坑道全空间直流聚焦超前探测模拟研究

常规坑道直流电阻率超前探测方法在掌子面后方观测,受到坑道腔体和工作环境的影响较大,增加了资料解释的难度.利用同性电流相斥原理,并参考地面电阻率垂向测深和直流侧向测井技术设计出适合坑道空间掌子面和侧壁测量的垂直聚焦电位和梯度电位超前探测方案.应用有限元数值模拟技术,对三维坑道空间中掌子面和侧壁探测方案的聚焦超前探测效果进行模拟研究.采用压缩存储技术及预条件迭代算法大大提高正演模拟的效率.有限元数值计算结果与全空间坑道模型解析解和土槽物理模拟实验结果对比,说明正演模拟结果可靠,设计的梯度及电位垂直聚焦探测装置能够实现聚焦超前探测的目的.对坑道垂直聚焦观测条件下的掌子面和侧壁组合模型进行模拟计算,结果表明该方案能够有效探测前方和旁侧存在的不良地质体.

直流聚焦超前探测影响因素及水槽模拟实验

采用基于异常电位法的三维有限元数值模拟方法,对影响直流聚焦超前探测效果的各种因素进行了数值计算,以异常幅度大于三倍均方误差为标准,对各种影响因素是否忽略进行了判定。结果表明,距离隧道轴线6m之外的旁侧异常体对超前探测效果影响很小,坑道后方的金属体对超前探测效果几乎没有影响,坑道正前方水体灾害的规模大小对聚焦电流法超前探测距离的确定影响较大。最后制作隧道空腔模型进行水槽模拟实验,该实验验证了九极聚焦法的实际可行性,并且其探测效果明显优于传统的单极装置。

三维坑道直流聚焦法超前探测技术

对坑道超前探测方法中的三维坑道直流聚焦法的电极组合作了研究。计算、分析了2个同性点电源的电流分布规律,指出由于电流的相互排斥作用,电流密度在这两个点电源的中垂线下一定深度处产生最大值,这个深度与这两个点源之间的距离成正比。基于上述理由,设计出3种电极组合:四点电源、五点电源和九点电源布极方式。用三维有限单元数值模拟的方法计算了上述3种电极系的空间电位分布,发现九点电源方式对电流聚束效果较好,而且当主电极电流小于屏蔽电极电流时效果最好。

坑道直流聚焦多点电源探测聚焦与偏转效应研究

为增加直流电法水平勘探深度,准确查明掘进前方异常体的具体方位,减少机电设备、轨道、地形起伏、电磁干扰等因素对探测结果的影响,开展了直流聚焦多点电源探测聚焦与偏转效应正演模拟。据聚焦电法探测机理,采用有限单元法对空间多点电源场各节点电位进行求解,并推导空间场的电场线微分方程。利用COMSOL软件建立三维地电几何模型,通过改变屏蔽电极与主电极发射电流强度,对不同异常地质情况下的空间电流场聚焦分布特征及电位变化百分比曲线变化规律进行有限元数值模拟。结果表明:聚焦效应探测可增加掘进工作面正前方空间电场线的分布密度,使异常体探测会更加敏感;当掘进工作面正前方存有异常体时,聚焦效应相比无聚焦效应探测效果较好,至少可增大50%的探测距离,且随着屏蔽电流增大,探测效果越好,但对至掘进工作面18 m外的异常体探测效果变化不大;当异常体为低阻体时,电位变化百分比的值为负,反之为正;当异常体偏离坑道中心轴线时,探测效果随着偏离距的增大逐渐变差,此时通过改变屏蔽电流大小使探测电场进行偏转扫描探测,依据主电极四周各方位测量电极的电位变化百分比的变化规律确定出异常体的具体方位。

坑道聚焦直流激电法电流场分布特性及探测影响因素分析

为探究坑道聚焦直流激电法电流场分布特性及其探测影响因素,利用有限单元法对空间场正常电位和异常电位进行求解,基于Comsol软件构建均质三维地电探测模型,采用四面体网格自适应算法进行剖分,对比分析数值求解精度。研究聚焦电流场分布变化规律,确定聚焦效应电流比系数取值范围。沿掘进断面的正前方构造异常地质的三维地电模型,利用等效电阻率法正演模拟掘进断面面积、干扰体、聚焦效应电流比系数等因素对激电效应参量的影响。结果表明:聚焦直流激电法对掘进断面前方不良地质体的探测具有较好的敏感性,坑道腔体内干扰体对目标异常体探测的影响可以忽略,旁侧干扰异常体距坑道底板距离越远,对目标异常体探测影响越小;增大掘进断面面积和聚焦效应电流比系数,可有效增加勘探距离。此研究可为聚焦直流激电法反演提供依据和参考,对推动聚焦电法勘探理论的发展具有重要意义。

基于APDL的隧道直流聚焦电场仿真

结合隧道直流聚焦地质超前预报电法技术,选取掘进机数个刀头作为主电极,通过刀盘的旋转进行扫描模式的地质超前探测,预测掘进掌子面前方潜在灾害体.采用ANSYS参数化设计语言(APDL)进行二次开发,对聚焦电场进行有限元仿真,求解不同地电条件下的三维电阻率模拟的异常特征,同时观察稳定电流场的变化.结果表明:该方法能实时、直观、准确反映出隧道掘进掌子面前方异常地质体的位置,有效减少旁侧干扰物对探测结果的影响.