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1、新汶礦業(yè)集團(tuán)龍固煤礦井下高密度三維電法勘探及超前勘探報(bào)告受新汶礦業(yè)集團(tuán)龍固煤礦的委托,山東科技大學(xué)在該礦的北區(qū) 輔助運(yùn)輸大巷1和輔助運(yùn)輸大巷2進(jìn)行了井下高密度三維電法勘探及 其超前探測(cè)。井下數(shù)據(jù)采集工作于2007年9月7日完成,2007年9 月11日前進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理,之后進(jìn)行了資料解釋及報(bào)告編制工作, 并提交該成果??碧椒毒氯S勘探范圍為輔1、輔2已掘大巷之間的區(qū)域,基本為一 280mx 40m的近矩形區(qū)域,面積約11200m2。井下超前探測(cè)在輔2已掘大巷中進(jìn)行。二、目的與任務(wù)井下三維電法勘探任務(wù):利用井下高密度三維電法技術(shù),對(duì)龍固煤礦輔1、輔2已掘大 巷之間底板地層的富水性進(jìn)行探測(cè),構(gòu)建底

2、板地層電阻率三維數(shù)據(jù) 體,圈定該范圍內(nèi)底板地層的富水區(qū)域,分析FL8斷層的富水性及其 向下延伸情況,指導(dǎo)龍固煤礦防治水工作。超前探測(cè)任務(wù):應(yīng)用山東科技大學(xué)自主研發(fā)的井下電法超前探測(cè)技術(shù),對(duì)龍固煤礦井下輔2兩條運(yùn)輸大巷進(jìn)行超前探測(cè),要求探測(cè)長(zhǎng)度不小于100 米,查明巷道掘進(jìn)前方地層的富水性,指導(dǎo)巷道的掘進(jìn)工作。三、勘探原理1、含煤地層的主要電性特征巖層與巖層之間,巖層與煤層之間的電阻率差異是在煤礦井下 巷道中開展直流電法勘探的物理前提。了解巖石和煤的電阻率及其影 響因素,對(duì)于合理布置礦井電法勘探工作、正確解釋實(shí)測(cè)電阻率法資 料具有重要意義。(1)巖石的電阻率由均勻材料制成的具有一定橫截面積的導(dǎo)體

3、,其電阻R與長(zhǎng)度L 成正比,與橫截面積S成反比,即L R = p S式中,P為比例系數(shù),稱為物體的電阻率。電阻率僅與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān),它是衡量物質(zhì)導(dǎo)電能力的物理量。不同巖石的電阻率變化范圍很大,常溫下可從10-8Qm變化到10i5Qm,與巖石的導(dǎo)電方式不同有關(guān)。巖石的導(dǎo)電方式大致可分為以下四種:石墨、無(wú)煙煤及大多數(shù)金屬硫化物主要依靠所含的數(shù)量眾多的 自由電子來(lái)傳導(dǎo)電流,這種傳導(dǎo)電流的方式稱為電子導(dǎo)電。由于石墨、 無(wú)煙煤等含有大量的自由電子,故它們的導(dǎo)電性相當(dāng)好,電阻率非常 低,一般小于。 ”,是良導(dǎo)電體。巖石孔隙中通常都充滿水溶液,在外加電場(chǎng)的作用下,水溶液 中的正離子(如Na+、K+、Ca

4、2+等)和負(fù)離子(Cl-、SO 2-等)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)4而傳導(dǎo)電流,這種導(dǎo)電方式稱為孔隙水溶液的離子導(dǎo)電。沉積巖的固 體骨架一般由導(dǎo)電性極差的造巖礦物組成,所以沉積巖的電阻率主要 取決于孔隙水溶液的離子導(dǎo)電,一切影響孔隙水溶液導(dǎo)電性的因素都 會(huì)影響沉積巖的電阻率,如巖石的孔隙度、孔隙的結(jié)構(gòu)、孔隙水溶液 的性質(zhì)和濃度以及地層溫度等,都對(duì)沉積巖的電阻率產(chǎn)生不同程度的 影響。絕大多數(shù)造巖礦物,如石英、長(zhǎng)石、云母、方解石等,它們的 導(dǎo)電是礦物晶體的離子導(dǎo)電。這種導(dǎo)電性是極其微弱的,所以絕大多 數(shù)造巖礦物的電阻率都相當(dāng)高(大于106Qm)。致密堅(jiān)硬的火成巖、 白云巖、石灰?guī)r等,它們幾乎不含水,而其礦物晶體

5、的離子導(dǎo)電又十 分微弱,故它們的電阻率很高,屬于劣導(dǎo)電體。泥質(zhì)一般是指粒度小于10 口 m的顆粒,它們是細(xì)粉砂、粘土 與水的混合物。泥質(zhì)顆粒對(duì)負(fù)離子具有選擇吸附作用,從而在泥質(zhì)顆 粒表面形成不能自由移動(dòng)的緊密吸附層,在此緊密吸附層以外是可以 自由移動(dòng)的正離子層。在外電場(chǎng)作用下正離子依次交換它們的位置, 形成電流。這種以泥質(zhì)顆粒表面的正離子來(lái)傳導(dǎo)電流的方式與水溶液 的離子導(dǎo)電方式不同,稱為泥質(zhì)顆粒的離子導(dǎo)電,也稱為泥質(zhì)顆粒的 附加導(dǎo)電。粘土或泥巖中泥質(zhì)顆粒的離手導(dǎo)電占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),由于粘土 顆粒或泥質(zhì)顆粒表面的電荷量基本相同,所以粘土或泥巖的導(dǎo)電性能 比較穩(wěn)定,它們的電阻率低且變化范圍小。在砂巖中,

