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

doi:10.11720/wtyht.2023.1116

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

赵军^,¹, 孟欣佳², 李冰², 刘志民²

1.山西机电职业技术学院,山西长治 046011

2.河北工程大学机械与装备工程学院,河北邯郸 056038

Current field distribution characteristics and detection influencing factors of the focusing DC IP method for tunnels

ZHAO Jun^,¹, MENG Xin-Jia², LI Bing², LIU Zhi-Min²

1. Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhi 046011, China

2. College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2022-03-11 修回日期: 2022-06-13

基金资助:

河北省自然科学基金项目“煤巷多点电源双频激电法超前扫描探测理论关键技术及数据资料解释”(D2017402158)
河北省自然科学基金项目“铬污染场地双频激电效应特性分数阶模型理论及检测机理研究”(D2022402003)

Received: 2022-03-11 Revised: 2022-06-13

作者简介 About authors

赵军(1972-),男,山西高平人,硕士,副教授,主要从事机电一体化技术研究工作。 Email:zj0355@163.com

摘要

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。

关键词： 聚焦直流激电法; 电流场; 聚焦效应; 影响因素; 正演模拟

Abstract

This study aims to explore the current field distribution characteristics and detection influencing factors of the focusing DC induced polarization (IP) method for tunnels. The study processes are as follows: the normal and anomalous potentials of the spatial electric field were calculated using the finite element method; a homogeneous 3D geoelectric detection model was constructed using the Comsol software, the model was divided into grid cells using the adaptive algorithm for tetrahedral mesh generation, and the numerical calculation precision was compared and analyzed; the distribution and change patterns of the focusing current field were investigated, and the range of the current ratio of the focusing effect was determined, and a 3D geoelectric model was constructed for anomalous geological structures in front of the tunneling section, and the influences of factors such as the area of the tunneling section, interference bodies, and current ratio coefficient of focusing effect on the IP effect parameters were simulated through the forward modeling using the equivalent resistivity method. The results are as follows: the focusing DC IP method was highly sensitive to the detection of the unfavorable geological bodies in front of the tunneling section; the impact of the interference bodies in the tunnel cavity on the detection of the anomalous target bodies can be ignored; the farther the lateral anomalous interference bodies from the tunnel floor, the less the impact on the detection of the anomalous target bodies, and the exploration distance can be effectively increased by increasing the area of the tunneling section and the current ratio coefficient of the focusing effect. This study can be utilized as a basis and reference for the inversion using the focusing DC IP method and is greatly significant for promoting the development of the focusing electrical exploration theory.

Keywords： focusing DC IP method; current field; focusing effect; influencing factors; forward modeling

PDF (5808KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

赵军, 孟欣佳, 李冰, 刘志民. 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[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 120-128 doi:10.11720/wtyht.2023.1116

ZHAO Jun, MENG Xin-Jia, LI Bing, LIU Zhi-Min. Current field distribution characteristics and detection influencing factors of the focusing DC IP method for tunnels[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(1): 120-128 doi:10.11720/wtyht.2023.1116

0 引言

为有效增加勘探深度,避免空间电流场在非均匀介质地层中传播时出现绕射和分流,A.N查博罗夫斯基首次提出地面垂向聚焦测深理论,并将此技术应用于测井领域,由此相继出现了三侧向测井、七侧向测井、双侧向测井和微侧向测井等技术及其仪器装备^[1⇓-3]。有关聚焦电法勘探理论的提出受到了国内外诸多学者的广泛关注,Roy等^[4]对常规电法装置与垂直聚焦电法装置勘探深度进行了理论推导与模型仿真分析;Dey等^[5]分别采用单双极装置定量分析了二维不均匀介质的异常响应特征,证明了单极装置电流密度沿垂向分量具有较强的聚焦特性;Panissod等^[6]基于侧向测井理论提出一种地面多电极聚焦测深布极设计方法,并通过模型试验测试验证其可行性和有效性。我国聚焦电法的研究始于20世纪80年代,黄启声^[7]在侧向测井勘探理论的基础上提出垂向屏障等位电测深法,并证明了该方法可有效消弱地形起伏因素对探测结果的影响;费锡铨^[8]将垂向聚焦测深法与激电法相结合,提出一种聚焦垂直极化法勘探理论,并验证了该方法具有较强的穿透低阻屏蔽层的能力。上述聚焦电法勘探技术更多地关注于竖直向下探测布极方式,而尚未涉猎水平超前探测相关技术理论。

