孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟.pdf

Vol. 16,No. 5 Sep . , 2019 第16卷第5期 程忆球物罟毅 2019 年 9 月 CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICS 中文引用格式刘英.孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟中文引用格式刘英.孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟［J］.I程地球物理学报程地球物理学报,2019,165706-712. 英文弓英文弓［用格式用格式Liu Ying. Numerica l a nd physica l simula tion of threedimensiona l a dva nced detection by borehole resistivity J|. Chinese Journa l of Engineering Geophysics,2019,165 706-712. 孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟 刘英 中国铁路设计集团有限公司，天津300251 摘 要目前铁路隧道水文超前探测方法存在诸多难点，常规超前地质预报方法对富水区定位存在多解性、 方向性差等问题。利用既有的隧道超前水平钻，在其中布置电阻率测线进行孔中电阻率法探测，不但可以扩 大钻孔勘探范围，提高钻孔利用率，同时测线靠近异常体能大大地提高电阻率法勘探精度。首先对地质条件 进行简化,建立地电模型，在钻孔中布置高密度电阻率法观测系统，并添加相应的异常体;然后对该模型进行 数值模拟，得到预期效果后，进行实验室水槽实验。结果表明孔中电阻率法能准确地定位钻孔周围异常体方 位及分布范围，提高探测精度,克服电阻率法多解性、方向性差等难点，效果良好,可实现对隧道掌子面前方富 水异常区等地质异常体的预测与评价,具有实际应用潜力。 关键词直流电法;高密度电法;钻孔；三维;超前地质预报 中图分类号P631.3 文献标识码A 文章编号16727940201905070607 doi 10. 3969/j. issn. 1672-7940. 2019. 05. 025 Numerica l a nd Physica l Simula tion of Three-dimensiona l Adva nced detection by Borehole Resistivity Liu Ying {China Railway Design Group Co. , Ltd. , Tianjin 3002519China Abstra ct At p resent, there are many d ifficulties in the ad vanced hyd rological d etection of railway tunnels. The conventional ad vanced geological p red iction has many d ifficul ties in locating water rich areas, such as multi solution and p oor d irectionality. If arran ging resistivity measurement lines for inhole resistivity d etection by using existing ad vanced tunnel d rill, the exp loration range of borehole can be enlarged , the utilization rate of the borehole is imp roved 9 and the exp loration accuracy of resistivity can be greatly imp roved as the measurement lines are close to the anomalous bod y. In this p ap er, firstly, the geological cond itions are simp lified to establish the geoelectric mod el, the observation system of high d ensity resistivity is arranged in the borehole and corresp ond ing ab normal bod ies are ad d ed . And then the mod el is numerically simulated・ When the exp ected effect is obtained , the laboratory flume exp eriment is carried out. The results show that the 收稿日期收稿日期2019-06-30 作者简介刘 英作者简介刘 英1987 ,男，工程师，硕士，主要从事工程物探工作。