6、隨著巖石顆粒 的變細(xì),附加導(dǎo)電所起的作用將越來(lái)越大,特別是細(xì)砂巖和粉砂巖, 附加導(dǎo)電對(duì)巖石的電阻率影響很大。(2)巖石電阻率與礦物成分的關(guān)系巖石電阻率與組成巖石的礦物的電阻率、礦物的含量和礦物的 分布有關(guān)。當(dāng)巖石中含有良導(dǎo)電礦物時(shí),礦物導(dǎo)電性能能否對(duì)巖石電 阻率的大小產(chǎn)生影響取決于良導(dǎo)礦物的分布狀態(tài)和含量。如果巖石中 的良導(dǎo)礦物顆粒彼此隔離地分布著,且良導(dǎo)礦物的體積含量不大,那 么巖石的電阻率基本上與所含的良導(dǎo)礦物無(wú)關(guān),只有當(dāng)良導(dǎo)礦物的體 積含量較大時(shí)(大于30%),巖石的電阻率才會(huì)隨良導(dǎo)礦物的體積含 量的增大而逐漸降低。但是,如果良導(dǎo)礦物的電連通性較好,即使它 們的體積含量并不大,巖石的電阻

7、率也會(huì)隨良導(dǎo)礦物含量的增加而急 劇減小。(3)巖石電阻率與其含水性的關(guān)系沉積巖主要依靠孔隙水溶液來(lái)傳導(dǎo)電流,因此巖層中水的導(dǎo)電 性質(zhì)將直接影響沉積巖的電阻率。在其他條件相同的情況下,巖層電 阻率與巖層中水的電阻率成正比。影響水的導(dǎo)電性的主要因素是水中 離子的濃度和水的溫度。煤田中常見的巖層水一般含低或中等濃度的 離子,巖層中水的含鹽濃度增大,離子數(shù)量隨之增多,溶液導(dǎo)電性將 變好。同時(shí)巖層中水的導(dǎo)電性還與溫度有關(guān),它的電阻率將隨溫度的 升高而降低。這是因?yàn)椋环矫嫠宣}類的溶解度隨溫度的升高而增 大,致使溶液中離子數(shù)量增多;另一方面,溫度的升高還會(huì)降低溶液 粘度,加快離子的遷移速度。(4)巖石電

8、阻率與其孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系由于地下水只充填在巖石的孔隙空間之中,因而巖石電阻率不 僅與巖石中水的電阻率有關(guān),而且還與巖石的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)有 關(guān)。巖石孔隙度的大小決定著巖石中水的含量,從而決定著巖石中離 子的數(shù)量;巖石孔隙的結(jié)構(gòu)(包括孔隙通道的截面積大小、彎曲程度 以及連通程度等)則影響著離子的運(yùn)動(dòng)速度和參加運(yùn)動(dòng)的離子數(shù)量。(5)巖石電阻率與巖性的關(guān)系含煤地層主要由砂、泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖組成,它們的電性特征 分別討論如下。砂、泥質(zhì)巖 砂、泥質(zhì)巖包括碎屑巖類和粘土巖類。碎屑巖 由碎屑顆粒、膠結(jié)物、泥質(zhì)及含水孔隙組成,與碳酸鹽巖相比,碎屑 巖的孔隙度較大,孔隙結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、規(guī)則。一般碎屑巖的電阻率

9、隨其 粒度的減小、分選性變好、泥質(zhì)含量增高、膠結(jié)程度變差和孔隙中水 含鹽量的增大而降低。砂巖電阻率在數(shù)十至數(shù)千歐姆米之間變化。分 選性差、顆粒粗、膠結(jié)程度高的致密砂巖電阻率高;反之,分選性好、 顆粒細(xì)、膠結(jié)程度低的疏松砂巖電阻率相對(duì)較低。膠結(jié)物不同,砂巖 電阻率也不同,鈣質(zhì)、硅質(zhì)或鐵質(zhì)膠結(jié)的砂巖電阻率一般比泥質(zhì)、粘 土質(zhì)膠結(jié)的砂巖電阻率高。礫巖由于顆粒粗、分選性差,故常具有比 砂巖還高的電阻率。粘土、頁(yè)巖、泥巖等粘土類巖石以泥質(zhì)顆粒的離 子導(dǎo)電方式為主,因?yàn)槟噘|(zhì)顆粒表面的電荷量基本相同,所以粘土、 泥巖、頁(yè)巖等的導(dǎo)電性比較穩(wěn)定,它們的電阻率一般在1nx 10Qm 之間變化。其中,頁(yè)巖比粘土和泥

