直流电阻率三极超前探测的有效性.pdf

第 2 9 卷3 期 2 0 1 7年 3月 中国煤炭地质 C0AL GE0L0GY oF CHI NA V0 1 ． 2 9 No．03 Ma r ． 2 01 7 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 6 7 4 1 8 0 3 ． 2 0 1 7 ．0 3 ． 1 5 文章编号 1 6 7 4 - 1 8 0 3 2 0 1 7 0 3 - 0 0 7 2 - 0 4 直流 电阻率三极超前探测的有效性 罗 国平 中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院， 河北 涿州 0 7 2 7 5 0 摘 要 大量实例表明， 在煤矿井下直流电阻率三极超前探测虽然被广泛应用于迎头前方地质异常体的探测 ， 但探 测效果并不理想。通过简单的全空间低电阻率球状电性体进行解析式三极超前探测正演计算 ， 以及对地面积水体 进行三极超前探测 ， 其解释结果与实际相差较远。根据理论分析， 迎头前方存在低阻球体时三极超前探测的视电 阻率曲线随探测距离增加呈单调下降趋势， 仅能表现出低阻体的存在， 但不能真实反映出低阻球体的位置。地面 积水坑的探测结果表明， 受 M N电极接地电阻的影响， 与积水坑对应位置并没有出现低阻异常。在山西某地， 三极 超前探测数据与仪器配套的软件处理解释后获得的二处异常， 经钻孔验证均为误判， 而钻孔揭露的含水采空区在 成果图上却无异常迹像。建议在改善 MN接地电阻、 改变数据采集方式或增强异常数据处理等方面加强研究 ， 以提 高三极超前探测有效性。 关键词 直流电法； 三极超前探测 ； 低阻地质体 中图分类号 P 6 3 1 - 3 文献标识码 A Effe c t i v e n e s s o f DC Re s i s t i v i t y Tr i e l e c t r o d e Ad v a n c e d P r o s p e c t i n g Lu o Gu o p i ng G e o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C N A C G ， Z h u o z h o u ， He b e i 0 7 2 7 5 0 Ab s t r a c t Th e ma s s i v e e x a mp l e s h a v e s h o w n t h a t a l t h o u g h t h e c o a l mi n e u n d e r g r o u n d DC r e s i s t i v i t y t r i e l e c t r o d e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g i s w i d e l y a p p l i e d i n h e a d o n g e o l o g i c a n o ma l o u s b o d y d e t e c t i o n ， b u t t h e e f f e c t i s n o t i d e a l i s t i c ． T h r o u g h s i mp l e wh o l e s p a c e l o w r e s i s t i v i t y s p h e r i c a l e l e c t r i c b o d y h a s c a r r i e d o u t a n aly t i c t r i e l e c t r o d e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g f o r w a r d c o mp u t a t i o n ， a n d t r i e l e c t r o d e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g f o r s u r f a c e p o n d e d wa t e r b o d y ． B u t t h e i n t e r p r e t e d r e s u l t s a l e f a r f r o m p r a c t i c e s ． B a s e d o n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， wh e n h e a d o n l o w r e s i s t i v i t y s p h e r o i d i s e x i s t e d ， t h e t r i e l e c t r o d e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g a p p a r e n t r e s i s t i v i t y c u r v e s w i l l p r e s e n t mo n o t o n o u s f a l l i n g t r e n d a l