CN107272068A - 一种利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法，包括步骤：S100、进行正演理论模拟计算，分别从方法可行性和优化方案两方面研究，利用正演计算验证该方法在理论上的可行性；S200、建立试验场进行物理模拟，分析验证该方法在物理模拟上的可行性；S300、通过理论模拟和物理模拟综合分析，验证该方法安全性的可行性；S400、在实际应用中验证该方法的可行性及其适用性。本发明通过采用无线缆抗干扰跨孔电阻率法进行地下空间的探测，解决了井间信号的传输、井间装置系数计算、城市电磁抗干扰、收发井间的无线缆化布设以及收发信号的电极电缆的研制等问题；可高效率、高精度的通过井间探测地下空间体及判定地下空间体安全性。

Description

一种利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法

技术领域

本发明涉及地下空间勘探技术，尤其是利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法。

背景技术

地下空间包括地下室、地下车间、地下通道、人防工程、地下管线等通常建造于地下一定的地质体中的人工或自然空间，其浅部和深部的地质条件以一定的作用方式影响修建于地下的工程建筑物，如地表的人为扰动，地球内部构造活动导致的强烈地震，软弱土体、放射性气体—氡气、隐伏岩溶、地面沉降、活动断裂以及地裂缝等等都会对地下空间、对地下空间资源的开发利用造成影响。

城市地下空间体通常存在一定的安全隐患，经常会发生地面塌陷等安全问题，例如：地下输水管线的渗漏及地下空洞体变形造成的路面塌陷等。长久以来，大家的关注点都在地下工程本身的探测或监测，地下管线探测时，目标是管线的形态、变形、破损，没有充分考虑到管线周边土体的变化，“塌完修、修完塌”的现象也经常发生；矿区或岩溶发育地区发生的塌陷均是在地表发生破坏现象后才被发现。另外，城市地下空间体的探测又存在其特殊性，即不能妨碍城市交通、不能损坏城市硬化路面，还需克服城市电磁干扰，给地面的地球物理探测带来了一定的困难。

发明内容

本发明提供了一种利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法，用于解决现有城市地下空间探测不可靠、探测布线复杂、存在管线渗漏安全隐患等问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法，其特征在于，包括步骤：

S100、进行正演理论模拟计算，分别分析方法可行性和优化试验方案，利用正演计算验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间在理论上的可行性；

S200、建立试验场进行物理模拟，通过背景场和异常场的对比分析验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间安全性在物理模拟上的可行性；

S300、通过理论模拟和物理模拟综合分析，验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间安全性的可行性。

S400、将该无线缆抗干扰跨孔电阻率法应用于南水北调重大工程探测中，在实际应用中验证利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法的可行性及其适用性。

本发明提供的利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法还具有以下技术特征：

进一步地，该方法中的无线缆是指无线缆传输方式，包括选择一孔作为发射端，选择另一孔作为接收端，为保证数据的可靠性所述发射端的两极具有较大的极距，所述接收端采用跑极方式进行覆盖；该方法中的抗干扰是指采用伪随机编码技术。

进一步地，所述的步骤S100中分析方法可行性包括以下内容：建立电位值模型和电阻率模型，通过电位模型计算异常体存在时电位值变化的大小；通过电阻率模型计算异常体存在时电阻率值变化的大小；并将这两个数值的变化大小与仪器分辨率进行对比，初步计算方法可行性。

进一步地，所述的步骤S100中分析优化试验方案包括以下内容：分析跨孔电阻率法装置系数K值计算公式及分布规律，对比不同跑极方式的优劣性，分析电极距大小及异常体位置的影响，利用正演计算优化试验方案。

进一步地，所述的步骤S200中物理模拟包括以下内容：建立低阻试验场和高阻试验场，通过仪器采集数据分析，对比背景场及低阻试验场、高阻试验场的异同，验证该方法的可行性。

进一步地，所述的跨孔电阻率法装置系数K值计算公式及其推导过程如下：

利用“镜像法”自主推导K值得计算公式，假设地下介质电性均匀，介质电阻率为ρ，电流I从地下A点流入，B点流出，利用镜像法计算，即假设在地面以上也充满电阻率为ρ的介质，并在点电源A点、B点与地面对称的位置设两个镜像的点电流源A’、B’，且使镜像电流源的电流相同，根据叠加原理计算：

进一步地，所述的跨孔电阻率法装置系数K值的分布规律如下：跨井测量装置应当有一定的测量范围，而不能全区域测量；每次实验前应根据井间距及井深等参数计算比较适合的采集电阻率的区域。