10、巖更致密,故其電阻率稍高。當(dāng)砂巖或 礫巖含有泥質(zhì)時(shí),由于增添了泥質(zhì)的附加導(dǎo)電性,其電阻率也會(huì)降低。砂、泥質(zhì)巖石電阻率由小到大的順序是:泥巖或粘土 一頁(yè)巖一細(xì)砂巖 或粉砂巖中砂巖粗砂巖礫巖。碳酸鹽巖 碳酸鹽巖主要是以純化學(xué)方式沉淀生成的。這類 巖石的顆粒極細(xì),粒間幾乎沒有孔隙,故其電阻率通常很高,可達(dá)! X103104Qm。然而,當(dāng)碳酸鹽巖在外因作用下形成的裂隙或溶 洞充水時(shí),其電阻率將會(huì)明顯降低。此外,如果碳酸鹽巖中含有泥質(zhì) 時(shí),它的電阻率也會(huì)有所下降。巖石電阻率與層理的關(guān)系層理構(gòu)造是大多數(shù)沉積巖和變質(zhì)巖的典型特征,如砂巖、泥巖、 片巖、板巖以及煤層等,它們均由很多薄層相互交替組成。這種巖石

11、的電阻率具有明顯的方向性,即沿層理方向和垂直層理方向巖石的導(dǎo) 電性不同,稱為巖石電阻率的各向異性。巖石電阻率的各向異性可 用各向異性系數(shù)入來(lái)表示,定義為人=,n Pt式中,Pn代表垂直層理方向上的平均電阻率,稱為橫向電阻率; P t代表沿層理方向的平均電阻率,稱為縱向電阻率(圖1)。由于巖層 橫向電阻率始終大于縱向電阻率,所以巖石的各向異性系數(shù)入總大于 1。特別地,當(dāng)入=1時(shí),則為各向同性介質(zhì)。組成煤系的常見巖層中, 石墨、碳質(zhì)頁(yè)巖和無(wú)煙煤互層時(shí)各向異性最明顯,煙煤或粘土質(zhì)頁(yè)巖 次之,其他巖層更次之。一般地,巖層與夾層的導(dǎo)電性差異越大,互 層越頻繁,巖石的各向異性越明顯。圖1層狀結(jié)構(gòu)巖石模型巖

12、石電阻率與溫度的關(guān)系巖石電阻率隨溫度的變化遵循導(dǎo)電理論的有關(guān)定理。電介質(zhì)中 離子的能動(dòng)性隨溫度升高而增大,其運(yùn)動(dòng)能量積累到一定值時(shí),很容 易脫離晶格,因此導(dǎo)電性增強(qiáng)。半導(dǎo)體的溫度升高時(shí),導(dǎo)電區(qū)電子濃 度增大,導(dǎo)電性也相應(yīng)增大。如前所述,在低溫條件下,含水巖石中 水溶液的導(dǎo)電性隨溫度的升高而增大,這是由于溫度升高導(dǎo)致水溶液 濃度增大和粘滯度降低,水溶液中離子數(shù)量增多、活動(dòng)性增強(qiáng)的緣故; 當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),因水分蒸發(fā),巖石電阻率略有增加,只有溫度繼 續(xù)升高時(shí),電阻率才開始減小。例如,對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行加溫實(shí)驗(yàn)時(shí),溫 度升高到50100C時(shí),試樣的電阻率減?。粶囟壤^續(xù)升高至200C 時(shí),試樣電阻率增大;溫

13、度繼續(xù)升高超過200C時(shí),試樣電阻率急劇 下降;當(dāng)溫度超過600C后,試樣電阻率又呈回升趨勢(shì)。煙煤(褐煤、 肥煤、氣煤)電阻率與溫度間的關(guān)系與上述情形類似。巖石電阻率與壓力的關(guān)系巖石原生結(jié)構(gòu)破壞是壓力作用下巖石性質(zhì)變化的主要原因。根 據(jù)壓力特征,這種破壞可能是巖石的壓實(shí),孔隙收縮,顆粒接觸面積 的增大,形成裂隙組,或是個(gè)別區(qū)域之間粘結(jié)性減小等等。靜水壓力對(duì)巖石的壓實(shí)作用最大,在靜水壓力作用下,巖石內(nèi) 出現(xiàn)殘余變形,從而使孔隙度降低。此時(shí)壓力對(duì)巖石電阻率的影響與 巖石內(nèi)液體和氣體的含量有關(guān),往往隨壓力的增大,干燥或者稍許含 水巖石的電阻率減小,這是由于孔隙度降低、顆粒間接觸良好的原因。 除此之外

14、,巖石中孤立的含水孔隙在壓力作用下閉合并形成連續(xù)的導(dǎo) 電通路,也會(huì)使其電阻率減小。對(duì)于大多數(shù)巖石,當(dāng)單軸壓力由10Mpa 增加到60Mpa時(shí),可觀測(cè)到巖石電阻率的劇烈變化。但是,某些粘土 在壓力作用下,由于孔隙中的水分被擠出,含水孔隙通道的截面縮小, 從而使其電阻率增大。對(duì)于非常潮濕煤,壓力增大時(shí),電阻率也增大。相反,在應(yīng)力弱化作用下,巖石顆粒之間內(nèi)部粘結(jié)性降低,致 使巖石強(qiáng)度變小,巖石可碎性增強(qiáng)。當(dāng)巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育但裂隙不充 水時(shí),巖石電阻率會(huì)增大,若裂隙充水,巖石電阻率會(huì)顯著減小。(9)煤的電阻率煤的電阻率與煤化程度、煤巖組分、礦物雜質(zhì)含量以及水分等 因素有關(guān)。煤化程度很低的褐煤,常含有較