o n g wi t h t h e i n c r e a s i n g o f p r o s p e c t i n g d i s t a n c e ． I t c a n o n l y e x h i b i t t h e e x i s t e n c e o f l o w r e s i s t i v i t y b o d y ， b u t c a n n o t r e fl e c t i t s p o s i t i o n t r u l y ． T h e p r o s p e c t e d r e s u l t o f s u r f a c e p o n d e d w a t e r b o d y h a s s h o wn t h a t i mp a c t e d b y MN e l e c t r o d e e a r t h r e s i s t a n c e ， n o c o n d u c t i v e a n o ma l y p r e s e n t e d c o r r e s p o n d i n g t o p o n d e d wa t e r b o d y s i t u a t i o n ． I n a S h a n x i p l a c e ， t w o a n o mali e s f r o m t h e i n t e rpr e t a t i o n o f p r o s p e c t e d d a t a a f t e r p r o c e s s e d b y s o f t wa r e ma t c h e d wi t h i n s t r u me n t a r e a l l mi s i n t e r p r e t e d t h r o u g h d r i l l i n g v ali d a t i o n ． W h i l e t h e d r i l l i n g r e v e a l e d wa t e rb e a tin g g o b a r e a h a s n o a b n o r ma l i ma g e o n r e s u l t d r a w i n g s ． S o ， i t i s s u g g e s t e d t h a t r e s e a r c h e s s h o u l d b e s t r e n g t h e n e d t h r o u g h MN e a r t h r e s i s t a n c e i mp r o v i n g ， d a t a a c q u i s i t i o n mo d e c h a n g i n g o r a b n o r mal d a t a p r o c e s s i n g e n h a n c i n g t o i mp r o v e e f f e c t i v e - n e s s o f t r i e l e c t r o d e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g ． Ke y wo r d s DC e l e c t r i c me t h o d ； t r i e l e c t r o d e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g ； c o n d u c t i v e g e o l o g i c b o d y O 引 言 水害是影 响煤矿安全生产 的一个重要 因素 ， 传 统 的水害预测是在地面利用物探方法获得 电阻率 、 极化率等参数在空间的变化特征 ， 推断地下含水地 质体 的赋存形态 。近几年 ， 水 害预测的物探方法从 地面发展到井下 ， 通过多方法 、 多参数 、 多方位综合 解释隐伏的含水地质体， 取得了一定的成果。但随 作者简介 罗国平 1 9 6 9 一 ， 男， 江西高安人 ， 高级工程师， 1 9 9 0 年长 春地质学院本科毕业 ， 1 9 9 3 年中南工业大学硕士研究生 毕业 ， 从事物探工作 ， 研究方 向为煤矿水害预测 。 收稿 日期 2 0 1 7 0 2 1 4 责任编辑 孙 常长 着其在各煤矿 区推广应用 ， 发现物探方法的应用存 在较多 的问题 ， 其解释结果 的准确性不很理想。国 内早有学者提 出使用直流电阻率法进行煤矿井下超 前探测 ， 李学军n 提出使用定点源梯度法 直流电阻 率法 进行煤矿井下超前探测 ， 测量装置见 图 1 ， 它 在掘进巷道迎头布置供电极 A， 离巷道迎头较远 的 地方布置供电无穷远极B ， 沿已掘巷道等间隔布置 测量 电极 MN问的电位差 ， 通过研究视 电阻率沿巷 道的形态特征， 推断解释巷道迎头前方电性异常体 地质体 位置。 