CN110333542A - 一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法 - Google Patents

Abstract

一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法，可解决传统的直流电阻率法在实际勘探应用中，因为感应电场信号相对较弱，容易受到浮煤和金属轨道等隧道条件干扰的技术问题。包括在隧道掘进面中心布置一个供电的长电极源A，向地下供入大电流，形成稳定的人工电场；采用二极装置、三极装置观测得到的电位或电位差，通过视电阻率转换公式来得到曲线的极小值位置，进而结合经验公式来定量地解释全空间地层中前方异常体的位置信息。本发明能够增加预测含水异常的探测能力，可促进长电极源电阻率法在城市地铁检测、高速公路隧道监测以及矿井灾害探测等多个领域的应用效果。

Description

一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法

技术领域

本发明涉及隧道预测、矿井灾害探测技术领域，具体涉及一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法。

背景技术

隧道超前探直流电阻率法是采矿，水文工程和环境调查中的热门话题。众所周知，在中国的西南山区，经常会发生突水等地质灾害。隧道开挖前的地质预测是政府或企业确保施工安全的重要任务。对于非常复杂的地质构造条件，尤其是位于隧道掌子面前的含水构造在隧道掘进中带来了更多的困难。目前，已经形成的隧道超前探测方法，包括直流电阻率法和地震方法。一方面，地震方法通常对裂缝带敏感，因为它主要预测岩性，构造和相关地质要素的特征。但是，它对含水结构不敏感，因此不能用于预测含水区。另一方面，由于成本低，抗干扰能力强，对低电阻率体具有高灵敏度，直流电阻率法成为探测潜在的灾害性含水构造的重要途径，如岩溶洞穴。然而，传统的直流电阻率法在实际勘探应用中也存在探测深度不足的缺点，因为感应电场信号相对较弱，容易受到浮煤和金属轨道等隧道条件的干扰。此外，隧道腔内的观测空间存在局限性，这导致使用点电极源装置探测大深度含水结构存在巨大困难。

长电极已在电法勘探领域使用了30多年。使用钢制井作为源获得了视电阻率，这些源对异常的影响比点电极源更深。使用垂直套管监测水力压裂。已经形成了大量的用于分层介质中模拟长电极源的模型。常用方法近似为导电细胞模型，假设长电极源为高导电柱，由点电源激发。由于具有极低电阻率的长电极柱，该方法在求解线性方程矩阵时出现收敛问题。实际上，到目前为止，还没有关于使用长电极源方法在隧道中进行超前检测的任何结果。长电极源具有明显优于点电源的优势，它可以拓展异常的可探测深度，因为它可以向深层提供更多电流。

发明内容

本发明提出的一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法，可解决传统的直流电阻率法在实际勘探应用中，因为感应电场信号相对较弱，容易受到浮煤和金属轨道等隧道条件干扰的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法，包括以下步骤：

S1、利用隧道已有的水平钻井孔，用设计好的长铜棒在隧道掘进面孔中***布置一个供电的长电极源A，与无穷远处布置的供电电极B形成闭合回路；

S2、在隧道底板后方等间距地布置测量电极M、N，间隔距离为设定距离X，测量电极***地下深处；

S3、每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存；

并测量参数：MN/m；AO/m；U/mY；I/mA；ρ_s/Ωm；

MN是M与N电极之间的距离；AO是电流源A到MN中点的距离；U是供电电压；I是供电电流；ρ_s是通过转换公式获得的视电阻率；

S4、再移动一次M、N，重复S3所述测量方法，直到获得一条测线的视电阻率曲线；

S5、对测量的数据利用比值法进行校正处理，获得优化后的实际视电阻率曲线，提取极小值位置，结合经验公式进行定量解释。

进一步的，所述S5、对测量的数据利用比值法进行校正处理，获得优化后的实际视电阻率曲线，提取极小值位置，结合经验公式进行定量解释；具体包括：

假设在均匀全空间中有一长度为L的长电极源AB，模型背景电阻率为ρ，通过长电极向地下供入的总电流强度为I，为了推导全空间中任意一点P的电位解析公式，将AB离散成一系列的微小线元，在线元dl上任取一点Q，则Q点的线元dl在观测点P产生的电位为：

