矿井巷道含水体综合物探方法超前探测应用

矿井巷道掘进水文地质条件超前探测一直是煤矿地质保障的关键工作,为研究有效超前探测方法,以淮南某矿掘进工作面异常含水体超前探测为依托,采用直流电法和瞬变电磁法相结合的综合物探技术,对巷道前方可能存在的含水体进行了探测研究。研究结果表明,直流电法与瞬变电磁法相结合的综合物探方法用于矿井巷道掘进水文地质条件超前探测是可行且有效的,比单一方法更有说服力,是现有物探方法的最佳组合,具有较强的适用性、推广性;掘进工作面迎头前方整体视电阻率较高,左帮30～150m范围内存在三角形状的异常低阻区,且在40～80m范围内异常值最大,该区域可能具有一定的赋水性,该探测结果为巷道掘进施工提供了较好的技术支持。     

巷道掘进直流电阻率法超前探测技术应用探讨

直流电阻率法在巷道超前探水中起到了重要的作用,但受巷道测试条件限制,依据点电源电场球壳理论的超前探测在实际应用中仍存在诸多问题。论文在对直流电阻率法超前探测中数据采集方式、非均质地质条件、巷道干扰因素等进行讨论的同时,通过改变数据采集观测系统,利用多次覆盖方式、巷孔联合方式增加数据量,提高了对前方含水异常体的综合认识及预测能力。巷道超前探测实践表明,直流电阻率法探测应增大激励场对前方地质体的影响力,这样可以获得较为可靠的观测数据。改进后的观测系统增强了对前方含水异常体的判识能力,其预报结果准确可靠,对巷道掘进安全生产指导意义大。同时指出巷道直流电法超前探测需加大对聚焦电流方式研究,并结合多方法配合综合预报与解释。     

一种隧道水体不良地质体超前地质预报方法——瞬变电磁法

本文在现有隧道超前地质预报方法的基础上,引进了一种新的隧道超前地质预报的方法—瞬变电磁法。该法对低阻含水断层、充泥充水溶洞、含水含泥破碎带等水体不良地质体反映灵敏。通过对瞬变电磁法在隧道探测中关键技术的研究,解决了隧道背景影响和装置自身过渡过程影响等关键技术问题,成功地将瞬变电磁法用于隧道超前地质预报。通过对实例验证结果表明,应用瞬变电磁法进行隧道水体不良地质体超前地质预报是有效的。     

全空间瞬变电磁法在隧道超前预报预测中的意义

应用瞬变电磁法的基本探测原理,结合隧道超前预报预测上的实际需要,探索研究两者结合对安全生产的意义。着重论述全空间瞬变电磁技术在预报预测隧道掘进前方构造赋水的可行性,探索全空间瞬变电磁技术在公路或铁路隧道这种特殊环境应用中需注意的若干问题,并简单阐述瞬变电磁法在应用当中需要注意探测结论要与地质现实相结合。通过剖析实际案例,确定瞬变电磁法可以在隧道超前预测、预报中起到巨大的安全和经济效益。     

坑道瞬变电磁全程数据分析及1∶1含水模型试验研究

考虑到接收系统过渡过程及电流关断时间,通过对接收系统冲激响应函数、一次电动势及二次全程感应电动势理论公式的推导,还原了接收瞬变电磁全程响应信号,与理论全程数据的对比分析表明,电流关断时间和接收系统过渡过程给早、中延时段瞬变场造成严重的畸变,导致数据解析不能有效识别坑道前方近距离地电信息。为评价畸变段数据对坑道超前探水的影响,建立坑道前方1∶1定量水仓模型,通过在掘进工作面连续观测100 m3以内水量变化情况下的瞬变场响应数据,分析并获得了含水模型的瞬变异常响应特征,确定其响应时窗处于畸变数据段,进一步指出现有坑道超前探水技术仍需不断改进,以提高超前预测精度。     

