井巷直流电法三维超前探测数值模拟.pdf

第 1 O卷 第 2期 2 0 1 3年 3月 工程 球物理学 赧 CHI NE SE J OURNAL OF ENGI NEERI NG GE0P HYS I CS Vo 1 ．1 0． No ．2 M a r ．，201 3 文章 编号 1 6 7 2 7 9 4 0 2 0 1 3 O 2 0 2 O 0 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 7 9 4 0 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 5 井巷直流 电法 三维超前探测数值模拟 杨华 忠，胡雄武 ，张平松 安徽理工大学 地球与环境学院 ， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 井巷掘进过程中， 不良地质条件 如破碎带、 软弱夹层、 断层构造、 陷落柱和采空区等 常给生产和安 全带来严重影响 ， 因此必须对其进行超前 预测 与预报 。井巷 直流 电阻率法对 岩层富水反应敏感 ， 目前 已广泛 应用于井巷探测中。但受井巷条件 限制 ， 现有方法技术在数 据采集 、 有效信息捕获 以及后 期数据处理等诸 多 方面仍存在不足 ， 因此积极开展井巷三维电阻率法超前探测技术研究具有较强的理论和实践价值 。针对巷道 前方不同地质体特征， 通过物理模型实验对不 同地 电模 型进行数值模拟 ， 其结果表 明， 该技术对煤岩层掘进巷 道前方富水性探测准确率 高 ， 对地质构造辅助判别也有一定 的指导意义 。 关键 词 三维直流电法； 井巷超前探测； 数值模拟 中图分 类号 P 6 3 1 ． 3 文献标 识码 A 收 稿 日期 2 o 1 2 一l 1 1 6 Nu me r i c a l Si mu l a t i o n o f Ad v a n c e d De t e c t i o n b y Di r e c t Cu r r e n t El e c t r i c a l M e t h o d i n Tu n ne l Ya n g Hu a z h o ng，Hu Xi o n g wu，Zh a ng Pi n gs o n g S c h o o l o f Ea r t h a n d En v i r o n me n t ，An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，Hu a i n a n Anh ui 2 32 001，Ch i na Abs t r a c t I n t h e pr o c e s s of t u nn e l i n g，t h e b a d ge ol o g i c a l c o nd i t i on s s u c h a s br ok e n be l t ， we a k i n t e r c a l a t i on，f a ul t s t r u c t ur e，c o l l a ps e c o l umn a n d go a f ，e t c ． a l wa y s ma ke a s e r i ou s i n f l u e nc e o n pr o du c t i o n a nd s a f e t y，S O t he a dv a n c e d p r e d i c t i o n a nd f o r e c a s t a r e n e c e s s a r y ． M i ne t u nne l DC r e s i s t i v i t y me t h o d ha s be e n wi de l y a p pl i e d t o t he a d v a nc e d d e t e c t i o n f o r i t s hi gh s e n s i t i v i t y t o wa t e r r i c h r o c k． Fo r t he l i mi t o f t un ne l c o nd i t i on s，t he e x i s t i n g me t ho d a n d t e c hn o l o g y a r e s t i l l i ns uf f i c i e n t i n d a t a a c q ui s i t i on，e f f e c t i v e i n f o r m a t i o n c a pt u r i ng a n d l a t e r d a t a pr o c e s s i n g a nd o t he r a s p e c t s ．