男，工程师，硕士，主要从事工程物探工作。E-ma il cumtliuyingqq. com 第5期 刘 英孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟 707 borehole resistivity can accurately locate the orientation and d istribution range of ab normal bod ies around the borehole, imp rove the d etection accuracy, overcome the d ifficulties of multip le solutions and p oor d irectivity of the resistivity , and achieve good results, which can realize the p red iction and uation of geological abnormal bod ies such as water rich abnormal areas in front of tunnel face, and has p ractical ap p lication p otential. Key words d irect current ； high d ensity； d rilling； three d imensional； ad vanced geo logical p red iction 1引言 我国是世界上水文地质条件最为复杂的国家 之一，突水、突泥等事故对隧道掘进影响异常巨 大,造成隧道停工、停产等案例屡见不鲜。通过深 入研究隧道水害发生的位置和原因，发现掘进面 前方及洞身周围20〜30 m范围内是突水事故易 发的关键区域和危险区域，预先精细探明这一范 围内的富含水体情况，可以有效防止突水事故的 发生口②。目前隧道施工过程中掌子面前方富水 区超前探测主要依靠钻探、红外探测、地质雷达、 地震波反射法等传统方法卩呵。其中钻探法最直 接可靠，是目前主要的探放水方法，由于单个钻孔 只能揭示一个点的含水信息，要充分探明掘进头 前方和周围的水文地质情况需要多个钻孔，大大 增加了工程和时间费用,不易执行到位E-12] O 孔中电阻率法，可结合既有钻孔进行,通过在 孔中布置供电与测量电极，近距离对钻孔周围的地 质信息进行全方位探测，从而使得钻孔不再是点或 线的一维探测，而是三维全空间的体积勘察。该方 法大大提高了钻孔的信息利用率，扩大了钻孔的勘 探范围E1315] o通过在隧道掘进面布置有限数量的 钻孔即可全面了解隧道掘进面前方洞身及洞身周 围地质情况,能够更加有效地确保隧道的安全掘 进,为铁路建设、隧道开挖节约成本,提高效率。 2孔中三维电阻率法介绍 孔中电阻率法可利用隧道掘进过程中既有的 超前水平钻孔，在孔中布置供电、接收电极，从而 探测钻孔周围或钻孔之间地质异常信息〔“呦o实 际操作过程中直接将电极布置在钻孔内，形成一 个近似封闭的全空间图1,因此该方法以全空 间直流电阻率法理论为基础。由于钻孔体积相对 于勘探范围很小，可将钻孔看做全空间当中的一 仪石 图1孔中高密度电阻率法探测示意图 Fig. 1 Borehole resistivity p red iction schematic d iagram 条直线，忽略钻孔的体积大小即钻孔中高阻空气 的影响。 根据场论理论，当三维空间内充满均匀各向 同性介质时，视电阻率表达式为 4ttA17mv ‘I 1 , 1 1、t P ------T----- ----- _ ----- ----- _ ----- 丄 AM rAN rBN rBM K 1 当介质电性非均匀时，全空间视电阻率Ps表 达式为 KAUmv J MN ZQX j JTPmn ⑵ 其中，K为比例系数，其表达式为 1 1 1 1 -1 K 4兀丄一丄 丄一丄 3 AM AN rBN 式中，AUmv为m、n间电位差V； rMN为 M、N距离m ； PMN为M、N间介质的真电阻率 1 m； 为M、N间的实际电流密度A/ m2； Jo为全空间内充满均匀介质时的电流密度 A/m2 o 3数值模拟 3.1过程概述 数值模拟的处理过程大致可分为两步。首 先，基于对地下电阻率分布状态的假设和电极的 排列生成一个人工合成的数据集，即建立命令文 件，设置模型参数、电极坐标以及电极跑极方式 708工程地球物理学报Chinese Journal of Engineering Geop hysics第16卷 等。该步骤是虚拟勘探，也称作正演模拟。通过 运行虚拟勘探过程，采集数据,产生数据体。在此 过程中，首先建立命令文件，规定电极的坐标和电 极的布置以及跑极方式，圈定模拟空间。在此模 型当中加入预设异常体，设置异常体的电阻率值 以及背景电阻率值等参数。 数值模拟的第二步即反演模拟或反演建模。 通过正演模拟勘探得到的数据重建地下电阻率分 布模型。