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1、1,隧道钻孔超前探水预报新技术,武汉长盛工程检测技术开发有限公司 二0一二年九月二十日,汇报人：刘春生,2,武汉长盛工程检测技术开发有限公司成立于2003年，是一家开发、生产及销售为一体的从事岩土工程测试技术研究及相关仪器开发的科研型公司。2011年与武汉大学合作成立“矿山安全与岩土工程检测监测新技术研究中心”。 研发的产品有：桩底溶洞声呐探测仪、JL-ALT(A)预应力锚索（杆）张力无损检测仪、JL-MG（C）锚杆质量无损检测仪、JL-IUDS(B)智能超声成孔质量检测仪、JL-BPAC(A)桥梁预应力管道压浆质量检测仪、JL-GPT(A)护栏立柱质量检测仪、JL-IUCA6(A)基桩多孔自
2、动超声仪、JL-ACT(A)锚索质量无损检测仪、JL-IUDS（A）智能超声成孔质量检测仪等。 创新是生命，质量是保障，诚信是基础。武汉长盛扎根于诚信基础，不断完善质量保障体系，持续努力创新，力求为振兴我国土木工程作出一份贡献。,公 司 介 绍,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,3,技术研究报告分七部分,1、绪论 2、钻孔超前探水的理论基础和方法 3、矿用本安型钻孔探水仪研制 4、矿井实测试验 5、问题及建议,隧道钻孔超前探水预报新技术,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,4,第一章 绪 论,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,5,一、引言 隧道洞建设中对工程地质条件的
3、认知和掌握程度是确保快速、安全修建的决定性因素之一。尽管施工前进行了大量的地质勘察工作，但由于当前勘察技术手段和方法技术的限制，加上地质体的复杂多变，期望在施工前完全查明工程岩体的状态、特性，准确地预测隧洞施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模是十分困难的。因此，世界各国隧洞工程界都十分重视超前预报工作。 而对于隧道掘进超前探水问题一直没有很好的方法，虽然采用一些直流电法的三极三点源法和矿井瞬变电磁法，因各种干扰因素较多，效果不是很理想，所有隧道还是以钻孔超前探为主；但是，电法还是物探行业公认的用于找水最好的方法之一。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,6,电法勘
4、探： 是利用岩石和矿石的物理性质，其物理性质主要有四种：导电性、激电性、介电性、导磁性，不同岩石和矿石在这些性质的差异，能够在岩矿中电磁场（人工的和天然的）空间和时间分布方面表现出来。一般说，岩矿的物理参数值改变的越明显，则电磁场的相应变化也越强烈；因此，人们便可通过对电磁场空间和时间分布状态的观测和研究，可查明岩矿或寻找地质对象在地中存在的状态（大小、形状、埋藏深度）以及物理参数值的大小，以达到电法勘探的地质目的。 电法勘探大体分两大类： 传导类电法勘探； 感应类电法勘探。前者以利用地中传导电流为主，后者以利用地中涡旋感应电流为主。 电法勘探的异常一般存在多解性，在许多情况下，由于岩矿地质条
5、件及其他各种干扰因素的复杂性，单一参数方法，往往不易获得肯定的地质结果；因此，对于电法勘探要想取得较肯定的结果，必须采用多参数进行观测和分析评价。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,7,隧道的锚杆和锚网支护,隧道掘进机,隧道物探探水干扰因素问题（1）,隧道排水设备和管道,隧道轨道、钢管及杂物,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,8,二、巷道掘进超前探测技术现状 1、超前探水钻孔 为了确保在掘进过程中的生产安全，在一些现行规定中，突出了钻孔超前探测的重要性，一方面主要得益于超前钻孔的直观性，另一方面，是目前还没有非常可靠的物探方法能够准确探明
6、掘进头前方的水文地质情况。,巷道钻探探放水钻孔布置示意图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,9,2、矿井直流电法三极三点源法（传导类电法） “三点源法”，是在巷道中设A、B两极为供电点，其中B点设在无穷远（5-10倍的探测距离)，就形成了以A点为中心稳定的球形电场。设3个不同球形电场A1、A2、A3进行测试，可以得到3组前方相切的介质的视电阻率，经过软件处理，消除其他方向上的干扰，得到前方切点处的视电阻率。,点源场原理图,不均匀岩层实际电流场分布图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,10,三极三点源法超前探原理：,三极三点源法超前探原理示
7、意图,三极三点源法井下超前探测工作方法示意图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,11,三极三点源法超前探原理：,观测数据曲线图,三极超前探测成果图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,12,说明： 三点源法超前探原理是建立在测量巷道是均匀介质情况下的以映象原理，在巷道进行测量，以供电A点为映象原点，推断掘进前方的地质情况，但在巷道观测段有巷道地质差异、掘进机、运输皮带架、锚杆锚索、支护钢带钢网等干扰影响，上述的影响可能远大于掘进前方的地质体的影响。 三极三点源法缺点： 探测参数单一：只利用电阻率一个参数，排除多解性能力差。 探测复杂：现场施
8、工设计、数据观测及成果分析、解释复杂，需物探专业人士才能使用好。 环境干扰较大：巷道内掘进机、巷道底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施对观测结果影响较大。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,13,3、矿井瞬变电磁法：（感应类电法） 矿井瞬变电磁法（简称TEM）是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间电磁法。 瞬变电磁法与其它电法相比，具有以下特点： 观测断电后的二次场，克服了复杂的一次场补偿问题。 可采用不接地回线装置，适宜于各