进一步地，布极方式为两孔互为发射孔和接收孔且采用偶极-偶极的方式；为了保证数据的完整可靠性，选择发射端两极具有较大的极距，接收端两极采用跑极方式进行覆盖；然后两孔作用对换，原发射孔作为新的接收端，原接收端作为新的发射端进行测量。

进一步地，跑极方式包括连续跑极方式和加密跑极方式，分别对连续跑极方式和加密跑极方式进行正演计算，分析对比两种跑极方式的异同，为后续应用提供参考。

进一步地，步骤S200还包括S210：在发射孔和接收孔内敷设电极电缆，所述电极电缆为铜线，根据电极距大小进行抽头，电极处铜线外包裹锡丝以防止其发生较快的电化学反应腐蚀电极。

本发明具有如下有益效果：通过采用跨孔电阻率法进行地下空间的探测，解决了井间信号的传输、井间装置系数计算、城市电磁抗干扰、收发井间的无线缆化布设以及收发信号的电极电缆的研制等问题；可高效率、高精度的通过井间探测地下空间体及判定地下空间体安全性。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明原理图；

图3为本发明抗干扰伪随机编码技术应用及波形示意图；

图4为本发明“镜像法”推导装置系数K值计算公式的示意图；

图5为本发明装置系数K值计算软件界面图；

图6为本发明理论装置系数K值等值线分布图；

图7为本发明适合采集电阻率的区域(发射点AB的位置位于(0,‐20)和(0,‐50))；

图8为本发明不同跑极方式电阻率曲线正演对比图；

图9、图10、图11为本发明试验场物理模拟可行性研究电位模型计算结果图；

图12为本发明试验场物理模拟可行性研究电阻率模型计算结果图；

图13为本发明地调院后院试验场模拟低阻异常体观测曲线图；

图14为本发明上庄试验场电力管廊试验场模拟高阻异常体观测曲线图；

图15为本发明南水北调试验场应用实例钻孔部署图；

图16为本发明南水北调试验场两次视电阻率曲线图；

图17为本发明南水北调试验场三次实测数据拟断面图和反演剖面对比图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示的本发明的利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法的一个实施流程，该利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法包括步骤：S100、进行正演理论模拟计算，分别从方法可行性和优化试验方案两方面研究，利用正演计算验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间在理论上的可行性；其中方法可行性的研究包括以下内容：建立电位值模型和电阻率模型，通过电位模型计算异常体存在时，电位值变化的大小；通过电阻率模型计算异常体存在时，电阻率值变化的大小；并将这两个数值的变化大小与仪器分辨率进行对比，初步计算跨孔电阻率法方法的可行性；优化试验方案研究包括以下内容：跨孔电阻率法装置系数K值计算公式及分布规律分析，不同跑极方式的优劣性分析，电极距大小及异常体位置对方法应用的影响，稳定的仪器设备稳定性的改进、电极电缆材质及制作手段研究等，利用正演计算优化跨孔电阻法探测地下空间的实验方案。步骤S200、建立试验场进行物理模拟，通过背景场和异常场的对比分析验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间安全性在物理模拟上的可行性；物理模拟研究包括以下内容：建立地调院试验场和上庄电力管廊试验场，分别模拟低阻试验场及高阻试验场，通过仪器采集数据分析，对比背景场及低阻试验场、高阻试验场的异同，验证跨孔电阻率探测地下空间的可行性。步骤S300、通过理论模拟和物理模拟综合分析，验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间安全性的可行性。S400、将无线缆抗干扰跨孔电阻率法应用于南水北调重大工程探测中，实际应用中验证该方法的可行性及其适用性。该实施例中的利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法，通过采用跨孔电阻率法进行地下空间的探测，解决了井间信号的传输、井间装置系数计算、城市电磁抗干扰、收发井间的无线缆化布设以及收发信号的电极电缆的研制等问题；可高效率、高精度的通过井间探测地下空间体及判定地下空间体安全性。

在上述实施例中，利用跨孔电阻率法探测地下空间的方法还具有以下技术特征：

如图2所示的无线缆抗干扰跨孔电阻率法原理图，根据无线传输的需求，选择一孔作为发射端，另一孔作为接收端；为了保证数据的完整可靠性，选择发射端两极具有较大的极距，接收端两极采用跑极方式进行覆盖；然后两孔作用对换，原发射孔作为新的接收端，原接收端作为新的发射端进行测量。

