（地球探测与信息技术专业论文）聚焦电流法隧道超前预报探测研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 隧道施工中的地质超前预报关系到工程的安全、质量和进度，因而倍受关注。直流 电法由于工作方便、原理简单、仪器简便易操作，在隧道超前预报中有了一定的应用，但 是易受旁侧干扰，在超前预报中一直不是主流方法。文章根据测井电流聚焦条件下的电极 布置方式，设计了聚焦电流隧道超前预报的电极布置方式，利用屏蔽电极控制电流方向， 使电流有探照灯一样的功能，从而解决传统电流电阻率超前预报探测遇到的旁侧影响问 题。 论文首先介绍了目前超前预报的主要方法及在实际施工中的应用，直流电法隧道超 前探测的研究现状、实际应用效果以及存在的问题。 其次根据测井的聚焦电流的电极布置，分析屏蔽电极产生的电场的特征，设计了聚 焦电流法超前预报探测的电极布置方式。 然后用有限单元法对聚焦电流法超前预报进行有限元模拟，根据当异常体在坑道中 间时随着掌子面不断靠近异常体归一化电位的变化曲线，分析论文设计的聚焦电流超前探 测电极布置方式的可行性。 最后在正演模拟的基础上进行导电纸和土槽实验，设置供电极距、异常体到掌子面 的垂直距离( h ) 、异常体到隧道中线的距离( l ) 、异常体大小等各种参数分析聚焦电流 法隧道超前预报的影响因素和超前探测范围，并比较了设计的聚焦电流的电极布置超前探 测的效果，验证了聚焦电流法超前探测的适用性。 通过有限元三维正演模拟、导电纸实验和土槽实验证明，论文设计的利用屏蔽电极控 制电流方向而使电流聚焦的电极布置方式有较好的超前探测效果，而且数据分析解释简 单。 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t g e o l o g i c a lp r e d i c t i o no ft l l l l i l e lc o n s t l l l c t i o nr e l a t e st 0t l l es a f e t y ，q u a l i t y 觚dp r 0 伊e s sa n d h a sd ra _ 、吼乒e a t e ra t t e n t i o n d ce l e c 仃i c a lm e t h o dh 硒b e w i d e l ya p p l i e dt om ea d v a i l c e d d e t e c t i o no ft i l 衄e i s ，b e c a u s eo fc o n v e i l i 锄t ，s i m p l ep r i n c i p l e ，h a l l d y 锄de a s ym a l l i p u l a t i v e 印p a r a t 邺，h o w e v e r i ti se 弱yt 0 b ed i s t u r b e db yt h es i d ea n o m a l i e s ，t h e r e f o r ei ti s n ta m a i n s t r e 锄m e t l l o d h lt h i sp a p e r ，t l l ee l e c t r o d el 码r o u ti sd e s i 印e di nt u i m e lc u r r e mf o c u s e d f o r e c 硒t 锄dt h es m e l d i n ge l e c t r o d e sw l l i c hc o n t r o lt l l ed i r c c t i o no fc u r r 锄ta r eu s e dt om a ：k em e c u r f e n th a st h es 锄ef i l n c t i o nw i m a r c h l i g h t sa c c o r d i n gt ot h ec u r r e n te l e c 仃0 d el ，o u to f f o c u s e dl o g g i n g ，s o 蕊t 0s 9 l v e 血en 卸“n gh e r 】f e r e i l c eo ft h em i d i t i o n a la d v 觚c e dr c s i s t i v i t y f 1 0 r e c a s td e t e c t i o n f i r s t l y w ei 1 1 t r o d u c em em a i n l ym e m o d so nt 1 1 e c u l l r tp r c d i c t i o ni i lt h ea c 删 c o i l s 劬c t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fd ce l e c t r i c a la d v 纽c e dd e t e c t i o ni nt u i m e l s ，a c t u a _ la p p l i c a t i o n e f f c c t s 锄dt h ep r o b l 锄se x i s t e d s e c o n d l y t h ee l e c 们d es h i e l d i n gc h a r a c ：t 甜s t i c so