15、高的水分和溶于水的腐植酸離 子,故其電阻率較低,一般僅為數(shù)十至數(shù)百歐姆米。隨著煤化程度的 加深,褐煤中水分和溶于水的腐植酸離子含量將顯著減少,因而褐煤 的離子導(dǎo)電性減弱,其電阻率明顯增高。煙煤常具有較高的電阻率, 但隨煤變質(zhì)程度的加深,電阻率減小,過渡至無(wú)煙煤,電阻率急劇下 降。煙煤電阻率的變化范圍為數(shù)十至數(shù)千歐姆米,無(wú)煙煤常常具有良 好的電子導(dǎo)電性,因而其電阻率很低,一般在1Qm以下。煤中礦物雜質(zhì)的電阻率通常低于褐煤或煙煤中有機(jī)質(zhì)的電阻率,而高于無(wú)煙煤中有機(jī)質(zhì)的電阻率。因此,褐煤或煙煤的電阻率隨 礦物雜質(zhì)含量的增高而降低,而無(wú)煙煤的電阻率則隨礦物雜質(zhì)含量的 增高而增大。但當(dāng)無(wú)煙煤層中含有大量

16、黃鐵礦時(shí),由于黃鐵礦的電阻 率很低,也會(huì)使無(wú)煙煤的電阻率降低。煤的濕度分為內(nèi)部濕度和外部濕度。煤的內(nèi)部濕度是煤的電阻 率隨其變質(zhì)程度變化的主要因素之一。煤的外部濕度取決于煤田的水 文地質(zhì)條件,外部部濕度一般較大,所以氧化帶的電阻率往往比深部煤的電阻率低。各種煤巖組分中,絲炭的電阻率比鏡煤低。綜上所述,電阻率是表征巖石和煤性質(zhì)的重要物理參數(shù),巖石 和煤的電阻率不同程度地依賴于它們的成分、結(jié)構(gòu)、所含水分等因素, 隨著影響因素的改變而在較大范圍內(nèi)變化。2、礦井直流電法勘探的工作原理直流電法勘探是測(cè)定巖石電阻率的傳統(tǒng)方法。它通過一對(duì)接地電 極把電流供入大地,而通過另一對(duì)接地電極觀測(cè)用于計(jì)算巖石電阻率

17、所必需的電位或電位差信息。對(duì)于礦井直流電法勘探而言,供電、測(cè) 量電極通常布置在巷道頂?shù)装寤蛳锏纻?cè)幫上,從不同角度去觀測(cè)巷道 周圍穩(wěn)恒電流場(chǎng)的分布、變化規(guī)律,藉以了解巷道頂?shù)装寤蛩趲r層 內(nèi)的地質(zhì)情況是礦井直流電法勘探的主要任務(wù)。巷道周圍穩(wěn)恒電流場(chǎng)的基本性質(zhì)在巷道周圍導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)的任意一點(diǎn)上,電流場(chǎng)具有以下特征:電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的正比性電流密度矢量j與電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E在數(shù)量上成正比,比例因子是該點(diǎn)巖石的電導(dǎo)率。,即E j = bE =P電流的連續(xù)性穩(wěn)恒電流場(chǎng)中,源點(diǎn)除外的任何一點(diǎn)處電流密度的散度均等于零,即divj = o電流的勢(shì)場(chǎng)性從上述性質(zhì)可知,穩(wěn)恒電流場(chǎng)在空間的分布是穩(wěn)定的,即不隨時(shí)間變化,

18、它與靜電場(chǎng)一樣均為勢(shì)場(chǎng),故電場(chǎng)強(qiáng)度與電位有以下關(guān)系E = 一 gradU對(duì)于均勻或分區(qū)均 勻的無(wú)源介質(zhì)空間,上述方程可歸結(jié)為L(zhǎng)aplace方程的形式V 2U = 0對(duì)于均勻或分區(qū)均 勻的有源介質(zhì)空間,上述方程可歸結(jié)為Poisson方程的形式V 2U(P, A )= - Ip 5(P 一 A )式中,P為考察點(diǎn),A為供電點(diǎn)電源的位置。(2)巷道周圍穩(wěn)恒電流場(chǎng)的邊界條件第一類邊界條件.一也,當(dāng)源點(diǎn)位于巷道頂?shù)装鍟r(shí)當(dāng)源點(diǎn)位于導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)時(shí)第二類邊界條件即在巷道頂?shù)装寤蛳锏缼蜕想娏髅芏鹊姆ㄏ蚍至康扔诹?。第三類邊界條件當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)電阻率為有限值時(shí),在該界面上以下連續(xù)條件成立jin=j2n 或上獸X 土U