其中电位是标量，根据叠加原理，将线元dl在点P产生的电位du沿着AB积分，可得整个长电极源AB在观测点P产生的总电位：

由平面向量的基本定理可知，则

为了计算方便，令则

为了简化积分，设

将(4)式代入(5)式，作变量代换得：

由于则

当b²-4ac＜0时，即观测点P与AB不在同一直线上，则(7)式为

当b²-4ac＝0，b≥0时，即点P与AB在同一直线上，与成180°，则(7)式为

当b²-4ac＝0，b≤0时，即点P与AB在同一直线上，与成0°，则(7)式为

综上，全空间中长电极源产生的电位为：

则长电极源装置视电阻率公式为：

其中K为全空间长电极源装置的装置系数，由于(2)式对任意线性形状路径积分均适用，故(11)式用于计算任意线性形状长电极源产生的电位。

进一步的，所述步骤S3每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存，并测量参数：MN/m；AO/m；U/mV；I/mA；ρ_s/Ωm；

其中采用二极装置观测得到的电位或电位差，则视电阻率计算步骤：

A为供电正极，M为测量极，测量M点处电位，供电负极B和测量电极N位于无穷远处，则

式中K_AM和u_AM分别表示由A极供电时在测量电极M处的装置系数和电势，则二极装置视电阻率公式：

进一步的，所述步骤S3每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存，并测量参数：MN/m；AO/m；U/mV；I/mA；ρ_s/Ωm；

其中采用三极装置观测得到的电位或电位差，则视电阻率计算步骤：

A为供电正极，M和N为测量极，测量MN两点之间电位差，供电负极B位于无穷远处，则

Δu_MN为MN之间电位差，从而三极装置视电阻率公式为：

由上述技术方案可知，本发明提出的一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法即一种利用长电极源装置在隧道中进行超前探测的新方法，利用隧道中已有的钻孔，使用长电极注入电流进行观测。通过改变激励电流源，长电极在钻孔中具有大的电流强度，因此场源信号更接近异常。该方法增加了观测信号的强度，增加了预测含水异常的探测能力，并且提高了勘探效率，对隧道施工和安全维护具有重要的指导意义。

本发明的长电极源直流电场的隧道超前探新方法能够增加预测含水异常的探测能力，可促进长电极源电阻率法在城市地铁检测、高速公路隧道监测以及矿井灾害探测等多个领域的应用效果。

附图说明

图1是本发明方法步骤示意图；

图2是全空间长电源示意图；

图3是本实施例全空间无限大板体异常的长电极源数值解和点电源解析解对比；

图4是本实施例全空间不同长电极源的视电阻率分布；

图5本实施例全空间无限大板体异常示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明实施例的一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法包括以下步骤：

(1)利用隧道已有的水平钻井孔，用设计好的长铜棒在隧道掘进面孔中***布置一个供电的长电极源A，与无穷远处布置的供电电极B形成闭合回路(注意铜棒直径不宜选取过大)；

(2)在隧道底板后方等间距地布置测量电极M、N，间隔距离为1～5m，测量电极***地下应尽量深；

(3)测量方法：每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存；

测量参数：MN/m；AO/m；U/mV；I/mA；ρ_s/Ωm；

MN是M与N电极之间的距离；AO是电流源A到MN中点的距离；U是供电电压；I是供电电流；ρ_s是通过转换公式获得的视电阻率；

(4)再移动一次M、N，重复上述测量方法，直到获得一条测线的视电阻率曲线。

(5)对测量的数据利用比值法进行校正处理，获得优化后的实际视电阻率曲线，提取极小值位置，结合经验公式进行定量解释。

上述步骤可以解释为，在隧道掘进面中心布置一个供电的长电极源A，向地下供入大电流，形成稳定的人工电场。根据线型电流源电场的分布特点，电流线垂直电流源表面向外辐射，长电极源像荧光灯管一样几乎均匀地照亮整个地下区域，与传统的点电源相比，长电极源可将更多的电流供入深部，其电场带有更多深部的信息，当距离长电极源较远时，电位的等值线近似趋向一个球面，该球面上的点的电位均相同。采用二极装置、三极装置观测得到的电位或电位差，通过视电阻率转换公式来得到曲线的极小值位置，进而结合经验公式来定量地解释全空间地层中前方异常体的位置信息。

