地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法

摘要

本发明涉及地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法：首先采用聚焦的工作方式，在地下工程工作面轮廓线上布置一圈屏蔽电极A1，在距离底板到顶部的不同高度布置多条平行测线，测线上设供电电极和接收电极，底板上也设有供电电极和接收电极；然后采用层析的方法逐层采集数据；用测得的测线电势差数据进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像；用测得的半衰时绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，绘制出包络面积St的二维剖面图，实现工作面前方水量的估算。具有良好的超前探测指向性，实现了含水体的三维定位，解决了以往聚焦类电法单点测量，无法定位的难题。

权利要求

1.地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）采用聚焦的工作方式，首先在地下工程工作面轮廓线上布置一圈等间距的屏蔽电极A1，在距离底板1/3H、2/3H高度布置两条平行测线L1、L2，每根测线布置电极数目分别为N1、N2，且N1=N2，相邻两个电极之间的距离为d，屏蔽电极A1的个数为4～8个，N1=N2=15个，其中H为拱顶距离底板的高度；测线L1、L2上均设供电电极A0和接收电极M1、M2，接收电极M1、M2的位置可调且与测线上布置的电极位置对应，底板上也设有供电电极B和接收电极N；

（2）采用层析的方法逐层采集数据

①测线L1供电电极A0供入正电流I0，I0的取值范围0.1A～0.5A，供电电极B供入负电流-I0，屏蔽电极A1供入与供电电极A0同向的正电流，保持供电电极A0与测量电极M1、M2间距A0M1=M1M2=nd，其中d为相邻两个电极之间的距离，n为自然数且1≤n≤7，移动M1、M2从测线一端到测线的另一端；M1、M2每满足A0M1=M1M2=nd移动一次，电极A0、M1和M2每测量

1次，并调节供电电流使M1M2之间电势差UM1M2=0，并记录下M1N之间的电势差U1M1N和半衰时T；

②测线L2重复测线L1的测量步骤①；

③电极A0供入正电流2I0，电极B供入负电流-I0，重复步骤①、②；

（3）进行含水构造的三维反演成像定位，将步骤（2）中测得的测线L1、L2的电势差数据U1M1N进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位；

具体为用具有光滑约束的三维电阻率反演方程：

T T T

(AA+λCC)Δm＝AΔd （1）(k+1) (k)

m ＝m +Δm （2）

式中，Δd为观测数据的差值，A为偏导数矩阵，Δm为网格的模型参数修正量，C为光(k)滑度矩阵，λ为拉格朗日常数，决定了光滑约束的权重，m 为第k次迭代中的模型参数向(k+1)量，m 为下一次反演迭代中的模型参数向量；

首先设定模型参数初值，进行正演计算，计算理论的观测数据，与测量的数据进行比较判断，如果方差小于设定值，则输出模型参数；否则，计算偏导数矩阵A，光滑度矩阵C，利用(k+1)方程（2）得到每次反演迭代中的模型参数增量，从而求得下一次迭代中的模型参数m ，直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于设定值，输出模型参数，用得到的模型参数反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像；

（4）采用半衰时数据进行工作面前方水量估算，将步骤（2）中测得的半衰时T数据，大小两次电流供电时相同点位的两个半衰时数据做差，并分别绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，且包络面积St与水量的大小V成线性正相关关系，正值部分为水量的响应，由正值部分的面积估算水量的大小，再近一步以工作面的水平方向为X轴、工作面的垂直方向为Y轴，绘制出包络面积St的二维剖面图，实现工作面前方水量的估算。

说明书

地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种隧道或者坑道等地下工程施工过程中不良地质地质超前探测方法。

背景技术

[0002] 目前，我国已经成为世界上隧道等地下工程修建规模最大，建设难度最高的国家。地下工程施工期频发的地质灾害成为地下工程施工面临的巨大挑战，而突水、突泥灾害在发生次数和死亡人数方面均居于前列。地下工程施工中对突水涌水灾害源实施超前预报具有重要意义。对于含水地质构造的超前探测而言，主要任务分为两个：①需探明含水构造的位置、规模甚至是形态等特征，即需要实现含水构造的三维成像；②需预测含水构造内的水量，这是隧道施工期制定突涌水防治措施和评价隧道安全的关键因素。