19、1=U2p a n p a n12E = E 或 j p = j p1l211l 121 2求解巷道周圍電流場(chǎng)的分布,就是求解一定邊界條件下方程的邊值問題。三維空間內(nèi)的穩(wěn)恒電流場(chǎng)根據(jù)場(chǎng)論可知,當(dāng)三維空間內(nèi)充滿均勻各向同性介質(zhì)時(shí),介質(zhì)內(nèi)部A點(diǎn)供電時(shí)M點(diǎn)處的電位值為4兀rAM式中,rAM為A、M點(diǎn)間的距離;為介質(zhì)電阻率;I為供電電流強(qiáng) 度。顯然,其等位面是以A為中心的同心、球面。電場(chǎng)強(qiáng)度為4兀r2AM電力線E垂直于等位面,這些電力線是從供電點(diǎn)發(fā)出的一束輻射線,電流線的方向與電力線的方向一致(圖2),電流密度為Ij =4兀r2AM當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部雙異極性點(diǎn)電源。A(+I)和 B(-I)同時(shí)供電時(shí),測(cè)量電極

20、M、N間的電位差A(yù)Umn為 UAM1111-+rrrrAMANBNBMIP4兀圖2三維空間中的點(diǎn)電源場(chǎng)全空間視電阻率與礦井直流電法勘探的物理實(shí)質(zhì)4 UP = MNI由上式可得- + -1-= K A U mnr r r rIAM AN BN BM式中,K為裝置系數(shù),其值由下式確定rAMrANrBNrBM因此,若采用圖3所示的裝置測(cè)得供電回路A、B中的電流強(qiáng)度I和電位差UMN,則不論A、B, M, N的相對(duì)位置如何,都計(jì)算出介質(zhì)的電阻率值。圖3大地電阻率的測(cè)定裝置然而,當(dāng)全空間內(nèi)介質(zhì)電性非均勻時(shí),計(jì)算的結(jié)果不再是某種介質(zhì)的真電阻率,而是三維空間某一體積范圍內(nèi)電性變化的一種綜合 反映,稱為全空間視

21、電阻率,用Ps表示p = K 田 ms I仿照地面電阻率法的做法,可以導(dǎo)出全空間視電阻率的微分表達(dá) 式P = MN p s j MN式中,Pmn為M、N間介質(zhì)的真電阻率;jMN為M、N間的實(shí)際電流密度; jo為全空間內(nèi)充滿均勻介質(zhì)時(shí)的電流密度。該式進(jìn)一步說明,視電阻 率是導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)部電流場(chǎng)分布狀態(tài)的外在表現(xiàn)。如圖3所示,當(dāng)測(cè)量 電極M、N附近存在高阻異常體時(shí),因高阻異常體對(duì)電流有排斥作用, 所以jMN j,故PsPo;當(dāng)測(cè)量電極M、N附近存在低阻異常體時(shí), 由于低常體對(duì)電流有吸收作用,所以j j,故PP。因此,MN0s0通過測(cè)量、分析全空間視電阻率的相對(duì)變化可以推斷介質(zhì)電性變化情況。這就是礦井

22、直流電法勘探的物理實(shí)質(zhì)。3、高密度電阻率層析成象探測(cè)技術(shù)高密度電阻率法是二十世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來(lái)的一種新型陣 列勘探方法,是基于靜電場(chǎng)理論,以探測(cè)目標(biāo)體的電性差異為前提進(jìn) 行的。該方法采集數(shù)據(jù)信息量大,可進(jìn)行層析成象計(jì)算,成圖直觀, 可視性強(qiáng),采集裝置種類多,儀器輕便。該方法在不同領(lǐng)域受到廣泛 的應(yīng)用。傳統(tǒng)電法勘探中的電測(cè)深方法是反映某一點(diǎn)的縱向電性的分布 情況,如果布設(shè)的測(cè)深點(diǎn)沒有和采空區(qū)相交,就不能實(shí)現(xiàn)對(duì)其的探測(cè)。 電阻率剖面方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)掃面工作,找到采空區(qū)的分布位置,但 是裝置固定的電剖面法只能反映電性在某一深度橫向上的變化不能 確定地下采空區(qū)的規(guī)模。目前能同時(shí)具備這兩種功能并能實(shí)

23、現(xiàn)數(shù)據(jù)采 集的方法只有高密度電阻率法。高密度電阻率法綜合了電剖面法和電測(cè)深法的優(yōu)點(diǎn),解決了常 規(guī)電阻率法由于其觀測(cè)方式的限制,不僅測(cè)點(diǎn)密度較稀,而且也很難 從電極排列的某中組合上去研究地電斷面的結(jié)構(gòu)和分布等不足。它通 過用電測(cè)深法來(lái)獲取地質(zhì)信息,再用電剖面法對(duì)地質(zhì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處 理,繪制電阻率斷面圖。這樣可以更有效的利用地質(zhì)信息,提高電阻 率法的勘探能力,使其在水文、工程、與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中發(fā)揮更大的 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)內(nèi)外關(guān)于高密度電阻率法研究的基礎(chǔ)上,通過理 論和實(shí)際相結(jié)合來(lái)介紹一些高密度電阻率法的原理及相關(guān)知識(shí)。高密度電阻率法是日本地質(zhì)計(jì)測(cè)株氏會(huì)社提出來(lái)的,原理上屬 于電阻率法的范疇,但與