随着聚焦电法勘探技术向坑道探测领域的不断延伸,德国GET(geo exploration technologies)公司研发了一种水平超前探测电法预报技术——BEAM(bore-tunnelling electrical ahead monitoring)系统^[9],该技术将变频激电法和聚焦电法相结合。变频激电法采用不同时段的两个高低频率进行观测,分两次供电,测量效率低,当供电条件和外界干扰因素随机变化时,将大大增加其观测误差^[10]。国内学者阮百尧等^[11]、张力等^[12]在BEAM方法基础上提出一种坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法,并针对聚焦观测方式、电极装置设计等方面开展了数值模拟。聚焦直流电阻率法仅凭视电阻率单一参量来查明坑道前方围岩介质的属性,其探测精度和可靠性受到限制。聚焦直流激电法是将聚焦电法与直流激电法相结合的一种探测方法,考虑直流激电法以视电阻率和视极化率等多参量来综合表征介质的特性,在坑道地质勘探、矿产勘察等工程领域具有较好的探测效果^[13-14]。有关坑道聚焦直流激电法探测技术机理尚未成熟,尤其在水平超前影响因素方面亟待研究。为此,文中通过分析聚焦直流激电法电流场分布规律,探究坑道断面面积大小及其腔体内部轨道、机电设备、浮沉、积水等干扰因素,掘进前方旁侧异常体,以及屏蔽电极与主电极发射电流强度变化等因素对掘进前方异常目标体探测的影响,以掌握激电效应参量变化规律,准确查明地质异常体所处方位。此研究可为聚焦直流激电法探测资料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。

1 聚焦电流场求解及其分布特性

1.1 电极组合布置方案设计

坑道聚焦直流激电法探测电极组合布置常采用五极布置方式(如图1所示),主电极A₀布置在掘进断面中心O位置,各屏蔽电极A_i(i=1,2,3,4)按4路对称排列在坑道腔体与掘进断面交汇的边缘处, 各测量电极M采用二极装置,可沿各屏蔽电极与主电极之间的测线进行移动测量,测量电极的另一端和接地电极分别布置在坑道后方相对无穷远处。依据同名电荷相斥性质,通过改变主电极和屏蔽电极发射电流强度,使得屏蔽电极产成的约束电场对主电极产成的探测电场形成挤压作用,从而控制探测电场像探照灯一样进行动态扫描。若定义屏蔽电极与主电极间发射电流强度之比为聚焦效应电流比系数λ_i,保持4路屏蔽电极发射电流强度相等,当增大λ_i时,各路屏蔽电极的约束电场与主电极的探测电场之间的挤压作用加强,迫使探测电场沿掘进断面中心线方向纵深传播,进而实现聚焦效应深度扫描探测。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 超前探测布极方案

Fig.1 Electrode layout for advanced detection

1.2 数值求解及精度分析

考虑坑道腔体对空间电位的影响,以掘进断面及坑道腔体围岩介质的地空交界面Γ_s和无穷远边界Γ_∞为外边界,则空间聚焦多点源场异常电位满足如下边值问题^[15-16]:

(1)$ \left\{\begin{array}{ll}\nabla \cdot(\sigma \nabla u)=-\nabla \cdot\left(\sigma^{\prime} \nabla u_{0}\right) & \in \Omega \\\frac{\partial u}{\partial n}=0 & \in \Gamma_{s} \\\frac{\partial u}{\partial n}+\frac{1}{R_{1}+R_{2}+\cdots+R_{n}}\left(\frac{R_{1}}{r_{1}} \cos \theta_{1}+\frac{R_{2}}{r_{2}} \cos \theta_{2}+\cdots+\frac{R_{n}}{r_{n}} \cos \theta_{n}\right) u=0 & \in \Gamma_{\infty} \\u_{1}=u_{2} & \in \Gamma \\\sigma_{1} \frac{\partial u_{1}}{\partial n_{1}}+\sigma_{2} \frac{\partial u_{2}}{\partial n_{2}}=-\left(\sigma_{1} \frac{\partial u_{0}}{\partial n_{1}}+\sigma_{2} \frac{\partial u_{0}}{\partial n_{2}}\right) & \in \Gamma\end{array}\right.$,