The r e f or e，d e ve l op i ng 3 D r e s i s t i v i t y me t ho d f o r a d v a nc e d d e t e c t i o n t e c hn ol o g y r e s e a r c h a c t i v e l y h a s a s t r o n g t h e o r e t i c a l a nd p r a c t i c a l v a l u e ． Ai mi ng a t t he ge o l o gi c al c ha r a c t e r i s t i c s of di f f e r e nt g e o l o g i c a l b od i e s a h e a d。d i f f e r e nt g e o e l e c t r i c mod e 1 b a s e d on ph ys i c a l mod e l e xp e r i me n t i s s i m u l a t e d． Th e r e s u l t s s ho w t ha t t h e 3 D t e c hno l o gy ha s a hi gh a c c ur a c y r a t e f or wa t e r a bu nd a n c e d e t e c t i o n i n f r o nt o f t un ne l ， a nd a l s o ha s a c e r t a i n gu i d i ng s i g ni f i c a nc e f o r d e t e c t i ng t he g e o l og i c a l s t r u c t u r e ． Ke y wo r ds 3 D d i r e c t c ur r e nt e l e c t r i c a l me t ho d；a d va nc e d d e t e c t i on i n t u nn e l ； nu me r i c a l s i m1 】 1 a t j o n 作者简介 杨华 忠 1 9 8 8一 ， 男 ， 安徽舒城人 ， 硕士研究 生， 主要从事工程地球物理 工作 。E ma i l 2 4 9 0 4 9 7 4 9 q q ． C O N 3 ． 第 2 期 杨华 忠等 井巷直流 电法三维超前探测数值模拟 2 0 1 1 引 言 从 目前 国 内应 用 的 情 况[ 1 来 看 ， 井 巷 直 流 电法超 前探 测 现场 布 极 方 式一 般 呈 直 线 形 ， 该 观 测 方式 不利 于现 场 条 件 差 的巷 道 ， 如巷 道 内掌 子 面附 近积有 大量 浮矸 ， 不利 于 电极 与岩层 的接 触 ， 或 巷 道掌子 面后 方 短 距 离 内发生 变 向 ， 亦 会 造 成 现 场探 测无 法顺 利进 行 。通常 在巷道 前方 电性 异 常未 知 的情 况 下 ， 通 过这 种 平 面 式 二 维采 集 系 统 布置 ， 不能有效接收来 自不 同电性异常体 的地 电 场响应信号 ， 而对异常分辨能力或解 释结果精度 降低 。因此在井巷中进行三维超前探测数值模拟 与研究 _ 1 具 有较 强 的理论 与实 际价值 。 2 三维数据采集系统 的构建 由于现 场数 据 采集 会牵 涉 到 工 程 进 度 ， 采 集 系统的布设必须充分考虑对生产单位影响以及 自 身仪器设备条件， 在不断提高仪器设 备功能 的同 时， 合理有效地布设数据观测系统 ， 尽量减少现场 测 试 影响 时间 ， 达到快 速有 效地 测试 的 目的 。 按照 点 电源 电场 的 空 间分 布 理 论 ， 充 分 考 虑 巷道 底板 和侧 帮对 实 际 电性 异 常体 的地 电响 应 ， 沿掌 子面后 方 任 意布 置 电极 ， 形 成 巷 道 空 间三 维 电阻 率 法 观 测 系 统 。 图 1为 观 测 系 统 布 置 示 意 图， 这里观测系统布置是按照规则的布置方式进 行 的 ， 每 个 测 试 电极 的 坐标 都 是 三 维 空 间 坐 标 。 