24、常規(guī)的電阻率法相比設(shè)置了較高的測(cè)點(diǎn)密 度,在測(cè)量方法上采取了一些有效的設(shè)計(jì),使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高 的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力,并可獲得較為豐富的地電信息。高密度 電阻率法及提供地下地質(zhì)體某一深度沿水平方向巖性的變化情況,也 能反映鉛垂方向巖性變化情況,一次可完成縱、橫二維的探測(cè)過程, 所以觀測(cè)精度高,采集的數(shù)據(jù)可靠,在巖體工程探測(cè)方面有著廣泛的 應(yīng)用前景。(1)基本原理高密度電阻率法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同,是電 剖面法和電測(cè)深法的組合,因此它仍然是以巖土體的導(dǎo)電性差異為基 礎(chǔ)的一類電探方法,研究在施加電場(chǎng)的作用下,地中傳導(dǎo)電流的分布 規(guī)律。高密度電阻率勘探系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)的收錄和資料

25、的處理兩部分。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),只須將全部的電極設(shè)置在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上,然后用多 芯電纜將其連接到程控式電極轉(zhuǎn)換開關(guān)。程控式電極轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種 由微電機(jī)控制的電極自動(dòng)換接裝置,轉(zhuǎn)換開關(guān)在步進(jìn)電極的帶動(dòng)下, 由程序控制而動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)電極排列方式、極距和測(cè)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換。測(cè)量信號(hào)由轉(zhuǎn)換開關(guān)送入微機(jī)工程電測(cè)儀,并將測(cè)量結(jié)果依次 存入隨機(jī)存儲(chǔ)器或收錄在磁帶上。將數(shù)據(jù)回放并送入微機(jī),便可根據(jù) 需要按給定程序?qū)υ假Y料進(jìn)行處理并給出相應(yīng)的圖示結(jié)果。這樣就 可利用高密度電阻率法在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確與快速的采集大量數(shù)據(jù),以及對(duì)采 集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理及結(jié)果圖示。(2 ) 三電位電極系為了使高密度電阻率法能夠獲得關(guān)于地電斷面

26、結(jié)構(gòu)特征的豐富信息,在電極裝置的選擇上,一般采用了三電位電極系。這樣就可獲 得三種常用電極裝置的視電阻率參數(shù),以繪制等值線斷面圖以及不同 極距的剖面圖;而且當(dāng)將三種電極系列的測(cè)量結(jié)果作某種組合時(shí),還 可獲得視電阻率異常的幾種比值斷面圖。三電位電極系是將溫納四極(AMNB)、偶極(ABMN)及微分(AMBN) 裝置按一定方式組合后所構(gòu)成的一種統(tǒng)一測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)在實(shí)際測(cè) 量時(shí)利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)將每四個(gè)相鄰電極進(jìn)行一次組合,從而在一個(gè) 測(cè)點(diǎn)上便可獲得多種電極排列的測(cè)量參數(shù)。點(diǎn)距設(shè)為x時(shí),三電位系統(tǒng)的電極距a = n x (n= 1,2,3)。上述三種電極排列形式依次稱為a排列、0排列及y排列。顯然,

27、這 里對(duì)某一測(cè)點(diǎn)上的四個(gè)電極按規(guī)定作了三次組合。各種裝置測(cè)量視電 阻率的計(jì)算公式分別為:p : = 2兀 a u a /1p P = 6兀 a u P /1p 丫 = 3 兀 a u y /1s具體測(cè)量方法為:首先以固定點(diǎn)距沿井下巷道測(cè)線布置一系列 電極,電極通過多芯電纜經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接到儀器上,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)改變 裝置類型,一次完成該測(cè)點(diǎn)上各種裝置形式的觀測(cè),一個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完 后,通過開關(guān)轉(zhuǎn)換到下一相鄰測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極,以相同方法進(jìn)行該點(diǎn) 觀測(cè),直到某一電極間距的整條剖面觀測(cè)完為止。改變電極間距重復(fù)以下觀測(cè),直到有所不同電極間距的剖面觀測(cè)完為止。點(diǎn)距的選擇主要依據(jù)探測(cè)精度要求,精度要求越高應(yīng)越小。最

28、大電極距大小,決定于預(yù)期探測(cè)深度,探測(cè)深度越深,要求越大,但 一般隔離系數(shù)最大值不超過15為好,當(dāng)然,由于一條剖面測(cè)點(diǎn)總數(shù) 是固定的,因此當(dāng)極距擴(kuò)大時(shí),反映不同勘探深度的測(cè)點(diǎn)數(shù)將依次減 少。(3) 主要特點(diǎn)高密度電阻率法相對(duì)于常規(guī)電阻率法而言,它將有以下特點(diǎn):電極布設(shè)是一次完成的,測(cè)量過程中無(wú)須更換電極,因而可 以防止因電極設(shè)置而引起的故障和干擾。能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的參數(shù)測(cè)定,因而可以獲得 較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)的信息。數(shù)據(jù)的采集和收錄實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化(或半自動(dòng)化)不僅采集速 度快,而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯(cuò)誤??梢詫?shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場(chǎng)適時(shí)處理或脫機(jī)處理。根據(jù)需要自動(dòng)繪 制和打印各種