式中:σ为围岩均匀介质的电导率;u为异常电位;σ'为异常体的电导率;u₀为正常电位;Ω为空间任意闭合面Γ所围成的空间区域;R₁=r₂·r₃·…·r_n,R₂=r₁·r₃·…·r_n,…,R_n=r₁·r₂·…·r_n_-1,r₁,r₂,…,r_n分别表示各点源到边界的距离;cosθ_i(i=1,…n)是区域边界外法线方向的单位矢量与各点源径向矢量r_i之间夹角的余弦;n=5。

与上式等价的变分问题为:

(2)$ \left\{\begin{aligned}F(u)= & \int_{\Omega}\left[\frac{1}{2} \sigma(\nabla u)^{2}+\sigma^{\prime} \nabla u_{0} \cdot \nabla u\right] \mathrm{d} \Omega+ \\& \int_{\Gamma \infty}\left(\frac{\cos \theta}{R}\right)\left(\frac{1}{2} \sigma u^{2}+\sigma^{\prime} u_{0} u\right) \mathrm{d} \Gamma \\\delta F(u)= & 0\end{aligned}\right.$,

式中: $\frac{c o s θ}{R}$ = $\frac{1}{R_{1} + R_{2} + \dots + R_{n}} (\frac{R_{1}}{r_{1}} c o s θ_{1} + \frac{R_{2}}{r_{2}} c o s θ_{2} + \dots \frac{R_{n}}{r_{n}} c o s θ_{n})$ 。

为同时保证异常电位的求解精度和计算效率,采用四面体网格自适应算法对所研究区域进行剖分,在数据采集区和交界面处使网格自动加密,而在非数据采集区使网格自动变疏^[17]。对式(2)积分分解为各子单元之和形式,令其变分为0,便得到异常电位线性方程组Ku=-K'u₀,其中K与K'分别为异常电位向量和正常电位向量的系数矩阵,所求线性方程组的解即为异常电位的数值解。则空间场任意一节点总电位V由正常电位u₀和异常电位u两部分组成,即:

(3)V=u₀+u,

其中空间场中正常电位u₀可表示为:

(4)u₀=

u_{A_{0}}

\overset{4}{\sum_{i = 1}} u_{A_{i}}

\frac{I_{0} ρ_{0}}{4 π r_{A_{0}}}

\frac{ρ_{0}}{4 π} \overset{4}{\sum_{i = 1}} \frac{I_{i}}{r_{A_{i}}}

式中:I₀为主电极的电流强度;I_i为屏蔽电极的电流强度;ρ₀为点源处电阻率; $r_{A_{0}}$ 、 $r_{A_{i}}$ 分别为主电极与屏蔽电极到空间任意一点的距离。

依据坑道掘进探测实际工况及电极布置方式,利用Comsol软件中AC/DC模块^[18]构建三维地电探测模型,设模型尺寸为长1 000 m×宽500 m×高500 m,坑道腔体长度为100 m,有效掘进断面面积为6 m×6 m,围岩介质电阻率为200 Ω·m,极化率为1%,坑道腔体电阻率为10¹⁰ Ω·m,极化率为0。设定主电极与屏蔽电极的电流强度为0.1 A,电极选择铜棒,其电阻可忽略不计。在模型中心位置添加包含坑道腔体以及电极在内的数据采集区,设其尺寸为长200 m×宽50 m×高50 m,其余为非数据采集区。三维地电模型网格剖分结果如图2所示,模型共有155 239个网格,其中包含有146 105个数据采集区网格。在均匀围岩介质条件下,计算沿坑道掘进断面中心轴线前方不同距离处电位值的数值解,并与解析解结果进行对比分析(如图3所示), 其电位值最大绝对差不超过3.1 mV,相对误差控制在0.8%范围内,说明基于Comsol软件的四面体网格自适应剖分方法可以获得较高的数值求解精度,完全能够用于开展坑道超前探测数值正演模拟。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 三维网格剖分结果

