隧道钻孔超前探水预报新技术

隧道钻孔超前探水预报新技术第1页/共62页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第2页/共62页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第3页/共62页一、引言

隧道洞建设中对工程地质条件的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。

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电法勘探：

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：①传导类电法勘探；②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第5页/共62页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第6页/共62页二、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第7页/共62页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第8页/共62页三极三点源法超前探原理：

三极三点源法超前探原理示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第9页/共62页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第10页/共62页说明：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：⑴探测参数单一：只利用电阻率一个参数，排除多解性能力差。⑵探测复杂：现场施工设计、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。⑶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第11页/共62页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：⑴观测断电后的二次场，克服了复杂的一次场补偿问题。⑵可采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下的野外工作。⑶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）⑷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第12页/共62页巷道迎头面T1T1T2T2T3T3地下全空间瞬变电磁法(TEM)接收框发射框2m×2m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第13页/共62页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第14页/共62页瞬变电磁有铁质材料影响曲线图

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第15页/共62页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第16页/共62页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第17页/共62页矿井瞬变电磁法的缺点：⑴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、施工方便；缺点是线圈互感、自感效应强，一次场影响严重。⑵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。⑶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。⑷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。

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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第19页/共62页一、研发钻孔超前探水仪的起因之一——目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第20页/共62页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2~5倍（h/r＝2~5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第21页/共62页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20~30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第22页/共62页

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ρ１）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ρ２。当充填介质为水或泥时，ρ２<ρ１，为低阻异常体，当充填介质为空气时，ρ２>ρ１，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第23页/共62页

假设球心电位为零电位，可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第24页/共62页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：ρs＝E/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)(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第25页/共62页

对于储水隐患，如球体隐患半径取５米，内充填水体电阻率５０欧姆米，围岩电阻率为1000欧姆米，电流密度取0.1mA/m2，r取６米~100米，如图中所示横坐标。根据公式３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第26页/共62页

对于无充填溶洞等球状隐患，球体隐患半径取５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６米~100米，如图中所示横坐标。根据公式３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第27页/共62页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年发表了经典著作《电法勘探的研究》，并对激发极化效应进行了确切的描述。到六十年代，激发极化法已成为有色金属找矿的主要方法之一。激发极化法找水的研究始于50年代的美国和苏联学者；我国自六七十年代开始，侧重于理论和应用研究，发展迅速，并作为“找水新方法”得到大量实际应用。激发极化效应（IP）是由于外电流通过固、液相界面时引起可极化介质的电荷转化和迁移引起的，这一过程非常复杂而又多种多样。目前把这一形成机制分为电子导体的激发极化和离子导体的激发极化。三、激发极化法理论基础：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第28页/共62页激发极化现象示意图激发极化时间域观测结果示意图

时间域激发极化法是在稳定电流（或直流脉冲）的激发下，电流场中可极化介质产生激发极化效应，研究电场随时间变化(充电和放电过程)的特性，又称为直流激发极化法。2、时间域激发极化法：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第29页/共62页

频率域激发极化是在交变电流激发下产生的激发极化效应，研究电场随供电频率变化的特性。当供电频率很高时，激电效应趋向于零，总场等于一次场；当供电频率很低时，相当于长时间单向供电，激发极化达到饱和。在频率域，主要观测视复电阻率（ρ）和视幅频率（F）。四、技术方法的选取1选取频率域激发极化法

理想条件下的时间域与频率域的激电效应在本质上是一致的，在数学上是等效的。在时间域本身，充电曲线和放电曲线是等效的；在频率域本身，振幅与相位是等效的，实分量与虚分量是等效的；时间域的放电曲线与频率域的幅频特性曲线是直接等效的，时间域发电曲线的微分与频率域相频特性曲线是直接等效的。但由于两者采取了不同的方法和技术，在实际应用中，两者又有差异性。3、频率域激发极化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第30页/共62页频率域IP相对于时间域IP，有以下优点：⑴频率域测量的是总场，在较弱的二次场信号条件下也可以进行有效的测量。在相同条件下，频率域IP所需的供电电流一般只要几十毫安，只有时间域的几十分之一。⑵时间域IP易受环境和偶然因素的干扰；同步收发的频率域IP同时测高频和低频的总场，并作相关运算，因此高低频的干扰信号可以相互抵消，提高了抗干扰能力。⑶频率域IP降低了对电极的要求，可以采用任何电极，而时间域IP必须采用不极化电极；时间域IP要求供电电极接地良好，频率域对电极接地要求相对要低。⑷高低频分别供电、分别接收的变频法要求供电电流有较高的稳定性；而高低频同时供电同时接收的双频或多频法要求供电电流的稳定性不高。

综合比较这几种IP方法，在本研究中，最后选取高低频同时供电同时接收的频率域IP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第31页/共62页2装置选取：