ft h ee i e c t r i c f i e l da r c 趾a l y s e da 1 1 d e l e c 仰d el a y o u ti sd e s i 印e di nt l l et i l 】呲e lc u m i n tf o c u s e df o r e c a s t 孔c o r d i n gt 0t h ec u 丌c 舡t e l e c t r o d el a y o u to ff o c u s e dl o g 百n g t h e n ，t 1 1 ef o c u s e dc l 盯如ta d v a n c e dd e t e c t i n gf 0 r e c a s t i sm o d e l e db yf e ma n dm e f e 硒i b i l i t yo fe l e c n d d el a y o u ti sd i s c u s s e d c o r d i i 培t 0n o 皿a l i z a t i o no ft h ep o t e n t i a lc u r v e w h e nt h ea b n o n n a lb o d yi i lt h em i d d l et u 】n i l e la p p r o a c h c sn l e 眦lf k e f i n a l l y ，w ec a r r yo u tt 1 1 ec o n d u c t i v ep a p e re x p e r i m e l l 晒觚dt l l ec l a yt e s t ，s c tu pp o w e r d i s t a l l c e ，v e n i c a ld i s t a n c e ( h ) 丘d ma _ b n o 衄a ib o d yt 0m ew o f i ( i n g f a c ea r l dt i 坞d i s t a n c e ( l ) 丘d ma n o m a l o u sb o d yt 0m en m n e lm i d d l e ，a b n 0 册a ls i z e ，觚ds o0 n ，a l a l y s em el i i 曲1 i 曲t s o fc 击e n tp a r 锄e t e 瑙o ft h e 咖e lf o r e c 勰t i n gf a c t o r sa r l dm ei m p a c to fa d v a n c e dd c t e c t i n g r a n g c ，c o m p a r et h ed e t e c t i n ge 成c to ft h ef o c u s e dc u r r 锄te l e c 仃0 d el a y o u t ，锄dv 舐矽t h e 印p l i c a b i l i t yo fa d v 锄c e dd e t e c t i o no nm eb 商so ft l l ef 0 n a r di n o d e l i n g i tp r o v e se 衢c i e n tt 0c o n 仃0 lm e 伽i r r e n td i r e c t i o n 锄df o c u st h ec u n l e n tb ys h i e l d i i l g e l e c t m d ea r r a n g e m e n ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f3 df i n i t ee l e m e mf 0 刑a r dm o d e l i n g ， c o n d u c t i v ep a p e re x p e r i m e n t 狮dc l a yt e s t ，锄dt l l ed a 睁a r ee 硒yt 0 锄a l y s e 锄di n t e 叩r e t 1 ( e y w o r d s ：f o c u s e dc u 盯明t ，a d v 锄c e df o r e c a s t s ，s h i e l d i n ge l e c t r o d e ，e l e c t r o d el a y o u t ， n o 九n a l i z a t i o no fp o t e n t i a l u 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在阮百尧教授指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文 中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：f 自：勰 签字日期：j 口蘑争醪一 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文：在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 。 