多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法，適用于隧道或坑道等地下工程鉆爆法或TBM施工過程中的不良地質(zhì)探測：（1）在工作面上構(gòu)建陣列式測量電極系；（2）在邊墻上組成供電電極系；同時，將另一個供電電極B與測量電極N都置于工作面后遠方；（3）利用位于工作面的供電電極A以及遠方的供電電極B提供正負電流，利用陣列式測量電極系中的每個測量電極M分別測量電勢，并獲取工作面及各斷面中各測量電極M與測量電極N間的電勢差；不斷重復本步驟，直至供電電極系移動到預定位置，探測結(jié)束；（4）采用基于光滑約束的最小二乘線性反演迭代處理，將測得的電勢差數(shù)據(jù)進行反演，得到工作面前方地質(zhì)體的三維電阻率圖像。
【專利說明】多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道或者坑道等地下工程鉆爆法或TBM施工過程中不良地質(zhì)的探測方法，尤其涉及一種基于多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著水利水電工程和交通工程的建設(shè)重點逐步向地形地質(zhì)條件極端復雜的西部山區(qū)和巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，所遇到的工程地質(zhì)條件異常復雜，施工中面臨著突水、突泥等諸多高風險地質(zhì)災(zāi)害。突涌水災(zāi)害給施工安全帶來了重大災(zāi)難和生命財產(chǎn)損失，而預先探明隧道掌子面前方的地質(zhì)災(zāi)害賦存源是規(guī)避和防治重大災(zāi)害事故的有效途徑，因此開展隧道超前預報工作研究顯得尤為迫切和重要。
[0003]作為一種重要的工程地球物理探測技術(shù)，直流電阻率法以其適應(yīng)性強、方便快捷、成本低等諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察、滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境巖土工程評價等領(lǐng)域中。與地面直流電阻率法相比，由于隧道掌子面空間狹小，導致地面的很多探測方法無法應(yīng)用于隧道突涌水災(zāi)害源超前預報。目前直流電阻率法在隧道(巷道)超前預報中大都采用三極法的探測模式，即將供電點A置于掌子面，供電點B置于隧道后方“無窮遠”處，測量電極M、N沿著隧道軸向移動測量。
[0004]這一方法主要面臨以下問題:①由于測量電極MN在掌子面后方移動測量，易受到掌子面后方異常體的干擾；②由于隧道的特殊環(huán)境，隧道三極法的探測模式測線垂直于異常體，導致對掌子面近處的異常體響應(yīng)敏感，對遠處的異常體響應(yīng)相對不敏感，且供電與接收屬于一維的探測模式，分辨率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種動電源點供電、陣列電極接收的基于多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法，適用于隧道或坑道等地下工程鉆爆法或TBM施工過程中的不良地質(zhì)探測。利用多同性源供電的方式來有效壓制地下工程工作面后方異常體的干擾，并抑制工作面近處異常體的敏感性，從而相對提高了工作面遠處異常體的敏感性，陣列式測量電極的接收模式提高了對異常體的空間分辨率。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法，它包括以下步驟:
[0008]( I)在地下工程工作面上布置多條平行的測線，在各測線上設(shè)置數(shù)量相同、間距為d的測量電極M，構(gòu)成陣列式測量電極系；
[0009](2)沿地下工程工作面輪廓線、在陣列式測量電極系的外圍均勻布多個供電電極A，然后以這些供電電極A為出發(fā)點在邊墻上布置供電測線，并在每條供電測線上再布置若干間隔相同的位于同一工作斷面上的供電電極A，從而組成供電電極系；同時，將另一個供電電極B與測量電極N都置于工作面后遠方；
[0010](3)利用位于工作面的供電電極A以及遠方的供電電極B提供正負電流，利用陣列式測量電極系中的每個測量電極M分別測量電勢，并獲取各測量電極M與測量電極N間的電勢差；然后依次選擇工作面后方下一工作斷面上的供電電極A提供相同大小的正電流，并繼續(xù)測量陣列式測量電極系的電勢，上位機計算相應(yīng)電勢差；不斷重復本步驟，直至供電電極系移動到預定位置，探測結(jié)束；
[0011](4)上位機采用基于光滑約束的最小二乘線性反演迭代處理，將步驟(3)中測得的陣列式測量電極系的電勢差數(shù)據(jù)進行反演，得到工作面前方地質(zhì)體的三維電阻率圖像。
[0012]所述步驟(4)中，反演目標函數(shù)如下:
[0013]Φ = ( Δ d-Α Δ m)τ ( Δ d-Α Δ m) + λ (CAm)T (CAm) (I)
[0014]式中，Φ為反演目標函數(shù)，Ad為觀測數(shù)據(jù)的差值，A為偏導數(shù)矩陣，Am為模型參數(shù)修正量，C為光滑度矩陣，λ為拉格朗日常數(shù)，決定了光滑約束的權(quán)重；
[0015]對公式(I)進行變分之后得到具有光滑約束的三維電阻率反演方程:
[0016](ΑΤΑ+λ CtC) Λm = At Λ d (2)
[0017]m(k+1) = m(k)+Am (3)
[0018]式中，m(k)為第k次迭代中的模型參數(shù)向量，m(k+1)為下一次反演迭代中的模型參數(shù)向量。