其坐 标指 示方 向通 常 以掌子 面前方 、 巷道 顶板 、 巷 道左 帮分 别为 空 间坐 标 系 X、 y、 Z轴 的正 向。 由 图 1可见 ， 从 图 中任 意抽 取一条 测线 单 号或 双号 线 便为传统的二维平面式直线观测系统布置方 式 ， 因此 三维 观测 系统涵 盖 了二维 观测 系统 ， 其采 集的数据信息 I L _-维采集方式更加丰富。 现场测 试 时 ， 受 巷道 施工条 件 限制 ， 不能 完全 按照 图 1所示观测系统布置进行， 但根据实际巷 道条 件 ， 遵 循 三 维布 置 方式 ， 可适 当进 行变 通 ， 以 利于 超前探 测 。 3 数值模拟 针对 论文 提 出 的三 维 观测 系统 ， 其 电 阻率 成 像结果是否有效， 通常利用数值正演模 拟和物理 模型实验进行检验。论文采用数值方法正演模拟 图1 实验巷道三维电阻率法观测系统布置 Fi g ． 1 Me a s u r e d s y s t e m o f s t e r e o r e s i s t i v i t y me t h o d i n t u n n e l 相关 地 电模 型 ， 判 定三 维观测 系统 的有效 性 ， 并给 出相关异常分布图像来 表达模拟结果与正演模型 之 间 的拟合精 度 。 3 ． 1 均 匀巷道 模 型模拟 为直观表 达 所提 出观 测 系 统 的有 效 性 ， 论 文 利用均匀巷道空间模型与其它不 同地质异常体模 型之 间的模 拟结 果 对 比分 析 ， 说 明巷 道 三 维 电阻 率 观测 系统对 不 同地 质异 常体 具 有不 同程 度 、 不 同 电性 的反 应 ， 从 而表 明巷 道 三维 电阻 率 观测 系 统 分辨 率高 、 有效 。 1 模型设 计 。按照 图 1给 出的规则 三维 观测 系统为原型构建巷道三维电阻率观测系统 ， 供 电 与测量 电极 布置 在 巷 道 掌 子 面和 底 板 的两 侧 ， 其 中掌子 面 上 电极 布 置 4个 ， 底 板 6 0个 ， 分 两侧 布 置， 每侧各布置 3 2个 ， 相邻 电极距 2 m。 设 计巷 道 空间 围岩 电阻率 p 为 1 0 O Q r n ， 利 用有限电阻率值 1 0 0 0 m代替巷道空腔无穷大 电阻率值 p 。具体电极布置坐标如图 2 。 2 模拟 结果 。图 3即为均匀 巷道 空 间模 型条 件下 ， 通过有限元进行数值模拟计算的正演结果。 由 图 3可见 ， 数值 模拟 对高 阻巷 道空 腔反应 明显 ， 但在巷道长度范围上有所偏差， 局部受数值计算误 差影响， 电阻率值低于空间最小电阻率值 l O O f 2 m， 不 影 响观测 系统 有 效性 判 断 ， 可将 图 3结 果作 为 有效性评价背景， 即无异常时均匀空 间电阻率的 分布特征 ； 当巷道前方存在不同地质异常体时， 比 较 模拟 结果 与均 匀 模 型结 果 ， 便 可说 明三 维 观测 系统有 效性 。 3 ． 2富水溶 洞模 拟 富水溶 洞模 型是针 对实 际掘 进过程 中巷 道前 2 0 4 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 1 O 卷 1 呈l 量 型 掌子面前方位 置／ m 图1 2 不同 地电模型电阻率分布特征曲线 Fi g ． 1 2 S t a mp c u r v e o f mu l t i -- g e o e l e c t r i c mo d e l 型模拟电阻率 ， 富水溶洞和导水断层等低阻模 型 模 拟 电阻率值 低 于 均 匀巷 道模 型模 拟 电阻率 值 ， 且高低 阻异 常分布 范 围反 应基 本正 确 。数值 模 拟 认为 ， 巷道 电阻率 超 前 探测 对 巷 道 掌子 面 前 方 高 低阻异 常体 反应灵 敏 ， 理 论认 为 ， 利 用三维 电 阻率 观测 系统应 用于超 前探 测有效 ； 2 由图 1 3 可 见 ， 三维 电阻率法 对相 同模 型大 小 、 不 同电性特征 的异 常反应 程度不 同 ， 低 阻模 型 相对 高阻模 型异 常反应 更具 灵敏性 。相 同 电性 不 同大小模型异常体的反应程度不同， 异常体越大， 系统 对异 常捕 捉 能 力 越强 ， 分 辨 率 越 高 。三 维 电 阻率 法对 相 同 比例 大小但 电性特 征不 同的异 常模 型 分辨能 力不 同 ， 高 阻异 常 之 间 的分 辨 能力 高 于 低 阻异 常之 间的分 辨能力 。 