如图3所示的抗干扰伪随机编码技术应用及波形示意图，由于远距离的井间观测，对抗干扰能力要求较大，因此采用伪随机编码技术。Ilyichev和 Bobrovsky(2015)研究表明伪随机编码的抗噪能力较传统方法可以使信噪比提升100倍左右。

如图4所示的利用“镜像法”推导装置系数K值计算公式的示意图，假设地下介质电性均匀，介质电阻率为ρ，电流I从地下A点流入，B点流出，利用镜像法计算，即假设在地面以上也充满电阻率为ρ的介质，并在点电源A、B 与地面对称的位置设两个镜像的点电流源A’、B’，且使镜像电流源的电流相同。根据叠加原理计算：

无线缆抗干扰跨孔电阻率法装置系数K值计算软件界面如图5所示，该软件是根据装置系数计算公式进行自主研发，软件可以自主选择装置类别，选择井间距，电极距等参数，批量计算K值。

根据K值计算公式绘制理论装置系数等值线图如图6所示，横轴为井间距，纵轴为深度。以(0,-20)和(0,-50)是发射点AB为例，图中黄色至红色为正的K值，蓝色为负的K值，绿色线为0线。因此，对于这种cross-borehole跨井测量装置，应当有一定的测量范围，而不能全区域测量。比较适合的采集电阻率的区域(绿色区域内)如图7所示。

不同跑极方式的电阻率曲线图如图8所示，选择足够大的异常体，对比两种跑极方式(加密、非加密)的观测结果异同；非加密跑极方式为0-5；5-10；10-15；15-20；…；45-50。加密跑极方式0-5；1-6；2-7；3-8；…；45-50。将这两种跑极方式分别进行正演计算，分析对比两种跑极方式的异同，为以后应用提供参考。经过分析认为加密的跑极方式数据量更大，探测效果更好。

本发明采用的电极电缆为使用2.5mm²的铜线制作的电缆，单线可承载电流为10A，根据合适的电极距制作电极，一根线链接一个电极，线头连接到转接盒放置在地面上。电极使用铜线本身，将绝缘线皮剥开，露出的铜线卷成螺旋状，外面包裹锡丝，埋入井中，使用泥浆注入，使之完全耦合，外面包裹锡丝本身能够减小电极的氧化，但是不能完全避免，电极防氧化的材质需要下一步电极试验进行分析。

试验场物理模拟可行性研究电位模型计算结果如图9、图10、图11所示，认为存在异常体的电位值及电位差均与背景场相差0.02mv，经过市场调研，高精度仪器观测能够进一步监测。试验场物理模拟可行性研究电阻率模型计算结果如图12所示,电阻率模型计算认为井间电法能够较好的监测到井间异常体。

地调院后院试验场模拟低阻异常体观测曲线图如图13所示，进行灌盐水模拟低阻异常，进行观测，可明显看出，在深度为-15m到-30m之间，加注盐水后电阻率有明显的降低。而到深部(-30米到-70米)电阻率几乎无变化。因此，当存在低阻异常时，U/I随深度变化的曲线有明显的变化。

上庄试验场电力管廊试验场模拟高阻异常体观测曲线图如图14所示，利用空洞模拟高阻异常，垂直于上庄路钻孔进行试验，孔间距为20m，孔深30m，进行两次重复测量，重复效果较好。在位置8米处有一明显高阻异常，与管廊所在的位置一致。通过低阻异常场和高阻异常场的观测，认为井间电法在井间异常体的探测中是可行的，长时间不间断的观测能够起到监测的目的。

南水北调试验场应用实例钻孔部署图如图15所示，试验区选择在四季青桥，位于西四环北路，水源三厂附近。该地区南水北调管线分布较密。管线在西四环主路上有平行的两道南水北调管道，管线西侧有一南水北调观测站，有一条南水北调管线支路从观测站下部通过，观测站中的观测孔深度为15m左右，定期会有大量的水抽出，经过检验抽出的水质与南水北调管线中的水质相同，为管线渗漏可疑区。故选择在此地进行管线渗漏的监测试验。其中黄色区域为试验场区域，蓝色为管线的分布情况，其中四环主路下部横穿两条平行的南水北调的管线，垂直于主线有南水北调支线穿过。根据管线的分布情况，设置钻孔三枚，孔深40m，AB井井间距33m，BC井井间距设置为50m，AC井井间距设置为80m。

南水北调试验场两次视电阻率曲线图如图16所示，两套数据整体形态变化上是一致的，说明该区域整体的电性结构并没有发生太大的变化，也从另一方面说明了数据的可靠性。细节上的差别跟周围环境及地层电性变化有关，如周围噪声源的变化、地层含水度的变化等原因。

