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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