2 0 0 0 年程久龙等[2 1 介绍了单极一偶极直流电阻 率法装置在巷道掘进中进行超前探测的原理 ， 提出 3 期 罗国平 直流电阻率三极超前探测的有效r陛 7 3 图 1 定点源梯度法测量 示意 图 F i g ur e I A s c h ema t i c di a g r a m of f i x e d p u i n t s o ur c e g r a d i en t me t h o d pr u s p e c t i ng 了几何作 法确定电性 异常体位置 ， 测 量装置 卜 j 定 点源梯度法相似 2 0 0 1 年刘青雯 在上述基础 提 了 三点 ■极超前探洲法 图 2 ， 在李学 军定点 源装置的基础上增加了供电电极． 分别对3 个等间 隔电极 A B、 A B、 A B供 电 三点 ， 沿 已掘巷道等间 隔布置 MN电极测量视电阻率 ， 得到 3 组不 同的视电 阻率 } 1 线 ， 提高解释的准确度 图2三点三极超前探测示意图 Fi g ur e 2 A s c h ema t i c d i a g r a m u f t r i p u i n t t r i e l e c t r u de a dv a n c ed p r o s p e c t i ng 后续研究人员对该方法提H ； 了改进 ， 提 了四 点供电三极测量 ， 甚至七点供 电 i 极测量的装置 ， 并 将方法简称 为三极超前探测法 极直流电阻率超 前探测法 三极超前探测方法提 的同时 ， I I_j 关单 位根据 极超前探测方法 ， 研发了适用于煤矿井下 一 『 作的超前探测仪器 ， 如中煤科lT集团西安研究院 有 限公 司研制 的YD 3 2 A 高分辨电法仪 、 Y D Z A 直 流 电法仪 ， 北京华安奥特研制的Y D J 2 5 6 系列矿用轻 便 电法探测仪 、 H AR 2 0 0隧道电法超前探 仪 ． 各 种仪器都配套专用的数据处理软件 ， 处理成果一般 都会 采用 图 3 展示 。冈中低值 表示视 电阻率 相对 低 ， 推断前方可能有含水地质体 ； 高值表示视电阻率 相对高 ， 推断前方可能有其它高阻地质异常体。 几年来， 收集到 l O 0 来个使用某电法探洲仪在 煤矿巷道迎头超前探测的实例 ， 根据其配套软件处 理成果图基本是图 3 所示的高值 、 低值相问分 ， 其 验证准确率较低。分析 认为主要原 因有 3 个 ， 一 是 MN接地 电阻 的影 响 ； 二是测量得 到的视 电阻率 曲 l l l I I i i“。Ll litl9 4 7 2 6 0 4 8 7 3 l U Z U U 4U bU bU ， 0 探测距 离／ 皿 图3 某电法仪超前探测电阻率平面图 F i gu r e 3 Re s i s t i v i t y p l a n f r o m a d v a n c e d p r o s pe c t i ng t hr ou g h a ll e l e e t r i c a l i ns t r ume n t 线兀法识别巷道迎头前方低阻体 电性异常体 的具 体位置 ； I - 是 仪器配套的数据软件本身不成熟 ， 导敛结果的错误 。前两种情况不同的研究者给f f J 了 卡 H 心的结论 ， 下 丽主要探讨数据处理 巾可能存在的 问题 。 1全空间存在球状电性异常体的处理成果 点 电源A位于半径 九 h电阻率p 的球体外 冈4 图4 全 空间点源 电流场 中的球体 Fi g u r e 4 A s p h e r o i d i u wh o l e s p a t p oi n t s o ur c e C H I T { nt f i e h 1 的} U流场分 j 呵以说足 电法勘探的经典 问题 ， 位于 球体外一点 M的电位解析式如下 。 一 删 l 式 I f | p 、 P 为 岩 、 球体的『 乜阻率 ， d为 电源 球 心 0的距 离 ， r 为电位 电极到球心 0的距离 ， 尺为A M 问距离 ， 为,4 0 MO的火 ， c s 0 是勒让德多 项 式 利用 I J 卜 算 伞空问A MN位于同一直线 已掘 鉴道 卜 【 ] 寸 M、 N两点 电位羞 ￡ 、 ， 模拟巷道迎头前方 低阻球体的超前探测 罔5 ㈨ 的球体半径 为2 0 I l l ， 电阻率 5 n m， 模拟 r体积 为 3 3 5 1 0 n 的地下水 ， ／ 4 ． 电极距球心 3 0 m， 距球体 1 0 I l l ， f { ； I 岩电阻牢 3 0 0 Q I I 1 ， 电极距 5 I 1 1 ， 从 l ～2 3 编 号 ． ． 5 f I 1 是 l 、 2 、 3号电极 分别供 电 A 、 f4 、 A 、 后续 2～2 3、 3～2 3 、 4～2 3 { J1 0 量 M N 得至 0 的 3 条视电阻率 } } l 1 线 ， 坐标横轴为超前探i { l 『j 距离 ， 3 个 7 4 中 国 煤 炭 地 质 第2 9 卷 0 m a ．．．11 ．． ． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ． 探测距 离／ 枷 C 叭 ． I I I Ⅲ 2 2 9 ． 3 2 9 6 ． 4 3 2 6 0 2 0 6 0 1 0 0 图5三点三极超前探测低阻球体模拟计算 Fi g ur e 5 Tr i p o i nt t r i e l e c t r o d e a dv a n c e d pr os p e c t i n g c o n du c t i v e s p he r o i d s i mu l a t i o n 不同点供 电的超前探 测距离按A 一 一1 x 5 计算 。 ．供 电的视 电阻率 曲线 在X 9 2 ． 5 m时有一 个极 小 值 ， 但从 曲线本 身看不 出， ／ 4 、 A 供 电的视 电阻率 曲 线单调下降， 可定性解释低阻球体的存在， 但不能解 释低 阻球体 的方位 ， 3 条曲线 更没有能力解 释前方 导电球体的位置。图5 c 是该电法仪配套软件处理 得到的视电阻率图 ， l 0～5 0 m间低阻球体位于视电 阻率 南高到低的变化区段 ， 8 0 m、 9 0 m、 l O 0 m等 3 处 有视电阻率的极值异常 ， 其中9 0 m处的极大值 幅度 宽 ．． 从视电阻率 曲线和视电阻率图分析 ， j点三极 超前探 测法解释不 了排列正 前方 3 0 m处 体积 3 3 5 1 0 m 的低阻球体。 2 地面积水体的探测分析 为了进一步探讨三极超前探测 的效果 ， 在华北 平 原某地选择 了如图 6 a 所示的近似矩形积水坑 ， 试验场所地面平坦 ， 1 5 0 m以内的浅部地层稳定 ， 电 阻率变化小。矩形积水坑长 约 5 1 m、 宽约 2 8 m、 水 深 2～3 m， 沿积水坑长轴延长线方 向布置 间距 5 m 的 电极 2 3根 ， 第 2 4号 电极 为 无 穷 远极 、 离 水 坑 7 0 0 m。图 6 b 是 1 号电极 A 离积水坑 1 0 m的3 条 视 电阻率 曲线 ， 视电阻率曲线随超前探测距离变化 没有 明显的规律特征 ， 视电阻率 曲线 的变化基本是 MN接地 电阻变化的反应 ， 超前探测距离 1 0～6 1 m 的水坑位置没有对应的视电阻率低异常 。图6 c 上 该电法仪配套软件处理得到的视电阻率图。该图 在水坑位置处并没有明显的视电阻率低出现 。将三 极超前探测排列沿原有排列 向东南偏移 2 0 m， A 。 电 1 _ l且 ● a I ＼ 静 寓 脚 帮 a ze s ． ．． 1 1 ． ． ．． ． ． ．． ．． ． ． ．． ． b 【 c 。离 水 坑 嘶翻 日 I 圈 I I I 趣 2 0 4 O 6 0 B 0 I离 水 坑 s 暇霸融睡 0 2 0 4 0 6 0 图6 地面积水坑的三极超前探测 Fi g ur e 6 S ur f a c e p o n de d wa t e r b n d y t r i e l e c t red e a d v a n c e d p r o s p e c t i n g 极离水坑 3 0 m进行了新 的数据采集 ， 处理得到的视 电阻率图见图6 c 下图， 与图6 c 上图对应的超前预 测地段视电阻大小 和变化规律不一致 ， l 0 6 1 m的 水坑位置没有对应的视电阻率低异常 。 上述地面积水坑超前试验 成果表明 ， 三极超前 探测不能发现前方 l 0 m 或 3 O m 的积水体。 3 实际探测效 果 矿 区位于 吕梁山南 端 ， 山高沟深 ， 黄土 冲沟发 育 ， 地形复杂 ， 属 中低 山区。井 田主要开采山西组 中 部 的2 煤层 。煤层顶 、 底板岩性多为泥岩或粉砂岩 ， 煤层 厚度 5 8 m， 平均 6 ． 5 m， 含夹矸 0 5 层 ， 结构 较简单 ， 厚度变化不大 ， 属全 区稳定可采煤层。K 砂 岩为 2 煤层直接充水含水层 ， 岩性 为灰 白色 、 灰 绿 色 、 黄绿色厚层状石英长石砂岩 ， 多为钙质胶结 ， 裂 隙稍发 育 ， 钻 进 消耗 量在 1 ． 0 0 m ／ h以下 ， 一 般 在 0 ． 2～0 ． 5 m ／ h ， 单 位 涌水 量 在 0 ． 0 0 0 2～0 ． 0 4 7 L ／ S m ， 水 质 S O H C O ， 一 K N a ， 为弱富 水性 裂 隙含水 层 。2 煤 层存在老窑采 空区 ， 多位 于 2 煤 层上部 。 采空区积水是本 区影响煤层开采的主要水害。在该 矿区 ， 巷道每掘进 1 0 0 m就采用矿井瞬变电磁法 和 直流电阻率三极超前探测法进行超前探测 ， 探{_9 10 距 离 1 0 0 m， 根据物探探测成果开展井下钻探验证 。 图7 是某型矿用轻便电法探测仪超前探测成果 图， 在迎头前方 5 26 4 m、 7 0～7 6 m处 均存 在低 电 阻率异常 区， 且 5 26 4 m处的异常明显 ； 最大探测 距离 为7 8 ． 5 m， 往前没有低 阻异常显示的趋势 。钻 探验证这 2 处并不存在地质异常 ， 但在前方 9 4 m处 3 期 罗国平 直流电阻率三极超前探测的有效性 7 5 7 5 8 4 0 3 8 6 2 Ⅲ 31 I ∞哪I 1 0 3 0 5 O 7 0 ／ Ⅲ 图 7 山西某地 三极超 前探测视 电阻率平面图 Fi g ur e 7 Tr i e l e c t r o d e a dv a nc e d p r o s p e c t i n g a p p ar e n t r e s i s t i v i t y pl a n o f a S h a nx i pl a c e 钻遇 含水采空区。 通过对各矿区l一极超前探测解释成果的准确性 调查， 发现解释的地质异常准确率较低， 没有解释地 质异常的地段验证率也不高 。 