利用正演模拟得到的数据进行反演是一 个非线性迭代过程，主要工作是参数的选择，包括 反演终止标准、迭代次数、最大均方根误差、共辄 梯度迭代次数、最大最小电阻率设置等。最终的 反演结果通过各个方向的静态切片图、动态切片 图、视电阻率等值线图等多种结果形式反映三维 空间电阻率的分布信息。 3.2建立地电模型 为了获取更加真实的效果，数值模拟过程中， 在简化问题的前提下，主要依据隧道开挖的实际 情况建立本文地电模型。所建立的地电模型，考 虑了均匀地质体中已开挖隧道高阻空间存在情 况，隧道断面4 mX4 m,长度14 m,隧道掌子面 位于Z轴0 m位置。超前探测钻孔在巷道迎头 向Z轴负方向布置，探测迎头面前方钻孔附近地 质异常。隧道部分设置电阻率100 000 n m,低 阻异常体电阻率设置为10 n m,模型背景电阻 率为 100 Q, m。 在掌子面前方设置4个钻孔，钻孔位置如图 2所示，为了更好地利用钻孔资源，同时与超前水 图2地电模型 Fig. 2 Mod el of multip le boreholes resistivity 平钻探实际布置情况更加符合,钻孔放射状布置， 模型中分别向斜上方、斜下方以及两侧斜前方布 置4个钻孔，钻孔外插角27。探测所有钻孔所包 围范围内的地质情况。每个钻孔水平方向长度 50 m,布置26根电极。电极间距水平距离2 m, 垂宜距离lm。此过程中，通过改变地电模型参 数，综合分析孔中电阻率法的应用效果。 模拟勘探过程，利用多重偶极装置 AB-MN,增加三维空间接收的电阻率值信息 以及数据的覆盖次数。数据采集过程中，与普通 偶极装置不同的是，AS电极间距也不断地变化， 在本次模拟勘探过程中，AB电极间距设置为1、 3、5、7、9五个供电电极距，依次变化，当某两个电 极供电时，其余电极全部参与测量。 3.2正演数值模拟及结果分析 3. 3. 1 单一低阻异常体地电模型 本节在掌子面正前方23〜27 m处设置大小 为4 mX4 mX4 m大小的低阻异常体，背景电阻 率值设置为1 000 1 m,低阻异常电阻率设置为 100 Q mo通过数值模拟，可得到反演的视电阻 率值在三维空间的分布情况，通过视电阻率动态 切片、静态切片、等值面图等多种显示结果，直观 地反映出钻孔间电阻率法的探测效果。为了更加 直观地显示低阻异常的分布范围，在视电阻率等 值面图中，对高阻等值面进行了透明化处理，只显 示低阻信息。模拟结果如图3和图4所示。 由图3和图4的成果图可以看出，钻孔间电 阻率法放射状钻孔布置,对低阻异常体响应良好， 与异常体相比，异常范围稍大，但异常的中心位置 与预设异常体基本吻合，总体上模拟结果达到了 预期效果。 3.3.2多个异常体地电模型 为了使模型更加接近真实情况，在此布置两 个异常体，主要是检验钻孔电阻率法在多异常体 存在情况下异常体之间的干扰情况，确定其是否 能够分辨出多个异常体存在，同时验证该方法对 高阻异常体的响应特征。 具体在隧道掌子面正前方12〜16 m处布置大 小为4mX4mX4m的高阻异常体;在隧道掌子面 前方26〜30 m处，布置大小为4 mX4 mX4 m的 低阻异常体，数值模拟结果如图5和图6所示。 由图5和图6的反演结果可知，反演结果的 各个成果图中能够反映出巷道前方多个异常体的 存在,分辨能力及对高阻体响应满足预期。 第5期 刘 英孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟 709 Resistivity/Q . m 964 975 987 999 1011 图3单个异体视电阻率值切片 Fig. 3 The ap p arent resistivity sections of single anomalous bod y 图4实际模型与视电阻率等值面图对比 Fig. 4 The comp arison of actual mod el and ap p arent resistivity isosurface 975 994 1013 1033 1052 图5多个异常体视电阻率值切片 Fig. 5 The ap p arent resistivity sections o multip le anomalous bod ies 710工程地球物理学报Chinese Journal of Engineering Geop hysics第16卷 图6地电模型与视电阻率值等值面图对比 Fig. 6 The comp arison of actual mod el and ap p arent resistivity isosurface 3.3.3 数值模拟综合分析 综合分析以上数值模拟结果，在目标勘探范 围内，该孔中电阻率法三维观测系统对异常体定 位精准，高阻与低阻异常区分明显，且通过不同方 式的结果展示，可以选择性保留有效的地质异常 体的电阻率响应信息,效果令人满意,为下一步物 理模拟及后期实际应用奠定了理论基础。 4物理模拟 4.1过程及模型参数概述 物理模拟在实验室水槽中进行，如图7所示。 本节参照钻孔电阻率法数值模拟中建立的地电模 型，在掌子面正前方布置四个钻孔,孔中铺设高密 度测线，利用四条测线探测钻孔包围区域的地质 情况,验证钻孔电阻率法在真实地电条件下的应 用效果。 