Fig.2 Results of 3D mesh dividing

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 数值解与解析解结果比较

Fig.3 Comparison of numerical solution and analytical solution

1.3 电流场分布特性变化规律

为掌握聚焦效应探测电流场分布特性变化规律,可依据空间电场线的几何形态分布进行定量分析。电场线是描述空间电场分布的一族假想曲线,曲线上任意一点的切线方向与该点的电场强度 $\vec{E}$ 方向一致,电场强度 $\vec{E}$ 与电位V之间关系满足如下方程:

(5)

\vec{E}

=E_x

\vec{i}

+E_y

\vec{j}

+E_z

\vec{k}

(\frac{\partial V}{\partial x} \vec{i} + \frac{\partial V}{\partial y} \vec{j} + \frac{\partial V}{\partial z} \vec{k})

在直角坐标系中,电场线方程可表示为:

(6)

\frac{E_{x}}{d x}

\frac{E_{y}}{d y}

\frac{E_{z}}{d z}

。

设λ_i=1,三维空间电流场聚焦特性变化规律如图4a和4b所示。分别沿掘进正前方0、2、4、6、8、10 m处按照yoz面进行切片,从空间电位切片图4a中可以看出,五点电极附近电位分布最强,其等势线沿yoz面呈对称分布,随距掘进断面距离的增加,空间电位分布逐渐减小,其等势线分布沿yoz面变得越来越稀疏,在x=10 m处,五点电极附近电位分布趋于均匀;沿zox面进行切片,从图4b中可以看出,探测电场的电场线从掘进断面中心出发向四周扩散,受屏蔽电极电场线的挤压作用,沿zox面坑道中轴线正前方附近电场线分布较为密集,随距掘进断面距离的增加,电场线的密集程度逐渐减弱。电场线的密集程度可用空间电流密度j的大小来度量,电流密度越大,电场强度越强,勘探深度越深。设在电阻率为ρ的均质围岩介质中,探测电场的平均电流密度大小j可表示为:

(7)j=

\frac{I_{0}}{α x^{2}}

\frac{E}{ρ}

式中:I₀为主电极电流强度;α为探测电场相对掘进断面中心O所形成的空间立体角;x为空间某一位置处有效探测半径;E为平均电场强度。由式(7)可知,探测电场的平均电流密度j与空间立体角α成反比,即空间立体角越小,电流密度越大,其聚焦效应越强。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 空间电流场聚焦特性分布规律

Fig.4 Distribution of focusing characteristics of space current field

空间立体角α可根据下式计算:

(8)α=

\int_{0}^{2 π}

dφ

\int_{0}^{β_{i}}

sinβdβ=2π(1-cosβ_i),

式中:β_i定义为边界角,即探测电场的电场线边界线与坑道中心轴线所夹的角,并规定逆时针所夹的角为正。

改变聚焦效应电流比系数λ_i,使探测电场的电场线边界线发生偏转,得到空间立体角α的变化规律如图4c所示。可以看出,空间立体角α随着聚焦效应电流比系数λ_i的增加而减小,表明此时探测电场的聚焦效应增强,当λ_i≥3时,空间立体角α变化趋于平缓。同时受探测仪发射功率上限限制,一般聚焦效应电流比系数选择λ_i≤3为宜。

2 探测影响因素有限元正演模拟

坑道掘进超前探测的影响因素有多种,现主要考虑坑道掘进断面面积大小、坑道腔体内及掘进断面前方干扰体、聚焦效应电流比系数等外在因素的影响。设坑道腔体长度为100 m,掘进断面面积为6 m×6 m,周围围岩介质电阻率为275 Ω·m,极化率为1%,沿掘进断面正前方d=30 m处存在某一面积S为10 m×10 m、厚度e为4 m的低阻异常极化体,其电阻率为10 Ω·m、极化率为5%;主电极与各屏蔽电极的发射电流强度均为I=0.1 A,即聚焦效应电流比系数λ_i=1,按图1五极装置构造地电探测模型如图5所示。当测量电极M位于主电极与屏蔽电极中间位置时,即A₀M= $\frac{1}{2}$ A₀A_i,设电极装置系数为K,则一次电位U₁为:

(9)U₁=

\frac{ρ_{s} I}{K}

式中:ρ_s为视电阻率,将ρ_s替换为均匀介质实际电阻率ρ,根据式(9)计算一次电位U₁。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 异常体地电探测模型

Fig.5 Geoelectric detection model of anomalous body

应用等效电阻率法计算视极化率η_s,设异常体的极化率为η,将式(9)中的ρ_s换成等效电阻率ρ^*= $\frac{ρ_{s}}{1 - η}$ ,便可得到总场电位V为:

(10)V=

\frac{ρ_{s} I}{K (1 - η)}

二次电位U₂=V-U₁= $\frac{ρ_{s} I η}{K (1 - η)}$ ,则视极化率η_s为:

(11)η_s=

\frac{V - U_{1}}{V}

\frac{U_{2}}{V}

同理,依据总电位V,利用式(9)计算视电阻率ρ_s。

2.1 坑道掘进断面面积影响

在图5异常体地电探测模型的基础上,增大掘进断面面积,使其分别为6 m×6 m、8 m×8 m、10 m×10 m,测量电极M极距位于A₀M= $\frac{1}{2}$ A₀A_i处,通过观测各方位测量电极M,计算平均电位值,得到ρ_s与η_s随异常极化体距掘进断面距离d的变化曲线如图6a和6b所示。从图中可以看出,ρ_s与η_s的总体变化趋势基本一致,当掘进断面靠近异常体时,ρ_s逐渐减小,η_s逐渐增加;然而,掘进断面面积越大,ρ_s与η_s曲线越相对较早的出现激电异常,当掘进断面靠近异常体时,同一测点处其斜率变化也越明显,即说明增大掘进断面面积可有效增加勘探距离。同时对ρ_s与η_s进行反演,其二维等值线如图6c和6d所示,从图中可以看出,在掘进断面正前方约30 m处存在低阻高极化异常体,当掘进断面位于约24 m处,激电异常响应显著,同样随掘进断面面积的增加,ρ_s与η_s越较早的出现异常,其中ρ_s受掘进断面面积的影响更为敏感。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 坑道掘进断面面积影响

Fig.6 Influence of tunnel excavation cross-section area

2.2 干扰异常体影响

干扰异常体可分为坑道腔体内部轨道、机电设备、浮沉、积水等干扰体和掘进面前方旁侧干扰体两种情况,现分别进行讨论。在图5异常体地电探测模型的基础上,分别在坑道腔体内部和掘进前方添加某一干扰异常体,其尺寸大小为长4 m×宽4 m×高4 m,电阻率为10 Ω·m,极化率为5%。设坑道腔体内部干扰异常体位于坑道底板中线处,距掘进断面距离为c,坑道前方旁侧干扰异常体位于底板中线正下方,距坑道底板距离为b,距前方目标异常体为6 m,如图7所示。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 含干扰异常体地电探测模型

Fig.7 Geoelectric detection model with interference abnormal body

2.2.1 坑道腔体内干扰异常体影响

当增大坑道腔体内部干扰异常体距掘进断面距离,使c分别为5、10、15 m时,测量电极M极距仍位于A₀M= $\frac{1}{2}$ A₀A_i处,通过观测各方位测量电极M,计算平均电位值,得到ρ_s与η_s随目标异常极化体距掘进断面的距离d的变化曲线如图8a和8b所示。从图中可以看出,无论干扰异常体距离掘进断面远近,ρ_s与η_s的曲线变化规律与均无干扰异常体时相一致,即说明聚焦效应探测对抑制坑道腔体内部干扰异常体具有较好效果,对于目标异常体的探测不会产生影响。同时对ρ_s与η_s进行反演,其二维等值线图变化不受c影响(见图8c和图8d),与无干扰异常体一样在掘进断面正前方约30 m处存在低阻高极化异常体。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 坑道内部干扰异常体影响