在获取地下全空间中的地质信息中，由于隧道内充满高电阻特性的空气腔，以及受到浮煤和金属轨道等条件的干扰，导致电场线产生畸变，易造成错误的解释。本方法采用比值法消除了这些不良因素的影响，经模拟验证，结果的相对误差控制在0.1％以内，该方法解释准确且有效。

下面是本实施例结合长电极源在全空间中激励产生的电位解析解以及视电阻率公式，进一步说明。

为了增强隧道超前探测的观测信号强度，提高探测和预测异常***置的能力，本发明提出了一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法。在使用长电极源进行超前探数值模拟时，其关键技术在长电极如何建模。首先，对于钢制的长电极，电阻率近似为2.3×10^-7Ωm，远小于普通的岩石介质(Pardo and Torres-Verdin，2013)。其次，长电极的半径远小于其长度范围可以忽略，因此它可以简化为线源。

如图2所示，在均匀全空间中有一长度为L的长电极源AB，模型背景电阻率为ρ，通过长电极向地下供入的总电流强度为I，为了推导全空间中任意一点P的电位解析公式，将AB离散成一系列的微小线元，在线元dl上任取一点Q，则Q点的线元dl在观测点P产生的电位为

其中电位是标量，根据叠加原理，将线元dl在点P产生的电位du沿着AB积分，可得整个长电极源AB在观测点P产生的总电位

由平面向量的基本定理可知，则

为了计算方便，令则

为了简化积分，设

将(4)式代入(5)式，作变量代换得：

由于则

(1)当b²-4ac＜0时(即观测点P与AB不在同一直线上)，则(7)式为

(2)当b²-4ac＝0，b≥0时(即点P与AB在同一直线上，与成180°)，则(7)式为

(3)当b²-4ac＝0，b≤0时(即点P与AB在同一直线上，与成0°)，则(7)式为

一般(8)式在实际勘探应用中最为常见，

综上，全空间中长电极源产生的电位为

则长电极源装置视电阻率公式为

其中K为全空间长电极源装置的装置系数，由于(2)式对任意线性形状路径积分均适用，故(11)式可用于计算任意线性形状长电极源产生的电位。

二极装置

A为供电正极，M为测量极，测量M点处电位，供电负极B和测量电极N位于无穷远处

式中K_AM和u_AM分别表示由A极供电时在测量电极M处的装置系数和电势，则视电阻率公式

三极装置

A为供电正极，M和N为测量极，测量MN两点之间电位差，供电负极B位于无穷远处

Δu_MN为MN之间电位差，从而三极装置视电阻率公式为

由上可知，与传统方法相比，本实施例所提出的长电极源更适用于隧道超前探测中大深度异常的预测，能够有效提高探测分辨率，减少矿井灾害带来的经济损失和人员伤亡。

为了验证本专利的算法，我们做了一组数值模拟的对比，利用长电极源与传统点电源两种方法，在其他条件相同的情况下，其中一组模拟采用长度为20cm的长电源装置计算，而另外一组采用传统的点电源装置计算。

结合附图说明长电极源数值结果与点电源解析解结果对比如下：

图3为全空间无限大板体异常的长电极源数值解和点电源解析解对比；图4.全空间不同长电极源的视电阻率分布；

图3显示了沿x轴的长电源数值电位分布与点电源解析解一致(Huang etal.2006)。当观测点距离长电极源5米以内时，相对误差值接近1％，但对于距离长电极源5米以上的观测点，则相对误差值不到0.1％。这表明我们的长电极源方法在全空间中隧道超前探电阻率建模是可行的。

图4不同长度的长电极源得到的视电阻率分布可知，随着长电极源的长度增加，可以观察到更大的视电阻率异常，这提高了在超前探测中异常体的探测分辨率。对于大深度的异常体，可通过增加长电极的长度来提高视电阻率异常的信号强度，这一新方法表明了长电极源装置对传统方法的明显优势，可极大促进隧道预测领域的应用和发展。

图5给出了超前探长电极源模型的剖面示意图，其中，其中板体厚2m，电阻率为5Ωm，背景围岩电阻率为100Ωm。长电极源位于隧道掌子面中心。异常的距离x轴的原点为2米。在原点左侧，70个电位电极沿x轴以1m的间隔分布。