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 第1 章前言 由于岩体的复杂性，使得隧洞施工前地质预报所获得的资料与隧洞开挖后实际揭露出 来的情况可能会有较大的出入，施工中经常出现预料不到的塌方、冒项、涌水等事故，这 些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡， 如何解决这一难题，备受世界各国隧洞工程界的关注，隧洞施工地质超前预报正是在这种 情况下提出的。隧道施工地质超前预报，就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的 有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方 岩体情况或成灾可能性做出预报。它要解决的问题主要有三个方面，包括断裂、破碎带等 不良地质对象的性质、规模的判定；不良地质体的位置及产状的确定：岩体工程类别的识 别等。由于隧道内可供观测的空间有限，观测方案受到限制，因而要准确的达到预报的要 求难度很大。多年来国内外的工程地球物理工作者在不断地改进探测技术和分析方法，试 图提高预报的可靠性和精度，已经取得了很多成功的经验。但是目前的技术水平在预报准 确性和可靠性方面还有待提高。 1 1 目前隧道超前预报的主要方法 隧道超前预报关系到工程的安全、质量和进度，它可为塌方、涌水、涌泥等地质灾害 提供预测资料，是一个国际前沿问题，也是一个难题，各国都在研究中，欧洲开始的较早 ( 2 0 世纪8 0 年代) ，美洲稍晚些( 2 0 世纪9 0 年代) 。我国是对隧道超前探测研究较早 的国家之一，国内隧道施工期地质超前预报研究始于2 0 世纪5 0 年代中期，7 0 年代我国 工程地质界的老前辈谷德振教授等根据施工进度和掌子面地质形状成功地预测了巷道前 方的断层，拉开了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用的序幕。近年来，隧道超前 探测研究取得了很大的进步，也涌现了各种各样的方法，这些方法各有长短。 隧道超前预报关系到工程的安全、质量和进度，因而倍受关注，是当前隧道施工中急 需解决的重要问题。它可为塌方、涌水、涌泥等地质灾害提供预测资料。总的来说，它们 可以分为两大类，一是地质类；二是地球物理类。 地质类的方法主要有以下几种： ( 1 ) 正洞地质素描昭1 ：地质素描是对开挖面的地质情况如实、准确的反映。素描的 主要内容包括地层岩性、构造发育情况( 含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉) 、地下水的出 水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描是利用所见正洞己开挖段 的地质情况，预报前方可能出现的不良地质条件( 断层等) 。针对断层而言，又分断层露头作 图法和断层前兆特征法。正洞地质素描方法的主要优点在于其并不占用施工时间，也并不 l 桂林工学院硕士学位论文 妨碍施工，同时能快速地得出结果，美中不足的是其对那些倾斜的异常构造预判效果较差。 ( 2 ) 超前导坑法：超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布 置平行于正洞，断面小而且与正洞之间有一定的距离，在施工过程中通过对导坑中遇到的 构造、结构面或地下水等情况绘制地质素描图，对正洞的地质条件进行预报。该方法预报 较准确，但成本太高，并且在地质情况复杂的地区效果较差。中铁西南科学研究院，铁道 部第一勘察院，西南交大口1 在秦岭隧道施工中进行了有益的尝试，并取得了较好的效果。 超前正洞导洞( 坑) 法则是先沿隧道正洞轴线开挖小导洞( 坑) ，探明前方的地质情况，再将 导洞( 坑) 扩为隧道断面。在国内采用正洞导坑法的并不多见，北京八达岭高速公路隧道部 分地段的施工过程中采用了超前正洞导洞( 坑) 法h 1 。 ( 3 ) 水平超前探孔：水平超前探孔方法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据 隧道中线水平方向上的钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。钻孔的数量、角度及钻孔长 度可人为设计和控制。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、 气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断。探孔的方法较为直观，缺点在于对 与隧道轴线平行的构造预报无反映，而且成本较大。中铁西南科学研究院碡1 在京广铁路衡 阳至广州复线大瑶山隧道，大秦二期天马山隧道曾采用此方法成功地进行了两次超前地质 预报。 地质法超前探测本身有着较大的局限性，因此，以地震反射、声波反射、地质雷达、 t s p 2 0 3 隧道超前地质预报系统等为代表的一系列的地球物理方法开始发展起来，并逐渐 代替地质法而成为隧道超前地质预报的主流。运用直流电阻率法进行隧道超前探测的研究 正处于探索和快速发展的阶段。 ( 1 ) 地质雷达法险7 1 ：地质雷达是利用超高频脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物 理勘探方法，其工作原理是发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号( 1 0 l o hz ) ，在 电磁波向前方传播的过程中，当遇到电性差异的目标体( 如空洞、裂隙、岩溶等) 时，电磁 波便发生反射，由接收天线接收反射波。