电极排列形式指的是电极A、B、M、N这四个电极的在实际工作中的组合方式。电极排列的形式是多种多样的，常用的有“中间梯度”、“偶极-偶极”、“对称四极”、“三极”以及“测深”等多种形式。在隧道内，钻孔沿巷道延伸的方向钻进，钻孔超前探测的电极只能布置在巷道和钻孔内，为达到超前探测钻孔周围30米左右的探测距离，选择了类似于偶极装置，但与偶极装置有所不同的是，该供电B极在钻孔口后方100~150米左右并在巷道内固定不动，A、M、N电极组成的探测探头放置在钻孔中，每观测一个记录点，探测探头的A、M、N电极一起同步推进，一般每推进一米观测一个测点。电极布置方式如下图。电极布置方式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第32页/共62页

3电流场分布示意图钻孔探水电流场示意图（均匀介质）电流场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第33页/共62页五、钻孔超前探水方法及预报方式：隧道钻孔超前探水预报仪是利用掘进隧道迎头的钻孔进行钻孔物探探测，将测量探头从孔口慢慢推到孔底进行探测，就可以对钻孔周围和孔底20~30米范围内进行探测预报，实现钻孔全方位超前探水功能，探测时仪器自动利用电导率法和激发极化法同时进行，并得到多种参数的探测数据，能将数据自动进行处理、分析和预报，可以对富水体及导水通道等有害地质体进行精细有效的探测预报，是一种全新的隧道超前探水预报仪。

现场工作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第34页/共62页

钻孔探水预报方式：

现场钻孔探水数据曲线图

现场钻孔探水数据曲线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第35页/共62页六、主要技术特点

1、巷道掘进钻孔探水专用：

专对隧道掘进钻孔的探水预报；其探水预报仪收、发一体，高度集成，并配备专用测试探头及推进装置，不需变换测试装置；一个多小时就能完成100多米深的钻孔探测；既减轻劳动强度、提高功效，并可探测钻孔周围和孔底20至30米范围内地层的水文情况，实现钻孔全方位超前探水功能；可大大减少钻孔探测数量，节省时间和成本，提高工作效益，同时又提高隧道掘进隐伏水患的排除能力，确保巷道掘进的安全。

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第36页/共62页2、多频点多参数测试：

采用多频点同时发射，等频点同时接收的探测工作方式，既避开井下人文和自然的强干扰背景，提高微弱信号的识别和处理能力，同时又测试地层的电阻率和激化率参数（俗称找水新方法），克服了现有大多数矿井物探仅用单一电阻率参数的探测方式，而激化率参数又是探测评价含水地层的主要特性；因此，为掘进探测含水地质体能提供更好的准确性，为指导掘进钻孔探水提供更科学的决策。3、自动分析解释预报：

探水预报仪现场测试时实时显示探测结果，自动分析成图并进行预报，无需复杂的人工数据分析和处理阶段；因仪器专为钻孔全方位探水设计，既专业，而操作又简单实用，系统有高度智能集成的数据处理软件，从而能为一般地质探测人员快速给出可靠的分析预报资料。因此，隧道钻孔超前探水预报仪具备以下三个特性：可操作性、有效性、实用性。

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第37页/共62页4、钻孔探水含水地质体的方位确定：

若某一钻孔超前探水时确定钻孔周围有水害地质体，可以再钻一到二个钻孔进行钻孔超前探水，根据每一个钻孔超前探水资料就完全可以把水害位置确定。

+21度钻孔探水资料－10度钻孔探水资料推断含水地质体的位置的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第38页/共62页第三章钻孔超前探水预报仪研制

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整套仪器设计图钻孔超前探水预报仪包括无穷远电极、孔中探头、仪器主机和电缆，整套仪器如下图所示；其中，无穷远电极为一不锈钢或铜等金属杆，与主机连接的为一单芯矿用电缆。无穷远电极结构很简单，不作详细介绍，下面分别介绍孔中探头、主机和分析软件作详细介绍。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第40页/共62页一、孔中探头研制：1、孔中电极研制1.1技术要求：A、具有良好的接地性能；B、除了接地点外和内部连接电缆外，电极不与外界其他部分构成电性通道；1.2实现方法毛细渗透管电极结构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第41页/共62页2、孔中探头研制2.1技术要求：a)

确保电极接地良好；b)既要保证一定的探测深度，又要便于携带，操作方便；2.2实现方法孔中探头结构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第42页/共62页电极和探头实物钻孔探水预报仪主机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第43页/共62页仪器内软件设计

仪器内软件主要由以下功能模块组成：检测模块、校准模块、查询模块、文件和系统模块。仪器功能界面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第44页/共62页分析软件设计

分析软件主要实现数据导入、数据编辑、成图、计算分析、处理预报、生成探测报告、打印等功能。分析软件界面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第45页/共62页第四章矿井实测试验

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第46页/共62页一、钻孔探水预报模拟试验：

试验场地测线剖面布置图

模拟钻孔前方有含水地质体模拟钻孔旁边有含水地质体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第47页/共62页钻孔探水预报模拟试验：模拟钻孔前方有水的探水预报效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第48页/共62页钻孔探水预报模拟试验：模拟钻孔旁边有水的探水预报效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