29、成果圖件,大大提高了電阻率法的智能化程度。與傳統(tǒng)的電阻率法相比,成本低,效率高,信息豐富,解釋 方便,勘探能力顯著提高。高密度三維電法勘探是在二維電法勘探的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的, 它采集數(shù)據(jù)大,數(shù)據(jù)體信息豐富,可運(yùn)用切片技術(shù)進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù) 解釋,有二維電法勘探所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。4、井下電法超前探技術(shù)井下電法超前探測(cè)技術(shù)是山東科技大學(xué)自主研發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù), 主要是用來(lái)探測(cè)井下巷道掘進(jìn)前方地層的地質(zhì)情況,因此,該項(xiàng)技術(shù) 仍然屬于礦井直流電法勘探的范疇。在井下掘進(jìn)巷道中通過接地電極進(jìn)行供電,建立了全空間穩(wěn)定直 流電場(chǎng),該電場(chǎng)的空間分布與巷道周圍的地層巖性、結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造等 地質(zhì)因素有關(guān),也就是說,巷道周

30、圍的地層巖性、結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造等地 質(zhì)因素決定了全空間穩(wěn)定直流電場(chǎng)的空間分布,同時(shí)也決定了掘進(jìn)巷 道內(nèi)的電場(chǎng)分布,這種電分布形態(tài)包含了掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)信息。井下電法超前探測(cè)技術(shù)就是通過觀測(cè)在掘進(jìn)巷道范圍內(nèi)的電場(chǎng) 分布形態(tài),進(jìn)行反演解釋巷道掘進(jìn)前方的地質(zhì)信息。含煤地層為沉積巖地層,地層橫向穩(wěn)定,呈層性較好,因此,其 電阻率值也比較穩(wěn)定,如果地層富水,由于地層水礦化度較高,導(dǎo)電 離子豐富,使地層的導(dǎo)電性能大大降低,電阻率值大大減小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于正常不富水地層,這是井下利用電法勘探地層富水性的主要物理基 礎(chǔ)。龍固煤礦井下地層溫度較高,地層水溫可為8oC,導(dǎo)致導(dǎo)電離子 活動(dòng)性加強(qiáng),進(jìn)一步降低了富水地層的電

31、阻率,加大了與正常地層的 電阻率差異,因此本次井下電法勘探的地球物理?xiàng)l件良好。五、數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集進(jìn)行解釋的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)采集工作的好壞直接影響到解釋成果的準(zhǔn)確性。本次井下高密度三維電法勘探及超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集使用的是WJDJ-3型高密度電阻率系統(tǒng)。三維電法勘探采用兩極裝置的三維電法采集方法,其采集參數(shù)如 下:開設(shè)道數(shù):50道測(cè)量層數(shù):40測(cè)量方式:滾動(dòng)道 距:10米工作方法:兩極供電電壓:180伏本次井下高密度三維電法勘探數(shù)據(jù)采集在輔1、輔2運(yùn)輸大巷 進(jìn)行,以10米間距布設(shè)電極,共布設(shè)電極50個(gè),長(zhǎng)度490米,采集 時(shí)停止了工作面內(nèi)的所有電源,保證了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,每個(gè)電極采集 數(shù)據(jù)40個(gè),共采集有

32、效數(shù)據(jù)2000個(gè)。本次井下超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集在輔2運(yùn)輸大巷中進(jìn)行,沿巷道兩側(cè) 對(duì)稱布設(shè)電極,電極間距10米,采用電位測(cè)量技術(shù)(兩極,N、B極 置于無(wú)窮遠(yuǎn))觀測(cè)巷道內(nèi)的電場(chǎng)分布,布設(shè)了 30個(gè)電極,采集數(shù)據(jù) 點(diǎn)600個(gè)。電法勘探受環(huán)境條件影響,井下影響最大的是供電系統(tǒng)。本次 數(shù)據(jù)采集過程中,施工巷道周圍停止了供電,因此不受供電系統(tǒng)影響。 為保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,數(shù)據(jù)采集時(shí)每次都進(jìn)行了 2次以上的重復(fù)采 集。因此,本次勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。七、數(shù)據(jù)處理本次高密度井下三維電法勘探數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個(gè)步驟:1、突變點(diǎn)的剔除在數(shù)據(jù)采集過程中,由于某一電極接地不好,或受采集現(xiàn)場(chǎng)干擾 因素的影響,會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)突

33、變點(diǎn),為了不造成對(duì)解釋結(jié)果的影 響,對(duì)數(shù)劇突變點(diǎn)進(jìn)行剔除。2、數(shù)據(jù)的光滑平均在數(shù)據(jù)采集過程中,有時(shí)會(huì)受到一些隨機(jī)噪聲的影響,為了消除 這些隨機(jī)噪聲,采用光滑平均的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,但平滑幅度不 能過大,以免平滑掉有用信息,降低分辨率。3、建立反演模型圖4標(biāo)準(zhǔn)三維模型三維模型是測(cè)區(qū)范圍地下半空間沿水平面和X、Y方向的鉛垂面 劃分的許多矩形短柱體的組合(圖4)。地面的相鄰的四個(gè)電極位置 作為小柱體在地面的角點(diǎn),即柱體的長(zhǎng)度、寬度都等于單位電極距。 頂層柱體的厚度為0.6倍單位電極距,下伏的模型層柱體厚度按10% 的比例逐層遞增。為了提高反演精度,三維模型還有兩種細(xì)分的變種。 一種是將近地表數(shù)個(gè)模