综上可知，因为地下埋设的金属管道，油田中的套管井等都可以作为长电极，这类电极之所以受到关注是因为它们具有更小的接触阻抗，可以向地下供入大电流，获得高信噪比的信号。同时，它们可以将更多电流供入深部，从而获得更多深部的信息。而在隧道超前探测领域，亦有水平钻井实验孔，在此之前，国内外从未见过任何有关长电极源应用在隧道超前探测领域的研究和报道，因此本发明实施例提出一种与传统的点电源直流电法构思不同的技术方案，即长电极源直流电场的隧道超前探新方法，可以很好地克服已有方法探测深度不足，施工效率低的问题。且极大地提高了异常的探测分辨率。长电极源布置一次供电，即可探测大深度的异常，节省了隧道下工作人员的时间和人力成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种长电极源直流电场的隧道超前探新方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用隧道已有的水平钻井孔，用设计好的长铜棒在隧道掘进面孔中***布置一个供电的长电极源A，与无穷远处布置的供电电极B形成闭合回路；

S2、在隧道底板后方等间距地布置测量电极M、N，间隔距离为设定距离X，测量电极***地下深处；

S3、每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存；

并测量参数：MN/m；AO/m；U/mV；I/mA；ρ_s/Ωm；

MN是M与N电极之间的距离；AO是电流源A到MN中点的距离；U是供电电压；I是供电电流；ρ_s是通过转换公式获得的视电阻率；

S4、再移动一次M、N，重复S3所述测量方法，直到获得一条测线的视电阻率曲线；

S5、对测量的数据利用比值法进行校正处理，获得优化后的实际视电阻率曲线，提取极小值位置，结合经验公式进行定量解释。

2.根据权利要求1所述的长电极源直流电场的隧道超前探新方法，其特征在于：所述S5、对测量的数据利用比值法进行校正处理，获得优化后的实际视电阻率曲线，提取极小值位置，结合经验公式进行定量解释；具体包括：

假设在均匀全空间中有一长度为L的长电极源AB，模型背景电阻率为ρ，通过长电极向地下供入的总电流强度为I，为了推导全空间中任意一点P的电位解析公式，将AB离散成一系列的微小线元，在线元dl上任取一点Q,则Q点的线元dl在观测点P产生的电位为：

其中电位是标量，根据叠加原理，将线元dl在点P产生的电位du沿着AB积分，可得整个长电极源AB在观测点P产生的总电位：

由平面向量的基本定理可知，t∈[0，1],则

为了计算方便，令则

为了简化积分，设

将(4)式代入(5)式，作变量代换得：

由于则

当b²-4ac＜0时，即观测点P与AB不在同一直线上，则(7)式为

当b²-4ac＝0，b≥0时，即点P与AB在同一直线上,与成180°，则(7)式为

当b²-4ac＝0，b≤0时，即点P与AB在同一直线上,与成0°，则(7)式为

综上，全空间中长电极源产生的电位为：

则长电极源装置视电阻率公式为：

其中K为全空间长电极源装置的装置系数，由于(2)式对任意线性形状路径积分均适用，故(11)式用于计算任意线性形状长电极源产生的电位。

3.根据权利要求2所述的长电极源直流电场的隧道超前探新方法，其特征在于：所述步骤S3每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存，并测量参数：MN/m；AO/m；U/mV；I/mA；ρ_s/Ωm；

其中采用二极装置观测得到的电位或电位差，则视电阻率计算步骤：

A为供电正极，M为测量极，测量M点处电位，供电负极B和测量电极N位于无穷远处，则

式中K_AM和u_AM分别表示由A极供电时在测量电极M处的装置系数和电势，则二极装置视电阻率公式：

4.根据权利要求2所述的长电极源直流电场的隧道超前探新方法，其特征在于：所述步骤S3每固定一次测量电极M、N位置，采集一次该测点位置的电位差数据并保存，并测量参数：MN/m；AO/m；U/mV；I/mA；ρ_s/Ωm；

其中采用三极装置观测得到的电位或电位差，则视电阻率计算步骤：

A为供电正极，M和N为测量极，测量MN两点之间电位差，供电负极B位于无穷远处，则

Δu_MN为MN之间电位差，从而三极装置视电阻率公式为：

5.根据权利要求1所述的长电极源直流电场的隧道超前探新方法，其特征在于：所述步骤S2、在隧道底板后方等间距地布置测量电极M、N，间隔距离为设定距离X，测量电极***地下深处；

其中，X为1～5m。