坑道瞬变电磁全程数据分析及1∶1含水模型试验研究

考虑到接收系统过渡过程及电流关断时间,通过对接收系统冲激响应函数、一次电动势及二次全程感应电动势理论公式的推导,还原了接收瞬变电磁全程响应信号,与理论全程数据的对比分析表明,电流关断时间和接收系统过渡过程给早、中延时段瞬变场造成严重的畸变,导致数据解析不能有效识别坑道前方近距离地电信息。为评价畸变段数据对坑道超前探水的影响,建立坑道前方1∶1定量水仓模型,通过在掘进工作面连续观测100 m³以内水量变化情况下的瞬变场响应数据,分析并获得了含水模型的瞬变异常响应特征,确定其响应时窗处于畸变数据段,进一步指出现有坑道超前探水技术仍需不断改进,以提高超前预测精度。     

井下瞬变电磁法超前探测中锚杆干扰定量评价

矿井巷道掘进过程中,利用瞬变电磁法超前探水因易受电磁干扰而使测试效果变差,尤以金属干扰最突出。因此,研究金属干扰特征对于井下水害超前探查技术的提高具有重要意义。针对超前探测情况,以锚杆作为主要干扰源,按现场实际干扰情况,设计井下实体模型试验。分析测试数据认为：锚杆对瞬变电磁探测的干扰程度及特征主要受其自身空间状态(x,y,L)决定;初步确定锚杆的最大干扰距离d为3 m,其中,1.5 m内具有强干扰,1.5～3.0 m区域干扰较弱;划定锚杆外露长度L在0.5 m内为干扰程度变化敏感区,0.5～1.7 m以上基本持水平状态。通过2根锚杆测试数据的对比,近似认为组合干扰信号为2根锚杆单独响应信号的垂直叠加,该结果为金属干扰的校正技术研究提供可循规律。最后,指出受金属干扰的数据需研究其有效性。     

坑道掘进瞬变电磁超前探水解释方法的改进研究

瞬变电磁方法已在坑道超前探水中发挥重要作用。因实际测试时存在电流关断时间,激励场不再满足阶跃关断条件。以水平电偶极子瞬变场响应为基础,给出坑道瞬变电磁多匝小回线中心阶跃瞬变场表达式。通过对3种非阶跃关断瞬变场的响应计算,确定了关断时间的影响范围,指出关断时间的影响对于坑道掘进前方浅部含水体的探测不可忽略。推导了全空间线性关断条件下全程视电阻率算法,从而改进坑道超前探水解释方法。物理模型实验和实例应用结果表明,该方法对于坑道掘进前方浅部含水体的空间划分更好,增强了瞬变电磁法对岩层富水特性的判定能力。     

隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究

针对隧道含水构造的瞬变电磁场响应特征和隧道突水灾害瞬变电磁探测与预报问题进行了两方面的研究:第一,采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演,完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模,并针对典型含水构造进行了响应特征分析;第二,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,并就其解释技术进行了探索。具体研究内容如下:(1)地面和航空瞬变电磁的三维正反演技术在欧美、澳洲等发达国家已经开始应用于工业生产,然而,隧道内的瞬变电磁探测存在一个复杂的伪均匀全空间环境,现有的正演技术均不适用于隧道内的瞬变电磁探测,其主要原因是采用现有方法对隧道探测施加激励源存在难度。针对这一问题,同时考虑有源和无源区域的Maxwell方程组,引入激励源电流密度项到安培定理中,从而实现回线激励源的注入。理论上,这种施加激励源的方法适用于任意复杂的三维模型,但其缺点是增加了计算成本。为了提高计算效率,采用了CPU+GPU异构并行计算方案。为了验证所给出的新激励源施加方法的正确性,首先采用均匀半空间模型解析解与三维FDTD解进行对比,结果显示衰减曲线误差小于5%,视电阻率误差小于3.5%;然后采用四类三层模型(A,H,K,Q)的线性数字滤波解与三维FDTD计算结果进行对比;之后采用均匀半空间包含低阻块体的模型进行计算并与相关研究中的FDTD解和积分方程解进行对比。以地面验证的理论为基础,针对隧道探测进行了专门改进,提出了隧道超前探测瞬变电磁三维正演建模方法,针对直立断层、倾斜断层、充水溶洞等隧道开挖过程中可能遇到的典型含水构造进行了正演模拟,考察了含水构造与掌子面的距离、含水构造规模、含水构造与背景围岩电阻率差异等参数对瞬变电磁响应的影响,得到了部分典型含水构造的瞬变电磁响应特征。针对TBM开挖的隧道,计算和分析了TBM机对瞬变电磁超前探测的影响规律,为隧道瞬变电磁超前地质预报用于TBM施工的隧道进行了数值的探索。分析数值算例后,新发现隧道超前地质预报中尚未采用的水平感应电动势响应对含水构造具有明显的反应,对于判识大规模含水构造具有重要作用。(2)现有的隧道瞬变电磁超前探测一般采用中心回线的方式并在掌子面布置1条测线,得到电阻率断面的二维分布,对含水构造的空间形态与分布规律反映较差。借鉴地面大回线中心装置的工作方式,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,给出了详细的装置布置形式与观测方法。以一维瞬变电磁基本理论为基础,研究了小回线半径下瞬变电磁回线内带偏移距观测点的水平和垂直磁场频率域响应中双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的带偏移距观测点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合获得多项式系数。将得到的频率域响应方程按照反傅里叶变换转换到时间域,得到瞬变电磁回线内带偏移距观测点水平和垂直感应电动势响应的时间域方程,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出了与隧道多点阵列式探测方法配套的水平和垂直感应电动势响应晚期视电阻率公式,从而使隧道多分量阵列式瞬变电磁探测采集的数据能够转换为视电阻率图像进行解释。以层状地层的横向和纵向电阻率合成方法给出了综合利用水平和垂直响应的电阻率矢量合成方法。采用均匀半空间模型和四类三层模型(A,H,K,Q)进行对比验证,并采用现场实测数据进行分析,结果得到了钻孔验证。上述两部分研究工作为瞬变电磁正演理论提供了研究基础,尤其是隧道突水灾害瞬变电磁探测的响应特征研究提供了基础。建立的隧道三维探测方法能够获得三维数据体,连同正演理论为进一步的三维反演提供了研究基础。     

隧道掌子面前方低阻夹层的瞬变电磁探测研究

 实践表明,隧道掌子面前方含水、充泥等不良地质体对隧道施工构成潜在的危险和障碍,严重影响隧道施工速度。由于瞬变电磁法对低阻体反应灵敏,在进行瞬变电磁隧道超前地质预报时,这些含水、充泥等不良地质体通常又可以近似当成一种低阻夹层来处理,因此,利用瞬变电磁法对掌子面前方低阻夹层的探测研究就显得很有意义。采用建立在全空间理论上的瞬变电磁等效导电平面法,利用遗传算法进行计算,并结合视纵向电导及其微分成像对隧道掌子面前方低阻夹层展开相应的正演模拟及应用研究,重点讨论视纵向电导微分成像的电性界面响应特点及其与视电阻率断面等值线联合解释方法,总结出相应的结论和规律,以此来指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁探测的精度及准确度。     

隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

 超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。在收集整理国内外研究资料的基础上,总结钻爆法和TBM施工隧道的超前地质预报技术的研究现状。钻爆法施工隧道超前预报技术取得较大进展,涌现出一批专用的反射地震类、电磁类和电法类超前探测地球物理方法、技术与设备,逐步形成定量化探测思想和综合超前预报技术。认为基于多元地球物理信息融合与联合反演理论的综合超前地质预报技术是压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径;激发极化技术和核磁共振技术则由于其参数对水量的响应敏感性在定量探测水量方面显示出较好的应用前景。同时,TBM施工环境具有其特殊性和复杂性,少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要,总体上处于初步研究阶段,尚没有可用、可靠、有效的超前预报技术。结合课题组的研究特色,介绍3种自主研发的钻爆法隧道超前预报技术的最新进展及其用于TBM环境的可行性,提出了四阶段全过程的隧道综合超前地质预报体系,初步形成基于约束联合反演理论的综合预报方法,在钻爆法施工隧道定量化超前预报方面进行有益探索。最后,对隧道施工超前地质预报的发展趋势及其中的关键问题进行预测,认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势：(1) 隧道施工定量化超前预报理论与技术的发展深化;(2) TBM施工隧道超前地质预报技术与装备;(3) 钻孔精细超前探测理论与技术;(4) 实时超前地质预报与施工灾害监测技术。     

