i d e r a t io ns o n t h e f o r wa r d d e t e c t i n g t e c h n o l o g y f o r h a z a r d g e o l o g i c a l b o d y ．Co al Ge o l o gy Expl o r a t i o n i n Ch i n e s e ，2 0 0 5， 3 3 5 6 5 ～ 6 9 [ 2] 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．煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 0 ， 2 8 4 6 0 6 2 Ch e n g J L，Wa n g Y H ，Yu S J ．Th e p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e s u r v e y i n g i n r o a d wa y e xc a v a t i o n by r e s i s t i v i t y me t h o d ．Co a l Ge o l o g y Ex pl o r at i o n i n Ch i n e s e ，2 0 0 0， 2 8 4 6 O ～ 6 2 [3] 刘青雯．井 下 电法超前 探测 方法及 其应用．煤 田地 质 与勘 探 ，2 0 0 1 ， 2 9 5 6 0 ～ 6 2 L i u Q W ，Un d e r gr o u n d e l e c t r i c a l l e a d s u r v e y m e t h o d a nd i t s a p p l i c a t i o n ． Co a l Ge o l o g y Expl o r a t i o n in Ch i n e s e ， 2 0 0 1，2 9 5 6 O ～ 6 2 [ 4] 黄俊革 ， 王家林 ，阮百尧．坑道直流 电阻率法超前探测研究 ． 地球物理学报 ，2 0 0 6 ，4 9 5 1 5 2 9 ～1 5 3 8 Hu a n g J G，W a n g J L，Ru a n B Y． A s t u d y o n f o r wa r d d e t e c t i o n u s ing DC r e s i s t i v i t y me t h o d i n t u n n e 1 ．Ch i n e s e J． Ge o ph ys ． i n Ch i ne s e ，2 0 0 6， 4 9 5 1 52 9～1 5 3 8 [5] 刘盛东， 吴军， 张平松．地下工程震波技术与应用．中国煤 田地质 ，2 0 0 1 ， 1 3 3 5 9 6 1 Li u S D，Wu J ，Zh a n g P S ． Te c h n i q u e a n d a p p l i c a t i o n o f s h o c k wa v e i n u n d e r g r o u n d p r o i e c t ．C o a l G e o l o g y o f C h i n a i n Ch i n e s e ，2 0 0 1，1 3 3 59 ～6 1 [ 6] 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．地球科学进展 ，2 0 0 6 ，2 1 1 0 1 0 3 3 1 0 3 8 Zh a n g P S，W u J S． Re s e a r c h a n d a n a l y s i s o f f o r wa r d p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y u s i n g s e i s mi c r e f l e c t i o n wa v e i n t u n n e l a n d l a n e wa y i n Ch i n a ． Adv a nc e s i n Ear t h Sc i e n c e i n Ch i ne s e ，2 0 0 6，21 1 O 1 0 3 3 ～ 1 0 3 8 [7] 黄戡 ， 彭建国 ， 丁 国华等．TS P 2 0 3在雪峰 山隧道施工地质 超前预报 中的应 用研 究．地 质与 勘探 ，2 0 0 6 ， 4 5 2 1 0 3 ～ 1 0 6 Hu a n g K，Pe n g J G，Di n g G H， e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o f TS P2 0 f o r g e o l o g i c a l f o r wa r d p r e d i c t io n i n Xu e f e n gs h a n t u n ne 1 ． Ge o l o g y an dPr o s pe c t i n g i n Ch i n e s e ，2 00 6 ， 4 5 2 1 0 3 ～ 1 0 6 [8] 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．中国岩溶 ，2 0 0 5 ， 2 4 2 1 6 0 ～1 6 3 Fa n g J L，Yi n g S，J i a J ． Ap p l i c a t i o n o f GPR i n ge o l o g i c a l f o r e c a s t f o r h i g h wa y t u nn e l s ． Ca r s o l o gi c a Si n i c ai n Ch i ne s e ，2 0 0 5， 2 4 2 1 6 O ～ 1 6 3 [9] 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．物 探 化 探 计 算 技术 ， 2 0 0 3， 2 5 1 1 1 ～ 1 7 Wa n g H Y，Zh a n g J K，L i Z H．Th e t h e o r y a n d c a s e a n a l y s i s f o r p r e d i c t i o n o f wa t e r - b e a r i n g b o d i e s i n o v e r - l e n g t h a n d o v e r - s i z e t u n n e l u s i n g i n f r a r e d r a y m e t h o d ．Co mpu t i n g Te c h n i q u e s } o r G e o p h y s i c a l a n d Ge o c h e mi c a l E x p l o r a t i o n i n C h i n e s e ， 2 0 0 3，2 5 1 1 1 ～ 1 7 [ 1 o 3 钟宏伟 ，赵凌．我 国隧道工程超 前预报技术 现状分析．人 民长江 ，2 0 0 4， 3 5 9 1 6 ～1 8 Zh o n g H W ， Z ha o L． An a l y s i s o f s t a t u s - q uo o f f o r wa r d p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y of Chi n e s e t u n n e l wo r k s ． Ya n g t z e Ri v e r i n Ch i n e s e ，2 0 0 4， 3 5 9 1 6 ～ 1 8 [ 1 1 ] 阮百尧 ， 熊彬．电导率连续 变化的三维 电阻率测 深有 限元 模拟．地球物理学报 ，2 0 0 2 ， 4 5 1 1 3 1 ～1 3 8 Ru a n B Y ， Xi o n g B． A f i n i t e e l e me n t mo de l i n g o f t h r e e - d i me ns i o n a l r e s i s t i v i t y s o u n d i n g wi t h c o n t i n u o u s c o n d u c t i v i t y ．Ch i n e s e J． Ge o p h ys ． i n Ch i ne s e ，2 0 0 2， 4 5 1 1 3 1 ～ 1 3 8 [ 1 2 3 强建科 ，罗延钟．三维地形直 流电阻率有 限元法模拟．地球 物理学报 ，2 0 0 7 ， 5 0 5 1 6 0 6 1 6 1 3 Qia n g J K， Lu o Y Z ． Th e r e s i s t i v i t y FEM n u me r i c a l mo d e l i n g o n 3 - D u n d ul a t i n g t o po g r a p h y ． C hi n e s e J． Ge o ph y s ． i n Ch i ne s e ，2 0 0 7， 5 0 5 1 6 0 6 ～ 1 6 1 3 本文编辑汪海英