[0003] 激发极化法是根据岩石的激发极化效应来探测地质情况的电法勘探方法，目前的激发极化法预报方法可以分为三极法非聚焦型和单点聚焦型。其中，三极法非聚焦型超前探测方法无法屏蔽测线附近的旁侧异常干扰(如低阻含水体、金属构件等)，在较复杂环境下很难从背景干扰数据中提取出掘进面前方的有用信息，容易导致预报精度降低甚至误报，该问题一直未能很好的解决，严重制约了三极法非聚焦型电法类预报技术的发展。阮百尧等提出了一种坑道聚焦直流电阻率法超前探测方法，德国研发的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)技术是唯一一种用于隧道前方含水情况探测的聚焦类激发极化法。

[0004] 专利CN1904644A公开一种网络化的隧道实时连续超前预报方法及装置，步骤如下：(1)根据现场施工具体情况，采用隧道外、隧道内壁或工作面现场的金属件分别布置无穷远测量电极B、屏蔽电极A1和主电极A0，并用电缆与现场主机相连；(2)现场主机通过屏蔽电极A1和主电极A0与无穷远测量电极B形成的回路以时间域或频率域工作模式同步发射不同电压同极性的脉冲电流，同时接收主电极的电信号，经处理和A/D转换为数字信号，输入到主机中央处理单元；(3)现场主机中央处理单元计算探测目标体的视电阻率和视激发极化率；(4)根据步骤(3)中计算的视电阻率和视激发极化率与预置的多种目标体的视电阻率和视激发极化率的数值范围相比较，以视电阻率和视激发极化率共同落入的范围区域来识别目标体对象并可视化显示和报警。

[0005] 但目前的聚焦类电法仍存在以下问题：①目前已有的聚焦类电法探测方法均借鉴了石油测井的思路，属于单点聚焦型，也就是在探测面上只设置单个测量电极，未采用层析探测，无法获得地质体的三维信息；②利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离较小，目前聚焦类电法探测技术尚未进入实用阶段。③目前的电法类预报方法均不能实现对含水体水量的估算，基于地球物理勘探技术的水量的估算已经成为国内外隧道工程界一项技术难题。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法，该方法对工作面前方地质情况层析三维成像，估算突水、突泥灾害源涌水量，且不需连续性探测，效率高。

[0007] 本发明采用的技术方案为：

[0008] 地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法：首先采用聚焦的工作方式，在地下工程工作面轮廓线上布置一圈屏蔽电极A1，在距离底板到顶部的不同高度布置多条平行测线，测线上设供电电极A0和接收电极M1、M2，底板上也设有供电电极B和接收电极N；然后采用层析的方法逐层采集数据，将供电电极A0与屏蔽电极A1供入同向的电流，分别测试测线接收电极M1与底板接收电极N的电势差和半衰时，并改变电流大小测试不同电流下的测线接收电极M1与底板接收电极N的电势差和半衰时；用测得的测线电势差数据进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位；用测得的半衰时绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，绘制出包络面积St的二维剖面图，实现工作面前方水量的估算。

[0009] 所述的地下工程聚焦层析激发极化超前探测方法，优选包括以下步骤：

[0010] (1)采用聚焦的工作方式，首先在(隧道等)地下工程工作面轮廓线上布置一圈等间距的(优选4-8个)屏蔽电极A1，在距离底板1/3H、2/3H高度布置两条平行测线L1、L2，每根测线布置电极数目N1＝N2＝15个，相邻两个电极之间的距离为d，其中H为拱顶距离底板的高度；供电电极A0和接收电极M1、M2置于测线L1、L2(接收电极M1、M2的位置可调且与测线上布置的电极位置对应，是为了保证M1M2之间的电势差等零，保证聚焦效果，同时测量M1和N之间的电势差)，另一个供电电极B极置于工作面后方距离工作面100-150m的底板上，接收电极N置于底板上；

