巷道激发极化法多方位探测技术与多信息最优化约束反演

At present, it is essential to study 3-D tunnel detection technology to prospect deposit and groundwater and to guide the engineering in safety. Induced polarization method (IP) is widely used in prospecting because of such advantages as easy operation, economic and so on. Owing to tunnel space limit, the conventional IP methods have a series of disadvantages such as unclear on detect direction , limit on detect distance, non-unique on inversion solutions and so on. In order to achieve the best effect of the tunnel IP detection in different direction, this research project will discuss both the tunnel 3-D observation method, forward modeling and inversion interpretation technology. Based on the tunnel outsides detection and tunnel advanced detection, the 3-D new survey skills are put forward. During the 3-D FEM forward, the adaptive mesh subdivision based on perfectly matched layer (PML) absorbing boundary conditions, matrix compression storage and a fast algorithm with abnormal field will be applied. Then, by analyzing the relations between the observation systems and working parameters, we will build the optimization inversion method with double grids on some knowns constraint of the geological property, background, smoothness and position. Finally, the forward and inversion techniques about the tunnel 3-D IP.detection are to be developed and realized.

巷道探测在探矿、探水、隧道安全生产等方面有着广泛需求，迫切需要开展巷道三维探测技术的研究。激发极化法由于易于操作、经济等特点，在找矿、找水等方面广泛应用。巷道激发极化法由于受巷道环境限制，传统观测方式存在探测方向不明确、探测距离短、解释非唯一性严重等问题。为使巷道激电在多方位达到最佳探测效果，本项目将对巷道观测方法和正反演解释技术展开研究。在观测方面，将探索针对巷道外围探测、巷道迎头超前探测、巷-巷对测和巷-地联合探测的多方位观测新方法。正反演方面，将研究基于巷道探测的PML吸收边界条件、自适应网格剖分、矩阵压缩存储和快速求解技术，形成基于异常场计算的三维巷道激电有限元方法。在此基础上，分析观测系统与巷道大小、工作参数之间的耦合关系，并探索将地质属性约束、背景和光滑约束、空间约束进行融合，构建多约束最优化线性反演方法，进而完善和开发巷道激发极化法三维多方位探测与反演解释技术。

巷道探测在探矿、探水、隧道安全生产等方面有着广泛需求，迫切需要开展巷道三维探测技术的研究。本项目从巷道激发极化法多方位观测方法，开展自适应有限元三维快速高精度正演模拟方法，多信息约束反演和软件开发，以及常见巷道实测实验等方面研究工作。为了提高正演效率和模拟精度，网格剖分采用以巷道为中心的放射状四面体网格、基于完美匹配层吸收边界条件的异常场法计算算法、方程组采用分块非零元素行压缩（MSR）存储技术以及超松弛预条件共轭梯度（SSORPCG）迭代法求解算法；反演上构建起以地质约束、背景约束以及光滑约束等多信息约束条件下的最优化最小二乘线性反演方法，并编制正反演软件。此外建立了一整套大型水槽巷道物理模型（水槽长*宽*高=5.2m*3m*2m），实现对巷道迎头“U”型超前探测、巷道与巷道之间对测、巷道与地面联合观测等进行全方位的物理模拟和异常分析。通过模型实测进行数值模拟的正确性验证，测试巷道多方位探测系统的可行性，改进观测方式。学生通过此水槽物理模拟装备，进行巷道多方位观测的物理模拟和观测试验等。. 本项目研究成果：1）获发明专利2项，实用新型专利1项；2）形成一套适合巷道多方位观测的有限元三维正演模拟和反演算法，编制了实用、高效的正反演软件；3）发表12篇学术论文，申请登记软件著作权2项；4）培养硕士研究生6名，青年骨干2名；5）出版专著1部，获广西科技成果二等奖1项。. 本项目成果在广西西大明山矿集区的隐伏矿体的探测实践中，利用多参数约束反演新方法，有效解决了深切割地形和复杂岩相环境下隐伏花岗岩体顶界形态预测技术难题，提高了激发激化法探测脉状硫化物隐伏矿体的准确率，为隐伏金属矿体定位预测提供了关键技术支持。同时，该软件成果在中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司多个项目中开展应用实践，取得良好效果。.