34、型層的棱柱體再沿水平面和垂直面均分,即每 個(gè)棱柱體再剖分成8個(gè)相同規(guī)格小棱柱體的淺層細(xì)分模型(圖5); 另一種是將近地表的數(shù)個(gè)模型層的棱柱體僅再沿垂直面剖分,即每個(gè) 棱柱體再分割成四個(gè)小棱柱體的淺層垂直細(xì)分模型(圖6)。由于電 法勘探的分辨率隨深度的增加而急劇下降,試算結(jié)果表明:有效的細(xì) 分模型層不超過兩層。一般情況下,使用一層細(xì)分模型即可。由于細(xì) 分模型的棱柱體數(shù)量較多,反演耗時(shí)亦相應(yīng)明顯增大。圖5淺層細(xì)分三維模型圖6淺層垂直細(xì)分三維模型4、進(jìn)行數(shù)據(jù)反演三維高密度電法反演系統(tǒng)使用的反演方法為圓滑約束最小二乘 反演方法,最小二乘反演方法是一種比較成熟的最優(yōu)化反演方法,在 物探資料的反演中已經(jīng)得

35、到廣泛的應(yīng)用。程序使用了基于準(zhǔn)牛頓最優(yōu) 化非線性最小二乘新算法(Loke and Barker 1996a),使得大數(shù)據(jù)量 下的計(jì)算速度較常規(guī)最小二乘法快10倍以上且占用內(nèi)存較少,而且 可以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和圓滑濾波器以適應(yīng)不同類型的資料。圓滑約束最小二乘反演最優(yōu)化方法主要靠調(diào)節(jié)模型條塊的電阻 率來(lái)減小正演值與實(shí)測(cè)視電阻率值的差異。首先根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率 值初步給定模型各個(gè)子塊的電阻率,使用有限元法或有限差分法作正 演計(jì)算,得出初步模型的地面視電阻率異常值。程序?qū)⒄萦?jì)算值與 實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)整模型各個(gè)子塊的電阻率,使用 調(diào)整后的模型重新作正演計(jì)算。如此多次循環(huán)迭代,使模型正演計(jì)算

36、 結(jié)果與實(shí)測(cè)值的差異逐漸減小。這種差異用均方誤差(RMS)來(lái)衡量。 一般選取迭代后均方誤差不再明顯改變的模型作為反演成果,這通常 在第三和第五次迭代之中出現(xiàn)。圓滑約束最小二乘法的法方程為:(JtJ+uF ) d = JTg其中 F = ffxT+ 八 fzTfx =水平圓滑濾波系數(shù)矩陣fz =垂直圓滑濾波系數(shù)矩陣J =雅可比偏導(dǎo)數(shù)矩陣Jt = J的轉(zhuǎn)置矩陣u =阻尼系數(shù)d =模型參數(shù)修改矢量g =殘差矢量圓滑濾波系數(shù)f用于約束模型參數(shù)(如電阻率),使模型參數(shù)保 持在某一個(gè)常數(shù)范圍。阻尼系數(shù)用于改善方程求解條件的數(shù)值選取與 資料的隨機(jī)噪聲有關(guān),當(dāng)資料的隨機(jī)噪聲較大時(shí),應(yīng)選取較大的值, 反之則取較

37、小值。反演程序也可以使用常規(guī)高斯-牛頓法,在每次迭 代后重新計(jì)算偏導(dǎo)數(shù)的雅克比(Jacobian)矩陣。它的反演速度比準(zhǔn) 牛頓法慢得多,但在電阻率差異大于10:1的高電阻率差異地區(qū),效 果要稍好一些。反演逼近也可以在第二或第三次迭代以前,使用高斯 -牛頓法,然后使用準(zhǔn)牛頓法,在許多情況下,這是了一種最佳的折 衷選擇。本次三維電法勘探數(shù)據(jù)處理后得到了輔1、輔2運(yùn)輸大巷之間 底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體,數(shù)據(jù)體長(zhǎng)280米、寬40米、高280米。本次井下超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個(gè)步驟:1、建立數(shù)據(jù)文件整理、編輯采集到的數(shù)據(jù),添加上所需的坐標(biāo),建立起符合反演 要求的數(shù)據(jù)文件。2、建立反演模型建立反演

38、模型,要求模型寬度40米,超前長(zhǎng)度100米,后方長(zhǎng)度為電極布設(shè)長(zhǎng)度,形成一 10米X10米的網(wǎng)格模型。3、數(shù)據(jù)反演應(yīng)用圓滑約束最小二乘反演方法,調(diào)入反演數(shù)據(jù)文件,反演迭代 出反演模型內(nèi)每一個(gè)網(wǎng)格電阻率值。4、繪制成果圖應(yīng)用Surfer繪圖軟件,對(duì)反演出的反演數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖,得到超 前探測(cè)電阻率色譜平面圖。數(shù)據(jù)處理后,得到輔2運(yùn)輸大巷的超前探測(cè)電阻率色譜平面圖。八、資料解釋三維電法勘探:數(shù)據(jù)處理后得到了輔1、輔2運(yùn)輸大巷之間底板地層電阻率三 維數(shù)據(jù)體(圖7),為便于解釋應(yīng)用,應(yīng)用切片技術(shù),分別進(jìn)行了水 平及垂直切片。1、坐標(biāo)系統(tǒng)輔1、輔2運(yùn)輸大巷之間底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體的坐標(biāo)原 點(diǎn)在輔2運(yùn)輸大巷的起點(diǎn)處,沿輔2運(yùn)輸大巷向里(長(zhǎng)度、垂直

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