[0019]進行反演成像時，首先給模型參數(shù)賦初值并進行正演計算，將正演得到的理論觀測數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行比較，如果方差小于用戶的設(shè)定值，則輸出模型參數(shù)；
[0020]否則，計算偏導數(shù)矩陣A、光滑度矩陣C、以及理論觀測數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)的差值A(chǔ)d，代入方程(2)求得每次反演迭代中的模型參數(shù)修正量Am，再代入方程(3)得到下一次迭代中的模型參數(shù)m(k+1)，直至正演的理論觀測數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的方差小于設(shè)定值，則輸出模型參數(shù)，從而通過反演得到工作面前方地質(zhì)體的三維電阻率圖像。
[0021]一種多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測系統(tǒng)，它包括布置在地下工程工作面上的多條平行測線，在各測線上設(shè)置數(shù)量相同、間距為d的測量電極M，構(gòu)成陣列式測量電極系；
[0022]在地下工程工作面輪廓線以及陣列式測量電極系的外圍均勻布多個供電電極A，以這些供電電極A為出發(fā)點在邊墻上布置供電測線，并在每條供電測線上再布置若干間隔相同的位于同一工作斷面上的供電電極A，從而組成供電電極系；
[0023]同時，將另一個供電電極B與測量電極N都置于工作面后遠方；
[0024]所述各供電電極均與電源連接，所述各測量電極則與上位機連接。
[0025]所述平行測線有3條，分別為U、L2和L3，它們布置在距離底部j//、I丑和*丑的高度上，其中H為拱頂距離底部的高度。
[0026]所述供電電極B與測量電極N置于工作面后方距離工作面無窮遠處，例如100-150m處，此處的100-150m，是無窮遠位置，大于5倍的AM即可，IOOm和150m都是大于的，一般認為結(jié)果是沒有差異的。
[0027]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0028](I)利用多同性源供電可以有效地壓制地下工程工作面后方異常體的干擾，并能夠降低掌子面近處異常體的敏感性，從而使得工作面遠處異常體的敏感性相對提高；
[0029](2)采用陣列式測量電極的接收模式，有效地提高了對異常體的空間分辨率，增大了探測距離。
[0030](3)采用多個同性源供電電極，與傳統(tǒng)三極法相比，降低了掌子面近處異常比，提高了掌子面原處的異常，如表1所示。對于掌子面近處的異常體(4m)，同性源異常比13.1%小于傳統(tǒng)定點源異常比16.1%，降低了掌子面近處異常體的敏感性；對于掌子面遠處的異常體同性源異常比均大于傳統(tǒng)定點源異常，從而提高了對遠處異常體的探測能力。
[0031]表1不同探測距離異常對比
【權(quán)利要求】
1.一種多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測方法，其特征是，它包括以下步驟: (1)在地下工程工作面上布置多條平行的測線，在各測線上設(shè)置數(shù)量相同、間距為d的測量電極M，構(gòu)成陣列式測量電極系； (2)沿地下工程工作面輪廓線、在陣列式測量電極系的外圍均勻布多個供電電極A，然后以這些供電電極A為出發(fā)點在邊墻上布置供電測線，并在每條供電測線上再布置若干間隔相同的位于同一工作斷面上的供電電極A,從而組成供電電極系；同時，將另一個供電電極B與測量電極N都置于工作面后遠方； (3)利用位于工作面的供電電極A以及遠方的供電電極B提供正負電流，利用陣列式測量電極系中的每個測量電極M分別測量電勢，并獲取各測量電極M與測量電極N間的電勢差；然后依次選擇工作面后方下一工作斷面上的供電電極A提供相同大小的正電流，并繼續(xù)測量陣列式測量電極系的電勢，上位機計算相應(yīng)電勢差；不斷重復本步驟，直至供電電極系移動到預定位置，探測結(jié)束； (4)上位機采用基于光滑約束的最小二乘線性反演迭代處理，將步驟(3)中測得的陣列式測量電極系的電勢差數(shù)據(jù)進行反演，得到工作面前方地質(zhì)體的三維電阻率圖像。
2.—種多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測系統(tǒng)，其特征是，它包括布置在地下工程工作面上的多條平行測線，在各測線上設(shè)置數(shù)量相同、間距為d的測量電極M，構(gòu)成陣列式測量電極系； 在地下工程工作面輪廓線以及陣列式測量電極系的外圍均勻布多個供電電極A，以這些供電電極A為出發(fā)點在邊墻上布置供電測線，并在每條供電測線上再布置若干間隔相同的位于同一工作斷面上的供電電極A，從而組成供電電極系； 同時，將另一個供電電極B與測量電極N都置于工作面后遠方； 所述各供電電極均與電源連接，所述各測量電極則與上位機連接。
3.如權(quán)利要求2所述的基于多同性源電極陣列電阻率的地下工程超前探測系統(tǒng),其特征是，所述平行測線有3條，分別為LpL2和L3,它們布置在距離底部、P和去開的高度上，其中H為拱頂距離底部的高度。
【文檔編號】G01V3/06GK103645514SQ201310729095
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】劉斌, 李術(shù)才, 聶利超, 楊為民, 王傳武, 田明禛, 陳磊, 宋杰, 劉征宇, 李樹忱, 王世睿, 李堯 申請人:山東大學