5 结 语 1 在充分 分析 现有直 流 电法超前 探测技 术现 状 的基 础上 ， 通过 数 值 方法 模 拟 计算 给定 均 匀巷 道 以及 多种 地 电模 型 ， 提 出三 维 电阻率观测 系统 。 综 合模 拟 的结果认 为三 维 电阻率观测 系统 应用 于 超前探测有效， 且高阻异常之 间的分辨能力高于 低 阻异常之 间 的分 辨 能力 。 2 井巷 直流 电法 三维超 前探测 技术 可实现 对 掘进 巷道前 方 富水 异 常 的灵 敏 预 测 ， 以及 辅 助 判 别其 它地质 构 造 。现 场 实 际应 用 适 应性 强 ， 具 有 较好 的推广应用价值 。 参 考文 献 [ 1 ]赵永贵 ， 刘浩． 隧道地质超前预报研究进 展[ J ] ．地球 物理学进展 ， 2 0 0 3 ， 1 8 3 4 6 0 4 6 4 ． 1 ． 7 1 ． 5 1 ． 3 a l I 吲 0 ． 9 一富水溶洞模型与均匀 背景 电阻率之 比 一 非含水断层带模型 与均匀背景 电阻率之 比 、 不含水溶洞模 型与均匀背景 电阻率之 比 、 ＼ 一 一导水断层带模型与均匀背景电阻率之比 O ． 7 0 ． 5 掌子面前 方位置／ m 图 1 3 不同地电模型与均匀模型模拟电阻率之比值曲线 F i g ． 1 3 Ra t i o c u r v e b e t we e n mu l t i --g e o e l e c t r i c a n d s y mme t r i c a l mo d e 1 [ 2 3何继善 ， 柳建新． 隧道超前探测方法技术与应用研究[ J ] ． 工程地球物理学报 ， 2 0 0 4 ， 1 4 2 9 3 ～2 9 8 ． [ 3 3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 E J ] ．煤 田地 质 与勘探 ，2 0 0 0 ， 28 4 6 0～ 6 2． [ 4 ] 黄俊革 ， 王 家林 ， 阮百 尧． 巷道直 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 1 5 2 9 ～1 5 3 8 ． [ 5 ]黄俊革 ， 阮 百尧 ， 王家 林． 巷道直 流 电阻率 法超前 探 测的快速反演[ J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 0 7 ， 5 0 2 6 1 9 ～ 6 2 4． [ 6 ]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 O ～ 6 2 ． [ 7 ]胡雄武．巷道三维电阻率法超前 探测技术 研究 [ D ] ． 淮南 安徽理工大学 ， 2 0 1 0 ． [ 8 ]刘金峰 ， 霍振 奇．直流 电三点源 超前探测 技术 的创 新与应用[ J ] ．河北煤炭 ，2 0 0 6 6 7 ～9 ． [ 9 ]韩光 ， 庄德玉 ，田劫 ， 等．矿井 直流 电法超前 预报球 体构造的初步 理论及 沙槽 实验 研究 [ J ] ． 煤 炭工 程 ， 2 00 9 3 6 9～ 72 ． [ 1 0 3刘盛 东， 吴荣新 ， 张 平松 ， 等． 三维 并行 电法勘 探技 术与矿井水害探查[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 7 9 2 7 ～ 93 2 ． [ 1 1 ]张平 松 ， 刘盛东 ， 吴 健生．隧道及井巷 工程超前 探 测模拟及其偏移技术研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 07，2 6 S1 2 84 7～ 2 8 51 ． [ 1 2 ]张平松 ， 刘盛东 ， 曹煜． 坑道掘进立体 电法超前预报 技术研究[ J ] ． 中国煤炭地质 ， 2 0 0 9 ，2 1 2 5 O ～5 3 ． [ 1 3 ]吴小平， 汪彤彤． 利用共轭梯度算法 的电阻率三维有 限元正演[ J ] ． 地球物理学报， 2 0 0 3 ， 4 6 0 3 4 2 8 4 3 2 ． [ 1 4 ]祁 民， 张宝林 ， 梁光河． 高密度电法的三维数据场 可 视化[ J ] ．地球物理学进展 ， 2 0 0 6 ， 2 1 O 3 9 8 1 ～9 8 6 ． [ 1 5 ] 吕玉增 ，阮百尧 ．复杂地形条件下 四面体剖分 电阻 率三维有限元 数值 模拟[ J ] ． 地 球物理学 进展 ， 2 0 0 6 ， 21 04 1 30 2～ 1 3 08 ．