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原文传递各向异性介质及长电极源电阻率法隧道超前探预测模型研究

论文题名：	各向异性介质及长电极源电阻率法隧道超前探预测模型研究
关键词：	隧道挖掘;突水事故;隧道超前探;电阻率;各向异性;预测模型
摘要：	近年来，随着我国经济快速发展，加快了高速公路、城市地铁、矿井隧道等基础设施的扩充和修建。在隧道挖掘过程中，常遇到陷落柱、断层等导水构造，尤其是在大倾角的陡倾富水断层处十分容易发生突水灾害事故，严重威胁着隧道施工和安全生产。近几十年来，我国因突水事故造成伤亡人数愈万人，同时造成巨大的经济损失。然而，准确预测隧道掌子面前方的陷落柱、富水断层等灾害构造依然是亟需解决的难题。　　直流电阻率法具有设备轻便、抗干扰能力强以及对高导电率含水构造反应灵敏等优点，其利用隧道掌子面后方布置的三极剖面观测到的视电阻率极小值对应的偏移距来预测隧道迎头掌子面前方异常的距离，在隧道超前探突水灾害的预测防治中应用较广并取得不少成果。隧道超前探现阶段已有的经验预测模型均建立在电阻率各向同性的简单模型基础之上，而实际井下煤矿开采、地下隧道掘进过程中，煤层本身具有明显的电阻率各向异性，同时隧道前方陷落柱、断层等富水构造往往由于岩石破裂和节理发育亦表现出电阻率各向异性。诸多研究表明，电阻率各向异性对电阻率法勘探数据解释会产生难以预料的偏差，然而由于井下全空间电阻率各向异性三维模拟的复杂性，目前电阻率法隧道超前探还没有考虑介质的电阻率各向异性，煤矿开采、隧道挖掘等掌子面前方异常体电阻率各向异性问题的研究有助于防治可能的突水、涌水事故。　　本文实现了非结构网格隧道超前探电阻率各向异性的三维有限元正演模拟，在此基础上，计算获得隧道掌子面前方电阻率各向异性立方体和陡倾断层低阻模型的单极-偶极（三极）视电阻率剖面曲线，第一次建立起隧道超前探电阻率各向异性异常介质的预测模型。目前已存在的经验预测模型的准确性及可靠性很难评价，原因是这些模型均基于介质各向同性化或简单物理实验为基础。考虑到实际隧道掌子面前方异常介质电阻率的大小未知且方向分布复杂，本文利用蒙特卡罗法的随机特点来模拟隧道掌子面前方的异常电阻率分布不确定的问题，将立方体和陡倾断层异常三维非结构化网格单元的电阻率值在保持与围岩相比是低阻的条件下进行随机处理，陡倾断层的各向异性系数也是随机变化，以模拟隧道掌子面前方任意复杂的低阻特征的含水异常结构。基于10000个随机模型的三维数值模拟结果表明，在陷落柱立方体异常的预测模型中，有94.30％的预测结果误差在15％以内。在垂向断层异常的预测模型中，有85.36％的预测结果误差在10％以内。此外，利用本文基于垂向断层提出的预测公式去模拟75°陡倾的随机断层，有93.17％的预测结果误差在15％以内。和其他已有的经验预测模型相比，现存经验模型的预测结果与异常的实际距离分布误差很大，而本文提出的预测模型结果均呈现很好的正态分布特性，绝大多数的各向异性随机异常的预测距离与它们的实际距离非常接近，误差很小，这验证了本文预测模型的准确性和可靠性。蒙特卡罗法为隧道超前探精度和可靠性的定量评价提供了一种新的方法。　　以上传统的隧道超前探电阻率法将点电极源布置在紧邻掌子面、最靠近前方异常体的位置，是通过点电极源激发产生稳定电流场与前方低阻体耦合产生异常响应，并被掌子面后方布置的三极视电阻率剖面观测到用来推测前方低阻异常体位置。其最大问题是后方观测到的异常响应较小，造成传统点电极源隧道超前探电阻率法的探测深度小。尽管有学者提出通过改变激励点电极源或收发装置的组合形式，可在一定程度上增大探测深度，但终究因为掌子面前方的不可入性，探测效果有限。本文利用隧道掌子面掘进过程需要打先导钻孔的特点，将先导孔钻杆视为长电极源，从而可在离掌子面前方异常体更近处激发电流场并相互耦合，产生更强的异常信号。据此本文基于全空间长电极源电阻率三维数值模拟，首次提出了全空间长电极源装置的理论公式，并对长电极源超前探模型进行了测试，验证了该算法的准确性和精度。在传统底板观测形式条件下基于超前探断层模型大量模拟了长电极源的视电阻率响应规律，然后提取极小值位置，利用多元线性回归方法，第一次提出了隧道超前探长电极源的预测模型。该预测模型方程的R平方等于0.992，且有91.60％的预测结果与断层实际距离误差均较小，表明隧道超前探长电极源预测模型是准确可靠的。最后，通过超前探断层模型三维有限元数值模拟，在同等条件下将长电极源超前探预测模型与点电极源超前探预测模型进行比较，结果表明点电极源超前探预测模型仅对短距离异常位置的估计很准确，而长电极源超前探预测模型对短距离和远距离的异常位置估计均很准确。隧道超前探长电极源比点电极源的探测深度大。长电极源预测模型定量地给出了估计掌子面前方含水异常位置的方法，该方法增大了超前探的探测深度，对提高施工效率和保障隧道安全掘进具有重要意义。
作者：	胡代明
专业：	固体地球物理学
导师：	吴小平;Buelent Tezkan
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2022