坑道內(nèi)三維電阻率全空間立體成像及電阻率法研究.pdf

1、在坑道內(nèi)進(jìn)行電阻率測深時(shí)，坑道空間狹小，測量剖面的布設(shè)受到局限。相應(yīng)地，采用地表電阻率法測線布設(shè)方法對周邊介質(zhì)的全空間探測難以得到滿意效果。例如，在坑道底面布設(shè)測線，其異常響應(yīng)不僅僅是底面下方地質(zhì)體的反映，坑道外測其他位置的地質(zhì)體同樣在底面剖面上有所反映，異常判別困難。為此，可利用坑道的四個(gè)面和四個(gè)角同時(shí)進(jìn)行測量。 由于坑道內(nèi)電場空間分布的特殊性，各種電阻率觀測裝置的異常響應(yīng)與地表異常形態(tài)完全不同。本文對小極距偶極一偶極、大極距

2、偶極一偶極裝置、赤道偶極裝置進(jìn)行正演模擬，分析各個(gè)斷面的異常特征。 坑道內(nèi)的電阻率異常響應(yīng)，由于受到坑道空腔的影響，很難得到解析解。正演一般采用物理或數(shù)值計(jì)算手段進(jìn)行模擬，在分析異常規(guī)律的同時(shí)，為坑道全空間反演做準(zhǔn)備。首先給出坑道中正常電位的取值，并利用有限單元異常電位計(jì)算法對坑道內(nèi)電阻率測深進(jìn)行正演計(jì)算。 在坑道正演的前提下，利用點(diǎn)源互換原理計(jì)算雅可比矩陣，可在一次正演的基礎(chǔ)上得到所有矩陣元素，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。利用最小

3、二乘法對坑道周邊介質(zhì)進(jìn)行全空間反演成像。 煤礦和金屬礦山坑道、公路鐵路隧道、引水隧道等地下工程中，巷道前方隱伏導(dǎo)、含水地質(zhì)構(gòu)造、溶洞一直是困擾安全生產(chǎn)的重大隱患。用鉆探方法進(jìn)行超前防探，設(shè)備笨重、工期長、效率低，且破壞隔水層，直接揭露構(gòu)造體，造成人為的突水通道，形成新的不安全因素。近年來多采用地球物理手段進(jìn)行探測，如地震、地質(zhì)雷達(dá)、直流電阻率法、TEM法<'1>等方法。其中直流電阻率法投入少、效率高被廣泛使用。 本文首先

4、以無限大板狀體為例求解全空間電場分布，提出探厚比概念以討論電阻率超前探測極限問題。通過對比全空間與坑道內(nèi)超前探測異常形態(tài)可知，坑道坑道空腔只會影響極距較小時(shí)的視電阻率幅值，不會掩蓋迎頭前方地質(zhì)體的異常響應(yīng)。大量模型計(jì)算結(jié)果表明，電阻率異常極值位置與板狀體位置之間的差異在5～1O倍之間，且同時(shí)受到異常體厚度和電性以及板狀體傾角的影響。僅利用電阻率極值位置準(zhǔn)確解釋超前探測異常的難度較大。設(shè)計(jì)有效的反演方法對異常體的各種參數(shù)綜合反演是非常必要

5、的。首先利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)分析并消除坑道空腔對視電阻率的影響，并將坑道超前探測視電阻率曲線轉(zhuǎn)化為全空間視電阻率曲線。然后采用最小二乘法對超前探測視電阻率曲線進(jìn)行快速反演。反演結(jié)果可準(zhǔn)確反映圍巖電阻率、異常體的電性、位置和產(chǎn)狀：而由于同層等值現(xiàn)象，反演結(jié)果只能確定異常體的厚度和電阻率的組合值。 目前，電阻率法在找礦、工程勘察、水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用非常廣泛。但對異常特征、規(guī)律的理論問題缺乏深入研究。本文利用有限單元法對三維高密度