[0011] (2)采用层析的方法逐层采集数据，

[0012] ①测线L1供电电极A0供入正电流I0，供电电极B供入负电流-I0，屏蔽电极A1供入与供电电极A0同向的正电流，保持供电电极A0与测量电极M1、M2间距A0M1＝M1M2＝nd，其中d为相邻两个电极之间的距离，n为自然数且1≤n≤7，移动M1、M2从测线一端到测线的另一端；M1、M2每满足A0M1＝M1M2＝nd移动一次，电极A0、M1和M2每测量1次，调节供电电流使M1M2之间电势差UM1M2＝0，并记录下M1N之间的电势差U1M1N和半衰时T；

[0013] ②测线L2重复测线L1的测量步骤①；

[0014] ③电极A0供入正电流2I0，电极B供入负电流-I0，重复步骤①、②；

[0015] (3)进行含水构造的三维反演成像定位，采用基于光滑约束的最小二乘反演迭代等处理，将步骤(2)中测得的测线L1、L2的电势差数据U1M1N进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位；具体步骤如下：

[0016] 具有光滑约束的三维电阻率反演方程。

[0017] (ATA+λCTC)Δm＝ATΔd (1)

[0018] m(k+1)＝m(k)+Δm (2)

[0019] 式中，Δd为观测数据的差值，A为偏导数矩阵，Δm为网格的模型参数修正量，C(k)为光滑度矩阵，λ为拉格朗日常数，决定了光滑约束的权重，m 为第k次迭代中的模型参(k+1)
数向量，m 为下一次反演迭代中的模型参数向量。

[0020] 进行反演成像(现有技术)时，首先设定模型参数初值，进行正演计算，计算理论的观测数据，与测量的数据进行比较判断，如果方差小于设定值，则输出模型参数；否则，计算偏导数矩阵A，光滑度矩阵C，利用方程(2)可得到每次反演迭代中的模型参数增量，从而(k+1)求得下一次迭代中的模型参数m ，直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于设定值(根据用户所要求反演的精度不同，设定值不一样，反演精度高，则设定值较小，反之设定值较大)，输出模型参数。从而反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位；

[0021] (4)采用半衰时数据进行工作面前方水量估算，将步骤(2)中测得的半衰时T数据，大小两次电流供电时相同点位的两个半衰时数据做差，并分别绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，且包络面积St与水量的大小V成线性正相关关系，正值部分为水量的响应，由正值部分的面积估算水量的大小，再近一步以工作面的水平方向为X轴、工作面的垂直方向为Y轴，绘制出包络面积St的二维剖面图，实现工作面前方水量的估算。

[0022] 本发明聚焦激发极化法，采用布置在工作面轮廓线的屏蔽电极A1，使测线L1、L2上供电电极A0的电流受到电场挤压而向工作面前方流入，增强了电流的指向性并提高了探测深度，解决了传统方法指向性差的问题；层析激发极化法，采用多个平行测线获得大量的数据，对多条测线数据进行反演，实现了工作面前方地质体电性结构的三维重构，实现对地下工程突水、突泥灾害源的三维定位，解决了传统聚焦类方法单点测量而无法三维定位的难题；突水、突泥灾害源水量估算，基于半衰时之差和坐标轴包络面积与含水构造水量的正相关关系，从而实现对地下工程突水、突泥灾害源水量的估算。

[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] 本发明提出了一种基于聚焦电阻率成像的地下工程突水、突泥灾害源的超前预报方法，通过在工作面轮廓线布置屏蔽电极，在屏蔽区域内布置两条平行测线，采用基于光滑约束的最小二乘反演方法，实现了工作面前方地质体电性结构的三维重构，尤其实现了含水构造的水量估算，具有以下特色：

[0025] 1.采用了聚焦探测模式，具有良好的超前探测指向性，解决了以往方法旁侧干扰严重的难题；

[0026] 2.提出了聚焦层析探测的方法，可获得隧道前方地质信息的大量数据，并通过反演计算得到工作面前方的三维电阻率分布，实现了含水体的三维定位，解决了以往聚焦类电法单点测量，无法定位的难题；

[0027] 3.可获得激发极化半衰时之差数据，绘出了半衰时之差与坐标轴包络面积的二维剖面，实现了含水构造的水量估算，解决了地下工程施工中含水体水量预测的关键难题；