4 结论 与展望 直流电阻率 极超前探测法在煤矿井下超前探 测 已经 得 到 了广泛 的运用 ， 但探 测效果 并不是很 好 。从简单的全空间低电阻率球状电性体模拟结果 看， 视电阻率曲线随探测距离单调下降， 现有商业化 软件处理得到的成果解释不了球状导 电体的存在。 地面积水坑的物理模拟数据表明视电阻率受测量电 上接第7 1 页 [ 1 4 ] C l a e r b o u t ， J ． F ． T o w a r d a u n i f i e d t h e o r y o f r e fl e c t m ’ n mp p i n g [ J ] ．Ge o p h y s i c s ， 1 9 7 1 ， 3 6 3 4 6 7 4 8 1 ． [ 1 5 1 Z h i L ， C h e n S ， L i X ． J o i n t A V O i n v e r s i o n o f P P a n d P S w a v e s u s i n g e x a ’ t Z o e p p r i t z e q u a t i 0 n [ M】 ， ／ s E G T e c h n i c a l P r o g r a m E x p a n d e d A b s t r a c t s 2 01 3 ． S o c i e t y o fE x p l o r a t i o n Ge o p h y s i c i s t s ， 2 01 3 4 5 7 4 61 ． [ 1 6 】 牟永光， 裴正林。 三维复杂介质地震数值模拟[ MI ． 北京 石油工业 出版社 ． 2 0 0 5 ， l 7 3 一 I 7 6 ． [ 1 7 】 董良国， 码在田， 曹景忠． 一阶弹性波方程交错网格高阶差分解 法 稳定性 研究【 J l l 地球 物理学报 ， 2 0 0 0 ， 0 6 8 5 6 - 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i e s ． 7 9 t h An n u a l I n t e r n a t i o n a l Me e t i n g， S EG Ex p a n d e d Ab s t r a c t s ， 2 0 09， 2 8 2 8 0 9 - 2 8l 3． 【 2 2 】 Mi e i k e v i c i u s P ， 3 D f i n i t e d i f f e r e n c e c o mp u t a t i o n o n G P U s u s i n g C U DA．／ ／ Pr o e e s s i n g o f 2 t h W o r k s h o p o n Ge n e r a l P u r p o s e Pr o c e s s i n g o n Gr a ph i c s Pr o c e s s i n g Uni t s ， Ex pa n d e d Ab s t r a c t s ， 2 0 0 8 7 9 8 4． 【 2 3 ] Mi c h e a D， K o m a t i t s e h D， Ma h o v s k y J ， e t a 1 ． I n d u s t r i a l s c a l e r e v e r s e t i me mi g r a t i o n o n GP U h a r d wa r e ． S E G E x p a n d Ab s t r a c t s ， 2 0 0 9 2 78 9 2 7 9 3 ． 【 2 4 】 S u n X Y， S u b S ． Ma x i n g t h r o u g h p u t f o r h i g h p e r f o r ma n c e T Y I R T M F r o m C P U - GP U．S E G E x p a n d e d Ab s t r a c t s． 2 0 1 1 ， 1 8 2 1 3 8 9 4 0 2 ． 参考文献 ⋯ 强泰， 简绍广． 褚小东． 宁夏固原硝口地区岩盐地质特征及开采技 术方法研 究【 J 1． 中闰井矿 盐 ， 2 0 1 2 ， 4 3 2 5 5 9 一 l 2 ． 【 2 1 i--- 1 有韧， 陈俊晓， 等． 水力压裂法在定向井组生产事故处理中的应 用 『 J 1 _ 中国井矿盐 ． 2 0 0 8 ， 3 9 2 6 2 7 ． [ 3 】 李 勇． 盐 井 修 井流 程 及 常见 工 具 简 析【 J I ． 中 同井 矿盐 ， 2 0 1 5 ， 4 6 2 4 0 1 6 1 8 ． [ 4 】 王 冰． 浅谈 盐 井解堵 措施 的应用 及效 果【 J J _ 中 国井矿盐 。 2 0 1 3 ， 4 4 2 31 22 -2 4 ． 一 q4一 1 11 p [ 5 】 陈必 权． 浅谈 水平连 通 卤井堵 塞 的原 因 处 理【 J 】 _ 中国井 矿盐 ， 2 0 1 4． 4 5 2 3 3 l 8 - 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