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坑道电阻率法具有野外施工方便、勘探效率高等特点,在矿山井巷开采、隧道掘进、城市及军事地下工程施工中发挥了重要作用,解决了许多水文地质和工程地质问题;同时,坑道电阻率法也是寻找危急矿山接替资源和“攻深找盲”的重要手段。然而,在地下及其有限的施工空间内开展电阻率法测量,如何克服坑道空腔及铁轨、施工机械等接地良导体对电阻率法观测的影响,从而高精度、高效率的完成地质勘探任务是坑道电阻率法勘探技术的关键。
坑道电阻率法数据解释一般是建立在忽略坑道环境影响的理想状态下进行的,但这种假设通常是不存在的。要研究坑道环境对电阻率法观测的影响,必需建立在实际的三维坑道模型之上,本文从全空间三维电场的微分方程和边界条件出发给出了电位满足的变分问题;用有限单元异常电位法求解变分问题,选择六面体单元对研究区域进行剖分,并根据坑道环境实际情况采用变网格剖分技术来减少网格剖分数,在单元中进行三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组;采用计算精度较高的LDLT分解法求解线性方程组,实现了坑道电阻率法的三维数值模拟。
将复杂的坑道环境进行合理的简化,使用有限单元法数值模拟技术,并根据相似性原理设计物理模型实验,对坑道环境影响进行综合研究,分析坑道空腔、铁轨、施工机械对电阻率法观测的影响,并结合具体测量装置讨论了坑道环境对旁侧异常体探测的影响。根据坑道空腔影响曲线,采用最小二乘法拟合,给出了坑道空腔影响的经验函数并将其用于坑道空腔改正,该函数与观测点到电源点位置、坑道几何尺寸及测线位置有关。坑道内的低阻铁轨和施工机械对电阻率法观测存在较大影响,测线布设时尽量拉远与轨道的距离,可以有效减弱铁轨和施工机械对电阻率异常的影响。物理模型实验亦表明坑道内的铁轨、机械等施工设施对旁侧地质体探测有较大影响。
文中提出了消除坑道环境影响的比较法、差值法和综合改正方法,通过对理论模型进行改正,验证了方法的有效性。上述3种方法能有效压制坑道环境干扰、突出旁侧地质体异常。