根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等 参数便可推断掌子面前方的地质构造。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度 和波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化，故通过对时域波形的采集、处理和 分析，可确定地下界面或目标体的空间位置及结构。其主要用于预测掌子面前方3 5m 范围 内的工程地质问题，如：查找隐伏岩溶、暗河、采空区、地层破碎带、裂隙发育带以及其它 不良地质体等，特别在探查与洞穴有关的工程地质异常时具有明显的优势，其分辨率高、 探测误差小、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便，但是其预报距离较 短，坑道内的金属构件对探测结果的影响非常大且难以消除。该方法在深圳机荷高速公路 盐田港支线正坑隧道以及贵州省崇遵高速夏家庙隧道的施工中获得了较大的成功。 2 桂林工学院硕士学位论文 ( 2 ) 陆地声纳技术，红外探水技术在隧道超前地质探测中亦有应用，但在国内隧道 施工案例中至今较少，韦万川，陆兆康，李开兴阳1 等人对红外仪激发仪在井巷中超前探水 预测预报技术进行研究，用红外测温仪在井筒中进行全空间全方位定点探测，测点距离一 般2 m ，分别在底板、顶板、左帮、右帮逐点施测，绘出温差( t r a d ) 探测曲线，找出异常点所 在的帮、壁、定向含水部位。然后用双频激电仪在井筒下帮壁定点( m 、o 、n ) ，布极( a 、b ) ， 点距一般2 m ，进行逐点供电观测，通过计算，绘出视高频电阻率p 值曲线图，分析异常点 ( 段) 所处在的空间位置，从而超前预测预报井筒前方未掘部分含水地段。该方法成功地对 广西大厂矿田斜井前方的地质状况进行了预报。 ( 3 ) 反射地震法肛：反射地震法又称时域法，即在时间域上研究波的振动曲线， 是工程物探中比较可靠的方法之一。该方法通常是通过对介质的瞬间激振后，分析介质内 部速度随时间的变化曲线，它是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情 况。在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层 波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。反射界面与测线直立正交时，所接收的反射 波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位 置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。用反射波法进行超 前地质预报的优势是操作简便易行、节约费用、不影响施工，是属于短距离预报方法的一 种。为了用反射地震信号探测隧道掌子面前方的地质情况，地球物理工作者从观测方式和 处理方法两方面进行了专门的研究，并形成了不同的观测和处理技术。国外常用的是v s p 法n 引，电磁驱动可控震源法，有时由于条件的限制，有些地区不适合采用炸药震源，而且炸 药震源费用高、危险大。即可采用电磁驱动的高频可控震，林铁成、林君、陈祖赋等运用 此法在鞍山东山隧道上进行了实际探测，与已知资料相比，得到了满意的结果。 ( 4 ) t s p 法n 1 7 1 ：t s p ( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) 超前预报系统是利用地震波在不 均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。t s p 超前地质预报系统的基本原理是：人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震源断 面，这些震源发出的地震波遇到地层层面、节理面，特别是断层破碎带截面和溶洞、暗河、 岩溶陷落拄、淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，这些反射波信号的传播速度、延 迟时间、波形、强度和方向均于相关界面的性质、产状密切相关。 2 0 0 5 年瑞士的安伯格测量公司开发出了t s p w i n 2 0 软件，这一软件经过这些设计， 用于测量和处理各种地下工程中采集的隧道地质预报数据。利用t s p 2 0 3 采集系统进行的 地震测量以正确的数据格式存储，可以用来做全面的处理和评估。t s p w i n 2 0 软件可以定 义工程数据信息( 隧道横断面、接收点和炮点坐标、掌子面位置) ，并将这些定义的数据信 3 桂林工学院硕士学位论文 息用于地震测量数据的计算中。目前，t s p 测量方法已经成为瑞士众多隧道工程施工中的 必不可少的地质超前预报手段。另外，t s p 测量系统同样也能用于山岭水电工程的地质预 报以及作为矿山生产过程中的一种探矿手段，用于探测矿体与围岩的界线，由此带来的直 接经济效益将是非常可观的。近年来，在瑞士隧道工程施工中普遍使用了安伯格测量技术 公司研制的地震法测量系统t s p 用来预报掘进前方的地质情况。