全空间瞬变电磁法技术探查底板水及注浆检测

为了确保矿井安全生产,超前探查并正确处理煤层下覆含水层异常是一项重要工作。本文基于全空间瞬变电磁法理论及应用技术,采用非接触式、多匝数的正方形重叠回线装置探测工作面底板水害体发育位置,钻孔验证了富水范围并注浆加固,检测注浆效果良好。     

隧道瞬变电磁超前预报平行磁场响应探测方法

 通过三维数值试验和模型试验研究,分析平行磁场的响应特征,发现一些新的现象和规律,提出隧道瞬变电磁超前预报平行磁场响应探测方法。数值试验结果表明：(1) 与掌子面平行的磁场响应对于判识掌子面前方的含水构造具有非常明显的响应特征;(2) 对于垂直磁场响应无法识别的含水构造,平行磁场响应仍然具有很明显的响应特征。(3) 当大规模含水构造距离掌子面较近时,平行磁场响应存在2次电动势反向的现象,可直接用于工程中水体的判识。采用数值方法计算TBM开挖隧道进行瞬变电磁超前预报时的响应特征曲线,提出的新探测方法有望应用于TBM开挖隧道的超前预报工作。     

高速公路隧道不良地质超前探测预报研究

隧道不良地质超前探测技术方法主要包括综合地质方法、工程物探方法、数值分析方法等,其中工程物探方法是一种重要的探测方法。本文结合武水高速公路武隆隧道建设实践,在施工过程中应用地质雷达和多波工程地震仪对隧道不良地质进行了超前探测,得到了比较满意的结果,有效地指导了施工。     

基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法与应用

采用地震波法探明隧道前方断层、溶洞等不良地质体,是隧道施工安全的重要保障,而有效的成像方法则是关键。椭圆展开是一种新型的偏移成像方法,已在地表地震勘探中得到应用,然而尚未被引入隧道地震探测中。针对隧道环境,基于非标准椭圆方程,构建了隧道空间观测方式椭圆展开方法,同时重新设定隧道轴线方向为椭圆展开法向出射点方向,实现了对隧道掌子面前方区域地质的成像;通过共震源点地震记录的椭圆展开及相干叠加,最终实现掌子面前不良地质的识别和定位,形成了基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法。在此基础上,基于交错网格有限差分方法,对岩性界面和断层进行了系统的正演成像研究,分析了不同地质模型的成像特征;最后,依托现场进行了探测试验,探测结果与开挖揭露情况基本一致,验证了成像方法的有效性和实用性。     

隧道激发极化法超前探测快速反演研究

突（涌）水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一,掌子面前方存在多个含水构造的情况普遍存在,对隧道前方多个含水构造的超前探测是亟待解决的难题,基于激发极化法中极化率参数对水体响应敏感的特点,将其引入到隧道前方含水体超前探测研究工作中,从正演理论、反演解释、物理模拟和现场应用等方面入手对激发极化超前预报技术进行了较为深入的研究。首先,推导了隧道掌子面前方多个含水构造激发极化法超前探测的理论解公式,采用等效电阻率法计算视极化率观测数据,为激发极化法超前探测快速反演奠定了基础。其次,基于隧道前方多个含水构造的理论解,提出了利用两个阻尼系数控制步长和搜索方向的思路,解决了传统马奎特方法仅依靠一个阻尼系数很难有效同时控制两个变化因素的矛盾;提出了一种改进的马奎特快速反演方法,同时对视电阻率和激发极化数据进行反演,使之对初始模型参数依赖较小,收敛速度较快,精度较高,并对隧道前方存在多个含水构造模型进行了较为成功的反演。最后,物理模型试验和现场实际应用表明,激发极化法超前探测快速反演方法是行之有效的, 为解决隧道多个含水构造超前探测这一难题提供了可行的途径。