Fig.8 Influence of interference abnormal body inside tunnel

2.2.2 掘进前方旁侧干扰异常体影响

当增大坑道掘进前方旁侧干扰异常体距坑道底板的距离,使b分别为1、2、3 m时,测量电极M极距仍位于A₀M= $\frac{1}{2}$ A₀A_i处,通过观测各方位测量电极M,计算平均电位值,得到ρ_s与η_s随目标异常极化体距掘进断面的距离d的变化曲线如图9a和9b所示。从图中可以看出,与无旁侧干扰异常体相比,ρ_s与η_s曲线变化总体趋势基本一致,即随掘进断面靠近目标异常体时,ρ_s逐渐减小,η_s逐渐增加;然而,在距目标异常体18~4 m范围内,ρ_s与η_s曲线均出现低阻高极化突变异常,当b=1 m时,异常波动幅度最为明显,随着距离b的增加,异常变化幅度减弱,说明聚焦效应探测对掘进断面正前方不良地质体的探测具有较好的敏感性,而旁侧干扰异常体距坑道底板距离越远,对目标异常体探测结果影响越小。

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 坑道旁侧干扰异常体影响

Fig.9 Influence of interference abnormity body beside tunnel

同时对ρ_s与η_s进行反演,其二维等值线云图如图9c和9d所示,从图中可以看出,在掘进断面正前方约30 m处存在低阻高极化异常体,当有干扰异常体存在时,均较早地出现激电异常,在b=1 m时,ρ_s与η_s约在20 m处便开始出现明显异常,在掘进断面中心沿z正负半轴对称位置测点处ρ_s与η_s不再相等,且沿z轴负半轴对称测点处异常更为明显,表明旁侧干扰异常体位于掘进巷道中心线下方,随着距离b的增加,激电异常变化趋势同无干扰异常体情况相类似。

2.3 聚焦效应电流比系数影响

以图5异常体地电探测模型为例,依次增大聚焦效应电流比系数λ_i,使其分别为0、1、2、3、4时,其中λ_i=0为无屏蔽电极测量工况,通过观测各方位测量电极M,计算平均电位值,得到ρ_s与η_s随目标异常极化体距掘进断面的距离d的变化曲线如图10a和10b所示,ρ_s与η_s曲线变化规律基本一致。当λ_i=0时,在d=6 m处,ρ_s与η_s才出现明显异常, ρ_s与η_s相对围岩介质的电阻率和极化率的变化百分比分别为1.03%和0.62%,而当λ_i=1时,在该测点处ρ_s与η_s的相对变化变分比分别为5.40%和6.37%。λ_i越大,ρ_s与η_s曲线越较早的出现激电异常,且同一测点处异常曲线斜率变化与λ_i成正相关关系,表明增大λ_i可有效增加勘探深度,实现深度扫描探测。然而,当λ_i≥3时,同一测点处ρ_s与η_s曲线变化幅度不明显,如在d=4 m处,λ_i由1依次增加4时,其ρ_s减小量依次为7.46、4.36和2.91 Ω·m,相应η_s增加量依次为0.037%、0.023%、0.016%,此时探测电场的聚焦效应增强趋势已不明显,这与空间电流场聚焦效应特性的理论分析基本一致。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 聚焦效应电流比系数影响

Fig.10 Influence of focusing effect current ratio coefficient

同时对ρ_s与η_s进行反演,其二维等值线如图10c和10d所示,在掘进断面正前方约30 m处存在低阻高极化异常体,同样从等值线云图中可看出,随着λ_i的增加,可较早的出现激电异常,且λ_i≥3时,异常测点位置变化趋势已不明显。

3 结论

1)随着聚焦效应电流比系数λ_i的增加,聚焦效应增强,探测电场所形成的空间立体角α随之减小,当λ_i≥3时减小趋势趋于平缓,故聚焦效应电流比系数选择λ_i≤3为宜。

2)聚焦效应探测对掘进断面正前方不良地质体的探测具有较好的敏感性,坑道掘进断面面积大小及腔体内干扰异常体对目标异常体探测的影响可以忽略不计,而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。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Keller

G V

An improved electrode system for use in electric logging

[J]. Producers Monthly, 1949, 13(10):12-15.

[本文引用: 1]

[2]

Doll

H G

The laterolog:A new resistivity logging method with electrodes using an automatic focusing system

[J]. Journal of Petroleum Technology, 1951, 3(11):305-316.

DOI:10.2118/951305-G URL [本文引用: 1]

[3]

Moran

J H

, Chemali

R E