t s p 地震超前预报测量 已成为保证隧道施工安全和工程质量的重要手段，并带来了巨大的经济效益，采用t s p 测 量能大大减少施工中的盲目性，减少事故发生率，从而能降低工程投资，缩短工期。这种 测量系统同样也能用来作为水电和矿山工程中的地质预报和探矿手段。 t s p 超前预报系统被我国引进以来，目前已有少量研究及生产单位引进并开始该方法 的使用，但主要用于公路系统中隧洞开挖，而西南喀斯特地区深埋岩溶及地下水探测尚没 有深入研究，但还有许多问题亟待解决，如噪声干扰和识别、频率细化、天然场与人工场 的关系、地形影响和校正、静态效应问题等。认真研究和解决这些问题，对进一步消除噪 声。提高信噪比；加密频点，提高分辨率：消除各种客观和主观的影响因素，提高解释精 度十分必要。 ( 5 ) 瞬变电磁法n 卜纠：瞬变电磁法是国内外隧道超前探测中一种比较成熟的方法， 他的基本原理是利用阶跃波或其他脉冲电流场源激励大地产生过渡过程场，断电瞬间在大 地中形成涡旋交变电磁场，测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减 特性，从而达到解决地质问题的目的。这一方法具有装置轻便、快速扫描、工作效率高、 分辨能力强、在高阻地区探测不受围岩屏蔽等特点。在国内的隧道探测中有大量成功的案 例。薛国强、宋建平、武军杰等在山西境内某两条过境高速公路隧道中获得了成功应用， 吴有信在宜万铁路马鹿箐隧道超前探测中也取得了良好的效果。 目前地质雷达法、地震反射波法、t s p 超前预报地质系统和瞬变电磁法都有一定的应 用，电法在隧道超前预报中应用较少，一方面由于隧道复杂的地电环境，使得电场的分布 较地面情况更为复杂，影响探测效果，数据的分析和解释难度也更大：另一方面是隧道有 限的工作空间也限制了电法隧道超前预报的开展。其实，在隧道施工中，含水断层、充水 充泥溶洞、陷落柱、破碎带、软弱地层等不良地质体是主要的安全隐患。这些与水体相关 的不良地质体是超前探测的主要内容。客观上讲，隧道超前探测的不良地质体与围岩具有 较明显的电性差异，因此，利用电法进行隧道超前探测有较好的理论前提。 1 2 直流电法隧道超前探测的研究现状、实际应用效果以及存在的问题 目前的超前预报方法以地震反射、声波反射、地质雷达、t s p 2 0 3 隧道超前地质预报 4 桂林工学院硕士学位论文 系统为主，电法超前预报探测较少。目前世界上第一台电法隧道超前探测的仪器是由德国 g e o h y d r a u l i cd a t a 公司推出的产品b e a m ( b o r e t u n n e li n ge l e c t r i c a la h e a d m o n i t o r i n g ) ，它是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其基本原理属电磁学理论范畴， 即应用电流的频域诱导极化特征来探测掌子面前方存在的异常。实施过程是依据在掌子面 四周布置一圈a 1 极发射互斥的电流，在a 1 的内部布置a 0 电极来接收监测电流，通过频 率效应百分比p f e ，与电阻率 o h 咖 值的不规则组合情况来描述掌子面前方的地质和 水文地质情况，即岩体类型和含水情况。这种仪器在欧洲许多国家都已得到应用，但在我 国尚未引进，至今国内超前预报的电法超前探测一般采用直流工作方法。 电法超前探测从2 0 世纪8 0 年代后期开始，随着我国矿井直流电法的进步而发展起来， 工作中大多使用单极一偶极装置1 2 3 】，即利用点电极a 供电，电极b 置于无穷远处，测量电极 mn 在掘进头后方反向一定范围观测点电源所产生的等电位球面异常，据此推断解释掘进 头前方的地质异常体。 冯玉静，王帮成f 驯等提出的点电源法是将供电极a 置于巷道迎头，b 置于较远处( 一般 o b 3 5 0 a ) 。其电场影响可忽略不计。则a 极电场可近似为一球体，其电流线自a 呈均匀辐 射状分布，且任何一点的电位u 和电场强度e 都具有球中心对称性，那么巷道迎头后方p 点的电位u 值等于巷道前方对称位置p 的电位值，通过仪器可测得距a 为y 的p 点的视 电阻率ps ，如果巷道前方存在断层、陷落柱、老窑空区等地质异常体。则会改变点电源场 的分布特征，使电流线分布发生畸变，观测到的p 值也相应发生变化，因此，通过观测巷道 后方ps 的变化情况，就可探测巷道前方隐伏地质异常体的存在。但该方法存在着探测距 离有限，容易受巷道条件( 浮煤、轨道、电、磁) 等影响的缺点。 宁书年，李育芳，史付生汹1 等人对巷道超前探测的理论进行了探讨和尝试，他们利用 沙泥岩和灰岩电性差异，采用地面电法常用的垂向电阻率测深法，成功地运用于太行山某 矿区的巷道探测，这为地面电法从平面走向立体全方位探测进行了有益的尝试，开辟了一 条新的途径。 。 闫高翔汹1 提出了隧道超前地质预报中采用的高分辨率直流电法探测，该方法以岩石的 电性差异为基础，在全空间条件下建立电场，电流通过布置在隧道内的供电电极，在围岩 中建立起全空间的稳定电场，通过研究电场或电磁场的分布规律，预报工作面前方含、导 水构造分布和发育情况。此方法在隧道施工超前地质预报中的应用，特别是在对地下水预 报方面，为超前地质预报提供了_ 种新的尝试，但仍存在很多不足，如设备的功率还不够 大，探测的距离还不够长等问题。 