[發明專利]基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法

有效

• 申請號: 202110774577.8
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113433595B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 崔益安;郭友軍;柳建新;陸河順子;羅議建;官俊峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01V3/08
• 分類號: G01V3/08;G01V3/38
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 周達

1.基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，其特征在于，包括：

在隧道內布置多條測線，各測線上布置有測點；

在掌子面掘進過程中，每掘進設定長度對各測線進行一次數據采集，得到自然電場動態觀測數據；

將隧道所在整個研究區域進行三維網格剖分，構建隧道三維地質模型，利用有限單元法進行正演數值模擬；其中采用六面體單元將隧道所在整個研究區域進行均勻的三維網格剖分，分別對剖分形成的各六面體子網格單元和網格節點進行編號，NX為x方向的網格剖分的個數，NY為y方向網格剖分的個數，NZ為z方向網格剖分的個數，NN為總的網格數，ND是網格剖分總節點數；

NN＝NX×NY×NZ

ND＝(NX+1)×(NY+1)×(NZ+1)

對于第i次數據采集，K_i為第i次數據采集時隧道三維地質模型對應的剛度矩陣，其是ND×ND矩陣,將各六面體子網格單元的8×8的單元系數矩陣K_ie分別放置在ND×ND矩陣的對應位置處即得到第i次數據采集時隧道三維地質模型對應的剛度矩陣K_i；

令第e個六面體子網格單元的三個邊長為a，b，c，e＝1,2,3…NN，得到第i次數據采集時隧道三維地質模型中每個六面體子網格單元的單元系數矩陣K_ie為：

K_ie＝K_1e+K_2e

式中由以下公式計算：

其中：

式中：σ為第e個六面體子網格單元的電導率，r是裂隙水異常源至網格剖分的邊界的距離，cos(r,n)為裂隙水異常源到邊界的方向與水平方向的夾角的余弦值；

根據自然電場的動態觀測數據以及隧道三維地質模型對應的正演響應函數，構建目標函數；

采用優化算法對目標函數進行迭代求解，使得目標函數滿足預設精度要求，獲得能有效擬合自然電場動態觀測數據的場源分布即三維地質模型中各網格節點的電流密度分布情況，進而獲得隧道裂隙水異常源位置分布情況。

2.根據權利要求1所述的基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，其特征在于，隧道內布置兩條測線，分別為第一測線和第二測線，其中：第一測線位于掌子面上且垂直于隧道的掘進方向，第一測線的兩端點在掌子面相對的兩側邊上，第一測線上等間距設置有測點；第二測線與隧道的掘進方向平行，位于隧道底面的中線上，且第二測線的起始點位于掌子面上，第二測線上等間距設置有測點。

3.根據權利要求2所述的基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，其特征在于，第一測線、第二測線上測點間的距離為0.5m至1m。

4.根據權利要求2所述的基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，其特征在于，對于圍巖為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，根據隧道實際施工過程中仰拱于掌子面的距離，第二測線長度不小于10m；對于圍巖為Ⅱ、Ⅲ級圍巖，第二測線長度不小于15m。

5.根據權利要求2或3或4所述的基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，其特征在于，通過測量電極N和參考電極M采集觀測自然電位數據，參考電極M固定設置在相對于掌子面的無窮遠處；在每次數據采集過程中，測量電極N依次對各測線上各測點的自然電位數據進行測量，得到各測點的自然電位數據與參考電極M的自然電位數據之間的差值即各測點的絕對自然電位值，將各測點的絕對自然電位值作為觀測自然電位數據，其中測量電極N和參考電極M均為不極化電極。