南水北调试验场三次实测数据拟断面图和反演剖面对比图如图17所示，该地区整体的电性结构在数据上反应是一直的，整体分为5层，从地表到井底依次为：高阻覆盖层-低阻层-高阻层-低阻层-高阻层。三次测量细节上是有区别的，比如低阻层厚度的变化，高阻覆盖层深度的变化等。效果较好，结论与实际较吻合，认为无线缆抗干扰井间电法可以很好的弥补地面电法在特殊情况下难以施工的问题。该方法在地下电性结构探测中有很好的效果和可靠性。能够比较客观的反演出地下电性结构的形态和规模。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法，其特征在于，包括步骤：

S100、进行正演理论模拟计算，分别分析方法可行性和优化试验方案，利用正演计算验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间在理论上的可行性；

S200、建立试验场进行物理模拟，通过背景场和异常场的对比分析验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间安全性在物理模拟上的可行性；

S300、通过理论模拟和物理模拟综合分析，验证无线缆抗干扰跨孔电阻法探测地下空间安全性的可行性。

S400、将该无线缆抗干扰跨孔电阻率法应用于南水北调重大工程探测中，在实际应用中验证利用无线缆抗干扰跨孔电阻率法探测地下空间的方法的可行性及其适用性。

2.根据权利要求1所述的探测地下空间的方法，其特征在于，该方法中的无线缆是指无线缆传输方式，包括选择一孔作为发射端，选择另一孔作为接收端，为保证数据的可靠性所述发射端的两极具有较大的极距，所述接收端采用跑极方式进行覆盖；该方法中的抗干扰是指采用伪随机编码技术。

3.根据权利要求2所述的探测地下空间的方法，其特征在于，所述的步骤S100中分析方法可行性包括以下内容：建立电位值模型和电阻率模型，通过电位模型计算异常体存在时电位值变化的大小；通过电阻率模型计算异常体存在时电阻率值变化的大小；并将这两个数值的变化大小与仪器分辨率进行对比，初步计算方法可行性。

4.根据权利要求3所述的探测地下空间的方法，其特征在于，所述的步骤S100中分析优化试验方案包括以下内容：分析跨孔电阻率法装置系数K值计算公式及分布规律，对比不同跑极方式的优劣性，分析电极距大小及异常体位置的影响，利用正演计算优化试验方案。

5.根据权利要求2所述的探测地下空间的方法，其特征在于，所述的步骤S200中物理模拟包括以下内容：建立低阻试验场和高阻试验场，通过仪器采集数据分析，对比背景场及低阻试验场、高阻试验场的异同，验证该方法的可行性。

6.根据权利要求4所述的探测地下空间的方法，其特征在于，所述的跨孔电阻率法装置系数K值计算公式及其推导过程如下：

利用“镜像法”自主推导K值得计算公式，假设地下介质电性均匀，介质电阻率为ρ，电流I从地下A点流入，B点流出，利用镜像法计算，即假设在地面以上也充满电阻率为ρ的介质，并在点电源A点、B点与地面对称的位置设两个镜像的点电流源A’、B’，且使镜像电流源的电流相同，根据叠加原理计算：

7.根据权利要求6所述的探测地下空间的方法，其特征在于，所述的跨孔电阻率法装置系数K值的分布规律如下：跨井测量装置应当有一定的测量范围，而不能全区域测量；每次实验前应根据井间距及井深等参数计算比较适合的采集电阻率的区域。

8.根据权利要求7所述的探测地下空间的方法，其特征在于，布极方式为两孔互为发射孔和接收孔且采用偶极-偶极的方式；为了保证数据的完整可靠性，选择发射端两极具有较大的极距，接收端两极采用跑极方式进行覆盖；然后两孔作用对换，原发射孔作为新的接收端，原接收端作为新的发射端进行测量。

9.根据权利要求8所述的探测地下空间的方法，其特征在于，跑极方式包括连续跑极方式和加密跑极方式，分别对连续跑极方式和加密跑极方式进行正演计算，分析对比两种跑极方式的异同，为后续应用提供参考。

10.根据权利要求1所述的探测地下空间的方法，其特征在于，步骤S200还包括S210：在发射孔和接收孔内敷设电极电缆，所述电极电缆为铜线，根据电极距大小进行抽头，电极处铜线外包裹锡丝以防止其发生较快的电化学反应腐蚀电极。