李玉宝倥7 1 提出了以“点电源”原理为理论依据的矿井电法超前探测技术，该方法是在 原“三极测深 汹1 基础上改进发展而来的，具有快速、简便、测距大、适应性强、对水 体敏感等优点，探测距离可达4 0 一6 0 米，但其要求探测范围内无积水、无大量金属物、 无施工干扰。 s 桂林工学院硕士学位论文 刘青雯汹1 提出了三点一三极超前探测方法，其特点是能避免掘进头后方巷道及层状地 层电性变化的影响，突出巷道前方的地质异常，避免了仅用原始视电阻率曲线为人为判断 解释造成的许多缺点，大大提高了解释准确度( 9 0 以上) 。 程久龙咖1 等通过建立超前探测实际地电模型，进行单极一偶极法理论视电阻率曲线的 计算，探讨了巷道前方存在低阻地质异常体的电阻率响应特征，提出了工作方法和解释方 法。对无限大板状体超前探测的全空间电场分布进行了推导、计算和分析，得出了一些结 论。 黄俊革、王家林、阮百尧d 叫3 别等在坑道直流电阻率法的研究中，其研究结果与程久 龙等的研究结果有差异，计算所得视电阻率异常的幅值、形态也有所不同。他们提出了坑 道空腔的存在使其周围电场分布不同于全空间的电场分布，以无限大板状体为例求解全空 间的电场分布，用探厚比概念以讨论超前探测极限问题，并能根据坑道空间的特点，设计 快速、有效的反演方法1 对异常体的各种参数进行综合反演，使电阻率超前探测方法在实 际中得到应用。 直流电法工作方便，原理简单，仪器简便易操作，但由于易受旁侧干扰，在超前预报 中一直不是主流方法。为此，本论文设计了利用屏蔽电极使供电电极中间的电流向前聚焦 的电极布置方式进行隧道超前预报，从而解决传统直流电阻率超前预报探测遇到的旁侧影 响问题，并通过导电纸实验、土槽实验进行隧道超前探测进行模拟，分析其超前探测效果。 聚焦电流法在电阻率测井中已经有了一定的应用，如三电极侧向测井、七电极侧向测井、 微侧向测井和微球形聚焦测井等，其曲线显示比普通电测好，划分薄层能力较好，而且不 受屏蔽影响，仍能反应岩层的真实电学性质，有很好的应用效果。 1 3 论文主要研究内容 基于目前隧道超前预报的方法以及电法特别是直流电法在隧道超前预报中的应用，我 们根据测井的电流聚焦条件下的电极布置方式，提出了聚焦电流法隧道预报探测研究，该 方法的电极布置将使电流具有象探照灯一样的功能，通过“聚焦电流来控制勘探的方向， 获取隧道目标方向上有利的典型信息。这种方法将非常容易从随着隧道的开挖实时监测得 到的电场( 电位) 实测曲线变化，判断出工作面前方是否存在有不均匀地质体( 特别是低 阻水体) ，在分析电极布置方式及电位曲线异常特征基础上研究聚焦电流法的异常曲线特 征，分析其在隧道超前探测中的应用前景。 研究内容包括： ( 1 ) 了解前人对超前预报在隧道工程中的实际应用及应用效果，特别是对直流电法超 前预报的研究现状及在实际施工中存在的问题，根据屏蔽电极在聚焦电流测井电极布置方 6 桂林工学院硕士学位论文 式中的应用，研究聚焦电流法超前预报的电极布置方式； ( 2 ) 对隧道超前预报进行三维有限元数值模拟，根据当异常体在掌子面正前方时随着 掌子面不断靠近异常体时设置的电极布置方式的归一化电位( u ip ) 曲线分析利用屏蔽 电极控制电流方向的聚焦电流法隧道超前预报的可行性。 ( 3 ) 设置导电纸实验的电极布置方式，根据随着隧道的开挖实时监测得到的电场( 电 位) 实测曲线，分析两种电极布置方式的超前探测范围，比较各种电极布置方式的优缺点。 设置隧道宽、电极距、异常体大小、异常体与掌子面的垂直距离及异常体与掌子面中心的 距离等参数，通过研究以上参数不同时测量参数的变化曲线，对聚焦电流法隧道超前预 报的异常特征进行分析： ( 4 ) 在导电纸实验的基础上进行土槽实验，设置隧道宽、圆形电极半径或矩形电极的 边长、异常体大小、异常体与掌子面的垂直距离、异常体与掌子面中心的距离以及隧道的 形状等参数，通过研究以上参数不同时测量参数的变化曲线，对聚焦电流法隧道超前预报 的超前探测范围和异常特征进行分析，比较不同电极布置方式的优缺点； ( 5 ) 综合导电纸和土槽实验，研究聚焦电流法隧道超前探测的探测范围、探测效果及 影响因素。 1 4 本文结构 第一章引言：介绍了目前超前预报的主要方法及在实际施工中的应用，直流电法隧 道超前探测的研究现状、实际应用效果以及存在的问题，并根据测井聚焦电流的电极布置 方式，提出利用屏蔽电极来控制电流方向的聚焦电流法隧道超前预报探测。 第二章测井中聚焦电流的电极布置方式及原理：本章介绍了测井中三电极侧向测井、 七电极侧向测井、微侧向测井、临近侧向测井和微球形聚焦测井五种聚焦电流的电极布置 方式、原理和实际应用效果。 第三章设计的电极布置方式及原理：设计的聚焦电流超前探测的电极都是利用屏蔽 电极控制电流的方向，使电流聚焦。这章中我们讨论了布设在掌子面上的屏蔽电极产生的 场的特征，提出了两种电极布置方式即只用屏蔽电极供电( 导电纸实验为a 。一m a ：装置， 土槽实验为凡供电装置) 和在屏蔽电极中间增加一个主电极同时供电( 导电纸实验为a ，一m 一凡一m 。a ：装置，土槽实验为a 。一凡供电装置) ，并介绍了其原理。 第四章聚焦电流法超前探测的有限元正演模拟：用有限元三维正演计算了当异常体 在坑道中间时两种电极布置方式的归一化电位( u 工p ) ，根据归一化电位曲线分析聚焦电 7 桂林工学院硕士学位论文 流法超前探测的可行性。 第五章基于导电纸实验的聚焦电流超前探测电极布置研究：在导电纸实验中我们通 过即a 。一m a 。装置和a 。一m 一凡一m 。一a ：装置归一化电位曲线，分析了两种装置的超前探测范 围、聚焦电流法隧道超前探测的影响因素和应用效果。 