[0028] 4.不需跟随工作面的开挖连续探测，提高了效率，节约了超前预报成本，提高了施工效率。

附图说明

[0029] 图1是本发明探测方法流程图。

[0030] 图2a是本发明测量装置的平面图，

[0031] 图2b是本发明测量装置的立面图，

[0032] 图2c是本发明观测方式示意图。

[0033] 图3是本发明反演方法流程。

[0034] 图4是本发明聚焦电阻率三维反演成像图。

[0035] 图5是本发明半衰时之差数据图。

[0036] 图6是本发明半衰时之差与坐标轴包络面积的二维剖面图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

[0038] 本发明探测方法如图1中，流程包括：聚焦工作方式布设，层析采集数据，三维反演定位和水量估算等流程，具有良好的超前探测指向性，最后实现含水构造等不良地质体的三维定位和水量的估算，解决了以往聚焦类电法单点测量，无法定位的难题。

[0039] 实施例1：

[0040] 以某隧道为例，隧道断面为拱形，跨度12m高10m，里程YK123+672附近出现涌水，前方可能存在含水构造。为了探明前方的地质情况，为施工提供依据和指导，采用聚焦层析激发极化法进行超前探测。

[0041] (1)具体工作方式如图2a、b、c所示。在隧道掌子面轮廓线上布置一圈等间距的8个屏蔽电极A1，在距离隧道底板2m、6m高度布置两条平行测线L1、L2，每根测线布置电极数目N1＝N2＝15个；供电电极A0和接收电极M1、M2置于测线L1、L2，另一个供电电极B极置于150m的底板上，接收电极N置于120m的底板上；

[0042] 采集数据的具体流程是：测线L1供电电极A0供入正电流0.1A，供电电极B为负极，屏蔽电极A1供入正电流0.1A，保持供电电极A0与测量电极M1、M2间距A0M1＝M1M2＝nd，M1、M2依次从测线L1一端移动到测线的另一端，其中d为相邻两个电极之间的距离，n为自然数且1≤n≤7；电极A0、M1和M2每测量1次，调节供电电流使M1M2之间电势差UM1M2＝0，并记录下M1N之间的电势差U1M1N和半衰时T；按照以上方法测量测线L2，然后调整电极A0供入正电流0.2A，重复以上测量工作。

[0043] (2)对采集的电势差数据进行反演成像解释，如图3所示，采用基于光滑约束的最小二乘反演迭代等处理，将测线L1、L2的电势差数据进行反演，反演目标函数见公式3；

[0044] Φ＝(Δd-AΔm)T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)T(CΔm) (3)

[0045] 式中，Φ为反演目标函数，Δd为观测数据的差值，A为偏导数矩阵，Δm为网格的模型参数修正量，C为光滑度矩阵，λ为拉格朗日常数，决定了光滑约束的权重。

[0046] 对公式(3)进行变分之后，可得到方程(2)，进行反演成像时，首先设定模型参数初值，本次初值电阻率均设置为1000Ω.m，进行正演计算，计算理论的观测数据，与测量的数据进行比较判断，如果方差小于设定值(本实例相对值3％)，则输出模型参数；否则，计算偏导数矩阵A，敏感度矩阵C，利用方程(2)可得到每次反演迭代中的模型参数增量，从而(k+1)求得下一次迭代中的模型参数m ，直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于设定值，输出模型参数。从而反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位。本次探测的数据解释三维成像结果，如图4所示，YK123+672～YK123+652，该段围岩存在多条导水裂隙，YK123+652～YK123+642，该段围岩富水性较强。

[0047] (3)进行含水构造水量的估算，采用半衰时数据进行工作面前方水量估算，将测得的半衰时T数据，0.1A、0.2A两次电流供电时相同点位的两个半衰时数据做差，并分别绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，如图5所示，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，且包络面积St与水量的大小V成线性正相关关系，正值部分为水量的响应，由正值部分的面积估算水量的大小；再近一步以工作面的水平方向为X轴、工作面的垂直方向为Y轴，绘制出包络面积St的二维剖面图，实现工作面前方水量的估算，如图6所示，水量与图4较为吻合。