模型当中，每条测线利用16根电极，电极间 距4 cm,共利用电极64根,利用铜棒模拟低阻异 常体，模型中铜棒高度20 cm,直径6. 5 cm,放置 在四条测线中间，整体勘探装置垂宜放置在水槽 当中，水槽深80 cm。 数据采集过程当中首先对水槽背景电阻率进 行了测量，然后加入异常体铜棒，探测低阻异常 体存在时视电阻率的分布情况。 4.2模拟过程及结果 在物理模拟过程中，首先对实验室水槽中的 背景电阻率分布进行观测，结果见图8,在得到背 景视电阻率分布后，模型空间中加入铜棒作为低 阻异常体后,观测异常体探测成果，见图9。 由图8背景视电阻率反演结果可以看出，在 测线附近与测线近乎平行区域视电阻率值相对勘 a 模拟电极实物模拟电极实物b物理模型实物物理模型实物 图7模拟电极及物理模型实物 Fig. 7 Simulated electrod e material and p hysical mod el 第5期 刘英孔中电阻率法三维超前探测数值与物理模拟 711 探范围中心部位出现高阻或者低阻的异常条带， 勘探范围中心区域视电阻率分布较为均匀，对加 入异常体之后的数据解释，影响不大。 在测线中间加入铜棒作为异常体之后，由图 9的探测结果图可以看出 1 在图9中方框圈定区域的视电阻率值相对 方框两侧的视电阻率值较低，此外，在图9a中 上方与下方测线在铜棒所在位置均出现了低阻异 常区域突起，且上下两处低阻异常近乎相连，通过 与背景探测结果比较可知，此处为低阻铜棒影响。 2 图9b为探测结果在Y轴方向的切片，低 阻反应没有X轴方向切片明显，上方测线附近出 现两处高阻异常区域如图中方框圈定位置，两 处高阻之间区域与X轴切片上低阻异常范围对 应,对比背景视电阻率探测结果，此处反应也为低 阻铜棒响应。 图8钻孔间电阻率法背景视电阻率反演结果 Fig. 8 Background ap p arent resistivity of multip le boreholes resistivity Resistiwly Zil m 70C 932 1241 1652 2200 a 丫方向视电阻率分布丫方向视电阻率分布bX方向视电阻率分布方向视电阻率分布 图9加入异常体视电阻率值切片 Fig. 9 The ap p arent resistivity sections with anomalous bod y 4.3结果分析 综合分析水槽模型探测结果，各结果图中低 阻异常响应相对较弱，但是可通过低阻异常的分 布趋势大致分析出低阻异常体的存在位置以及分 布范围。 物理模型探测结果的最终探测效果与数值模 拟结果存在一定的差异，主要有三方面的原因首 先，由于实验环境的限制，物理模型较为粗糙，只 能大致反应该观测系统的探测效果;其次，由于水 槽空间限制以及电极模型的布置方式，探测装置 垂直放置在水槽中，测线尾部与水槽底部距离较 近,对电场分布有一定的影响；最后，由于模型当 中模拟电极固定在塑料板上，模型放入水中之后， 塑料板有一定程度的变形，因此铜棒并非在四条 测线的正中心，距离每条测线的距离有差别，从而 并未出现数值模拟时低阻异常范围对称分布的效 果。 5结语 5.1结论 1孔中电阻率法三维超前探测是从三维勘 探、三维解释角度在隧道掌子面钻孔对前方异常 体进行定位，其探测结果更加明显,能够直观地看 712工程地球物理学报Chinese Journal of Engineering Geop hysics第16卷 出异常体的延展趋势。数值模拟结果从理论上说 明了孔中电阻率法能够有效探测掘进面前方以及 旁侧地质异常体。 2 物理模拟结果当中，钻孔电阻率法模拟结 果与数值模拟部分得到的结果较为接近，探测的 最终成果与实际模型较为吻合；由于跑极方式以 及水槽空间的限制，探测成果与数值模拟部分存 在一定程度的误差，结果图中低阻异常体响应相 对较弱，但是仍然能够通过视电阻率在探测成果 图当中的分布趋势大致分析出低阻异常体的位置 以及分布范围。 3 与普通的直流电阻率法超前探测相比，孔 中电阻率法超前探测电极布置在钻孔当中，大大 减弱了巷道空间对三维全空间电场分布的影响。 此外，钻孔是直接布置在异常区域附近，距离异常 区域很近，减弱了体积效应的影响，提高了宜流勘 探的精度。 5.2展望 本文中利用数值模拟以及物理模拟方法，对 孔中电阻率法超前探测进行了一定程度的研究， 由于实验条件以及笔者个人能力限制，并没有对 该方法进行全面的研究，在某些方面还存在着一 些值得改进的地方 1 文中默认勘探范围仅存在于钻孔之间，当 异常体在勘探范围之外时，对于勘探结果的影响， 本文没有涉及，此外钻孔间电阻率法超前探测的 范围与钻孔张角之间的关系，也有必要进行详细 的分析。 2 理论模型与实际工作环境存在一定程度脱 节,如何利用更少的钻孔获取足够的地质信息，是 今后研究的重点。 参考文献 [1] 刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用 [M],徐州冲国矿业大学出版社,2005. 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