第六章基于土槽实验的聚焦电流超前探测电极布置研究：土槽实验通过a 供电装置 和a 。一供电装置的归一化电位曲线，分析了两种装置的超前探测范围、聚焦电流法隧道 超前探测的影响因素和应用效果。 第七章结论和建议：总结文章的研究成果，提出今后发展的方向和建议。 桂林工学院硕士学位论文 第2 章测井中聚焦电流电极系的布置及原理 测井作为石油勘探的一种手段，已经有半个多世纪的历史。由于它在生产中的显著地 质效果，一开始就受到人们的重视，到目前已经成为石油勘探和开发过程中的一个不可缺 少的工作环节。由于它的研究内容和解决地质任务的能力，以及工作方法和测量设备相对 于其他地球物理勘探方法具有不同的特点，同时还有一些只适用于在井内条件下使用的地 球物理方法，例如密度测井、中子测井等和地球物理方法，因此钻井地球物理勘探已发展 成为地球物理勘探方法中的一个独立分支。测井的方法主要有j 普通电阻率法测井、聚焦 电极系电阻率法测井、感应测井、自然电位测井、声波测井、自然伽玛测并、密度测井、 中子测井等等。 为了评价油层的含油性和计算含油饱和度，需要精确地求得地层电子率。求电阻率的 方法有很多，比如普通电极系电阻率的横向测井，感应测井等。但是，每种方法都有它特 定的条件限制。对于普通电极系电阻率法测井，在地层比较厚、油层电阻率不太高并且你 讲电阻率不是太低的情况下，能够获得较好的结果。然而，通常会遇到钻井泥浆的矿化度 很高，即电阻率很低( 盐水泥浆) 、地层电阻率很高且薄或邻层和围岩的影响很大的情况。 这时，泥浆的分流作用很强，大部分供电电流进不到地层中去。为解决这个问题，发展了 带聚流电极的电阻率法测井，即侧向测井。 侧向测井的基本原理是在主供电电极两侧加上两个屏蔽电极，并向屏蔽电极供以相同 极性的电流，使其电位与主电极相等，迫使主电极电流不能在井眼中上下流动，而成水平 片状进入地层，把井的分流作用和围岩影响减到最小。侧向测井按电极系结构特点和电极 数目的不同又分为若干种，最具代表性的是三电极侧向测井、七电极侧向测井、微侧向测 井、临近侧向测井和微球形聚焦测井蚋 。 2 1 三电极侧向测井 三侧向测井电极系是一个长的金属柱，它被绝缘物分隔成三部分：中间一段是主电极 ，两侧两段是屏蔽电a 。、a ：( 如图2 1 所示，l 为实际主电极长度，e 为绝缘物厚度) 。a 。、 a ：是用导线连接在一起的。主电极a 。和屏蔽电a 。a ：通以相同极性的电流并保持电位相等。 当电极系运行到不同电阻率的地层时，凡与a 。、a ：的电位将不相等。这时，仪器的调整电路 将自动调节供给a 。、a ：的电流，以保持整个电极系处于等电位状态。主电极a 。被屏蔽电a 。、 a ：的电流屏蔽，不能象普通电极系供电电流那样向各个方向流动，只能近似成片状水平进 入地层。 9 桂林工学院硕士学位论文 一e ：e 卜 二= = = = 二= 匹田 = = = 匠二二二= 图2 一l 三侧向电极系布置图 2 2 七电极侧向测井 七电极侧向测并在原理上与三电极侧向测井是一致的，只是电极系结构上略有不同( 如 图2 2 所示) 。七电极侧向测井的电极系由七个金属电极组成，其中一个主电极凡和三组对 称分布在a o 两侧的m 。m ：、n 。n ：、a 。a ：电极，m 。和m 2 ，n 。和n 。及a 。和a ：都分别连接在一起。测量时， 向主电极凡供以恒定的电流i 。，向a 。和a ：供给与i 。相同的极性，但强度可以调节的电流i 。， 始终保持电极m n m 2 n ：处于相同的电位，即凡电极的电流不能经过m n 电极沿井轴方向通过， a 。a ：的电流也不能通过州沿井轴方向通过。这个作用可使柱电极电流和三电极侧向测井时 一样，成片状水平进入地层。当m n 电极之间电位不相等时，一起自动调节a 。和a ：的电流， 使m n 之间的电位差为零。 2 3 微侧向测井 图2 2 七侧向电极系布置图 微侧向测井和侧向测井的原理相同，只是把缩小的电极系装在绝缘极板上，使电极贴 井壁移动。由于电极系尺寸小，探测深度较浅，所测得的电阻率是井壁附近地层的电阻率， 对于渗透性地层就是泥浆滤液冲洗带的电阻率。这个数值对于评价地层孔隙度、含水饱和 度和确定残余油气饱和度都是非常重要的。 微侧向测井的电极系结构如图2 3 所示。中心为主电极，最外面是环状屏蔽电极a 。 在测量过程中，a 。和凡通以相同极性的电流，在a 和之间的两个环状电极m 。和m 。为监视电 1 0 桂林工学院硕士学位论文 极。测量过程中，通过调节屏蔽电流使m 和m 。始终保持等电位，就这使得主电极的电流好 像手电筒的光束一样进入地层。如果m 。和m 2 之间的电位差不为零，则仪器可以自动调节a 。 的电流，使m 。和m ：之间的电位差恢复到零。 2 4 邻近侧向测井 图2 3 微侧向测井电极系布置图 邻近侧向测井和微侧向测井一样，是一种极板型聚焦电阻率法测井，它有附加的聚 焦屏蔽电极可以减小泥饼的影响，这种结构的电极一般称为加屏蔽的屏蔽电极系，其电极 系结构如图2 4 所示。主电极和聚焦电极的横截面比较大，由于聚焦面积增大，所以就具 有较深的径向探测特征。由于附加的聚焦屏蔽电极保持一种适当的电位，它把主电极发出 的电流进一步压缩。如果附加的聚焦屏蔽电极保持一种适当的电位，它把主电极发出的电 流进一步压缩。由于适当地设计聚焦屏蔽电极，就可以压缩过泥饼地电流束，从而减小泥 饼的影响。所以邻近侧向测井比微侧向测井的探测深度要大一点。 