9、种地理环境下的野外工作。 在高阻围岩地区不会产生地形起伏的假异常，岩石电阻越高， 探测深度越深。（对高阻围岩中的低阻体反应较敏感） 若采用较小线圈回线，工作较方便。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,14,地下全空间 瞬变电磁法( TEM ),接收框,发射框,2m2m,中心观测方式,发射接收,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,15,瞬变电磁阻抗曲线图,探测表面的高低阻（也就是相对含水程度）对瞬变电磁探测影响很大，也就是低阻地表对瞬变效果很差，以至于不能使用。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,16,瞬变电磁有铁
10、质材料影响曲线图,探测表面的附近若有铁质材料对瞬变电磁探测影响非常大，探测信号基本上全是铁质材料引起的变化，因此，瞬变探测时周围不能有铁质材料。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,17,瞬变电磁法各测点的观测数据曲线图,瞬变电磁法超前探测工作布置图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,18,隧道瞬变电磁法成果图：,距 离（m）,电 阻 率（欧姆米）,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,19,矿井瞬变电磁法的缺点： 测量信号弱：工作装置主要有重叠回线装置和偶极装置二种，应用重叠回线测量，其优点是地质异常响应大、施工方
11、便；缺点是线圈互感、自感效应强，一次场影响严重。 人文设施影响较大：掘进机、巷道底板的铁轨、工字钢支护、锚杆支护、运输皮带支架等各种金属设施，这些金属设施在井下瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变电磁响应。 有盲区：瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探相比，无法探测到更浅部的异常体，往往在浅部形成20米左右的盲区。 数据分析复杂：要有较好的电磁场理论和反演解释知识，对使用人员要有较好的物探理论。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,20,第二章 钻孔超前探水的理论基础,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,21,一、研发钻孔超前探水仪的起因之一 目
12、前的巷道探测技术问题 超前探测主要上在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测，探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道，为巷道的安全掘进提供详细的探测资料。 目前用于隧道超前探水的直接方法是钻探方法，钻探结果比较可靠，但施工周期较长，费用较高，对巷道的正常生产影响较大。超前探测的间接方法即采用物探方法进行探测。可用于超前探测的物探方法主要有：三点三极法超前探测方法、矿井瞬变电磁法。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,22,研发钻孔超前探水仪的起因之二物探的探测分辨率问题： 所有的物探方法对被探测物体的分辨率有一定的要求，被探测的物体大小、埋深、物体
13、与围岩介质的物性差异大小和探测仪器的精度有关。以被探物体为球型水体为例，一般电法的探测物体的埋深是物体直径的25倍（h/r25倍,h为埋深，r球体半径），物体越大，介质物性差异越大、仪器精度越高，则探测深度越深。因此，三极法和瞬变电磁法用于超前深部探测时，常常被认为探测效果不佳。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,23,研发钻孔超前探水仪的起因之三钻探与物探的结合 受施工空间的限制，巷道掘进中的前方水文地质一直没有有效的手段，普遍采用的手段就是在可疑区域打探孔，但是数量有限的探孔推断前方水文地质情况具有很大的局限性；针对这种情况，我们提出了利用有限数量的探孔进行电法
14、超前探水预报，以评价掘进前方的水文地质情况。 钻孔物探：利用巷道超前的钻孔进行物探，对钻孔周围和孔底2030米范围内进行精细扫描近距离探测，是钻探和物探有机的结合，这样既可提高物探的探测精度又可减少钻探的钻孔数量，做到掘进巷道超前精准探测。,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,24,二、电阻率法理论基础：,假设在均匀各向同性半空间岩体（电阻率）中，巷道（掌子面）前方的地下隐患为一球体结构构造，其内充填介质电阻率为。当充填介质为水或泥时，为高阻异常体。原理见上图。,左图：原理图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,25,假设球心电位为零电位，可
15、以计算地下介质中球外顺电流场方向指向球心的任意一点P的电位：,式中，r0为球体隐患的半径，r为观测点距离球体中心的距离，h为p点到球体表面的距离，j0为均匀电流场的电流密度，方向为隧道走向x。式中第一项为球体存在时背景电位，第二项为异常电位。,(1),电流场观测示意图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,26,如果取电场强度为观测信号，其表达式：,可求出电场强度异常百分比：,对地下空间任意一点，在电法勘探中存在电场强度与视电阻率关系：,sE/j0 (4) 因此，电场强度的测量数据可以转换成视电阻率结果，电场强度的异常变化率也可以相当于视电阻率异常的变化率。,(2),(
16、3),武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,27,对于储水隐患，如球体隐患半径取米，内充填水体电阻率欧姆米，围岩电阻率为1000欧姆米，电流密度取0.1mA/m2，r取米100米，如图中所示横坐标。根据公式可计算观测点P的电场强度。 对于上述模拟隐患，在掌子面迫近隐患时，如图中40米至6米时，电场强度急剧变化。,计算电场强度值图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,28,对于无充填溶洞等球状隐患，球体隐患半径取米，空腔球体电阻率为无穷大（），围岩电阻率为1000欧姆米，电流密度取0.1mA/m2，r取米100米，如图中所示横坐标。根据公式可计算观测点P的电场强度。 对于上述模拟隐患，在掌子面迫近隐患时，如图中40米至6米时，电场强度急剧变化。,计算电场强度值图,武汉长盛工程检测技术开发有限公司,隧道钻孔超前探水预报新技术,29,1、激发极化效应及其成因 法国地球物理学家c.schlumberger于1912年第一次观察到激发极化现象，在1920年发表了经