图 桂林工学院硕士学位论文 2 5 微球形聚焦测井 为了解决当侵入带比较浅，并且泥饼比较厚时，利用微侧向测井和邻近侧向测井都 无法求出准确的冲洗带电阻率的问题，发展了微球形聚焦测井。微球形聚焦测井电极板如 图2 4 所示。在矩形橡胶绝缘板上镶嵌有主电极凡，以及围绕主电极的环状测量电极m o 、 屏蔽电流回路电极a 。、监督电极m 。和m ：。与微侧向测井和邻近侧向测井不同的是在微球形聚 焦电极系中，主电流i 。与屏蔽电流i 。都通过主电极a 0 发出。屏蔽电流i 。返回到极板的电极a 。， 主电流i o 则返回到较远处的回路电极b 。由于极板贴靠在井壁上，屏蔽电流i 。将主要在泥饼 中流动，主电流则被聚焦进入地层。 图2 5 微球形聚焦测井电极布置图 目前聚焦电流的电极系在测井中已有了广泛的应用，其曲线显示比普通电测好，划分 薄层能力较好，而且不受屏蔽影响，仍能反应岩层的真实电学性质，有很好的应用效果， 由此可见屏蔽电极在测井聚焦电流的电极布置中有很好的应用效果汹圳。 1 2 桂林工学院硕士学位论文 第3 章设计的电极布置方式及基本原理 在通常情况下，隧道超前预报探测主要是了解掌子面前方及其附近的破碎带、水体、 地质构造等信息。在工作中，电法超前预报大多使用单极一偶极装置，即利用点电极a 供电，电极b 置于无穷远处，测量电极m n 在掘进头后方反向一定范围内观测点电源所 产生的等电位球面异常，据此推断掘进头前方的地质异常体，但此方法容易受旁侧的影响。 论文中，我们参考测井电流聚焦条件下的电极布置方式，设置了两种不同的电极布置即只 用屏蔽电极供电( 导电纸实验为a 。一m a 。装置，土槽实验为供电装置) 和在屏蔽电极 中间增加一个主电极同时供电( 导电纸实验为a ，一m 一一m i a 2 装置，土槽实验为a 。一凡 供电装置) ，通过屏蔽电极控制电流方向，使电流聚焦，具有探照灯一样的功能，从而避 免旁侧影响。 3 1 屏蔽电极的电场特征 在隧道聚焦电法探测中，利用屏蔽电极来控制电流的方向，使电流聚焦。通常情况下， 隧道超前探测主要了解掌子面前方及其附近的破碎带、水体、地质构造等信息，因此，论 文中屏蔽电极的布设围绕掌子面进行( 如图3 1 所示) ，此时电场可近似看作是半无限空 间场，屏蔽电极可以布置成矩形也可以是圆形，在此处我们以矩形电极布置为例( 如图 3 2 所示) ，进而研究屏蔽电极产生的龟场的特征。 图3 一l 屏蔽电极聚焦电流示意图 给定掌子面的大小为4 m 4 m ( 图3 1 ) ，考虑屏蔽电极为矩形的情况( 图3 2 ) ，掌子 面的顶边中点为坐标o 点，掌子面隧道开挖的方向为z 方向，水平方向为x 方向，垂直方 1 3 桂林工学院硕士学位论文 向为y 方向。图3 3 是屏蔽电极产生的电场的情况，( a ) 为电场随z 轴的变化情况，( b ) 为电场随x 轴的变化情况。 图3 2 掌子面屏蔽电极的布置 ( a )屏蔽电极电场随z 变化情况 圃 ( b )屏蔽电极电场随x 变化情况 图3 3 屏蔽电极电场的变化 通过图3 3 可以看出，屏蔽电极的电场有以下几个特征： ( 1 ) 屏蔽电极的电场有聚焦作用，使得电极包围的区域电场聚焦： ( 2 ) 屏蔽电极的电场具有对称相似性，即以屏蔽电极面为中心，距离屏蔽 1 4 篇 孔 盘 2 协 慵 垤 ， 脯 埘 o o o o n o o o o 0 o o nuj=h“unh工hhuu 桂林工学院硕士学位论文 电极面相同前后面上观测的电场具有相似性。以电极布设在章子面上为例，也就 是说掌子面前方屏蔽电场具有衰减特性，即远离屏蔽电极，电场逐渐衰减。 ( 3 ) 屏蔽电极的电场具有衰减特性，即远离屏蔽电极，电场逐渐衰减。 3 2 设计的聚焦电流法超前探测的电极布置方式及原理 根据屏蔽电极产生的电场的特征以及屏蔽电极在测井的聚焦电流电极布置中的应 用，我们设计了两种聚焦电流法超前预报的电极布置方式，都是利用屏蔽电极控制电流方 向，使电流聚焦。这两种布置方式为：只用屏蔽电极供电( 导电纸实验为a 。一m a ：装置， 土槽实验为a n 供电装置) 和在屏蔽电极中间增加一个主电极同时供电( 导电纸实验为a 一m a 0 一m 。一a ：装置，土槽实验为一凡供电装置) 。 3 2 1 导电纸实验供电电极布置方式极其原理 导电纸试验中，设计了两套聚焦电流法超前预报的供电电极布置方式，分别为a 。一m a ：装置和a 一一a i 装置，供电电极都布设在掌子面上。 在a 。一m a 。装置中，两个屏蔽的供电电极a 。一a ：对称地分布在测量电极m 的两侧， 供电电流相同，促使二个供电电极中间电流垂直向下形成向下聚焦，测量电极m 位于a 。 和a ：中间，观测m 点电位随开挖深度的变化( 如图3 4 ( a ) 所示) 。 在a 1 一m 一凡一m 。一a 2 装置中，掌子面的中心设置一供电电极凡，测量电极m m 。和屏 蔽电极a 。一a ：也分别对称地分布在供电电极凡的两侧，同样由于三个供电电极所供电流相 同，在它们中间电流垂直向下形成向下聚焦，观测m m 。的电位随隧道开挖深度的变化( 如 图3 4 ( b ) 所示) 。 ( a )( b ) 图3 4电极布置图 ( a ) a l m a 2 装置：( b ) a l m a o m 1 一 2 装置 当掌子面前方有水体、破碎带等低阻体存在时，由于与围岩电性有较大的差异，会 不同程度地吸引电流，从而引起观测点电位的变化，我们可以根据电位变化来判断掌子面 桂林工学院硕士学位论文 前方的地质情况(