巷道掘进中电阻率法超前探测原理与应用.pdf

I 9 一 螺 地 肺 与 勘 摄 COA[ GEOI OGY ＆ EXPI t J RATI ON vo1 ．2 8 o． 4 Aug． 20 0 c , 巷道掘进 中电阻率法超前探测原理与应 用 t ， ／ ／ 堡 垄王玉和 于师建 山东科技大学特殊开采所 泰安 2 7 1 0 1 9 0 ‘ 究州矿业 集团 地质工程 公司 邹 城 2 7 3 5 0 0 T 摘 要通过建 立超前探 测 实际地 电模 型 ， 进行 单极 一偶极 法理论 视 电 阻率曲线的计 算 ， 探 讨 了 巷 道前 A - 存在低 阻地 质异 常体的 电阻率响 应特 征 ． 提 出了3 - 作方 法和解释 A - 法 ， 结 合具体 实例舟绍 了应 用效果 。 关键词超前探测 电阻率法 1 引言 中国图书资料分类法分类号 含水 构造应 用 实例 一 P6 3l 遁 作者简介程久龙男3 5岁硕士剖教授应用地球物理 在 受 水威胁 的矿井 ， 巷 道 掘进 过程 中一般 要求 先探后掘 ． 主要是探查掘进前方有无地质异常体。 常 规探查方法 主要 是钻探 。 近十年 来 ， 矿 井 电阻率探测 技术在 煤 矿安 全生 产 中发 挥 了极 其重要 的作 用 ， 特 别 在 探查 腺戗 含水 体 断层 弱结 构面 溶 洞 以及 岩 层 古水性 方 面效果非 常明显 ，本文 重点介绍 单极 偶 极 电阻率法 超前 探测 的原 理、 工 作方 法 及具 体应 用 。 2 单极一 偶极 电 阻率法超前探 测原 理 2 ． 1 单 极偶 极 电阻率法测 量原 理 单极 偶 极电阻率 法全 空 间测 量原理 如图 1 所 示 。 它利用 单点 电源 A供 电 ， 另一 供 电极 置于“ 无 穷远 ” ， 测量 电极 为 “ 、 Ⅳ ， 在均 匀介质 中 ， 点 电源 图 1 单极一偶扳法测量原理 图 山东省 自然科学基金项 目 Q9 9 E 0 8 贽肪 形 成 的等位 面为球 面 ， 测 量 电极 Ⅳ 所 测 电位差是 N 之 间球壳 的体积范 围 内电位差 若 此球壳 体 积范 围 内有 电性 异 常体 如 含水 断 层 存 在 ， 则其 电 阻率就 尝发生 变化。 因此 在巷 道后方通过 观测 规电 阻率 的变化 ， 就 可 以判断 巷 道前方 是 否存 在地 质 异 常体 2 ． 2 巷道前方有断层存在时的视电阻率计算 巷 道前 方 的断 层 ， 其 上下 盘 及破 碎带 可 以看作 是电阻率 不 同的三种介质 ， 当断层破碎 带含水时 ， 它 与 围岩 相 比是低 阻体 ； 而 当破 碎带不 含水时 ， 则为高 阻体 因此可 以用 研究全 空 间下三层介 质 的点 电源 电场分 布束求解 点 电源 单极偶极 电阻率法超 前探 测 的理论视 电阻率 曲线 。 2 ． 2 ． 1理 论 模 型 如 图 2所示 ． 设 有 电阻 率值 分 别 为 P ， P ， 三 种介 质 ． 其 中第二层 介 质 为断层破 碎带 ． 断 层 含 水 时 ， P ． P ， 点 电 源 A 位 于 P - 介 质 中 ， 供 电电 流 为 』 ， 它到 第二 层介 质 的水平 距离 为 dt 第 二 层介 质 厚度 为 d ， 断 层倾 角 口 一6 0 。 ， 第 一 、 三层 的厚 度 为 无穷 大 。 2 ． 2 ． 2点电潭场计 算 以 A 点 为原点 ， 以水平线 为 Z轴 ， Z轴 的方 向 国 2断层存 在时 的理论模型示 意图 Z 维普资讯 第 4斯 程久龙， 王玉和等 巷道掘进 中电阻率法超前探测厚理与应用 ． 6 1． 是从第一层介质指向第三层介质 ． 建立柱坐标系． 通 过求解 拉 普拉 斯方 程 可 以得 到介 质 1中电位 表达 式 为 』 P r 1 k 4 r F 1 一七 ， 2 2 3 兰 ] ， 1 、 ／ 7 Z 式 中Z ’ Z s i n 0 ； Z 2 n 1 d 2 d～ Z ； K t P ， 一J D J ／ ． i ， j 一1． 2 ， 3 。 根 据 上式 可求 出三层 介 质分 布时 的 等位 面 ， 当 断层 为低 阻 古水 时 ． 可 以看 出 等位 面不再 象 在均 匀 介质 中为一 簇 同心球 壳 ， 而是在 介 质 2 界 面相 应 位置发 生 了畸 变 ． 正 是这 种 畸 变才 产生视 电盟 率异 常 2 ． 3 视电阻率曲线理论计算 选 定 有 代 表 性 的 模 型 参 数 ， 取 ／ P ． 0 ． 2 ， 】 ／ p 1 1， d 2 r f l ， 1 2 m， 6 0 。 。为 了 反映单 因素影 响 ， 分别 按 d． n ， 值 变化选 择模型参 数 d4 ， 1 2 ， 2 0 ， 2 8 ， 4 0 m， Ⅱ ；1 ， 2 ， 3 m， 2 L 0 ． 1 ， 0 ． 3 ， 0 ． 5 ． 根据公式 1 和视 电阻率计算 公式 ， ， 半 ， 2 可分别计算 不 同模 型视 电阻率 理论 曲线 。 图 3为巷道前 方有 断层破 碎带 低 阻 时 不同影 响 因素视 电阻 率理论 曲线 ， 可 以看 出 曲线 类 型 为 H 型 ． 其 主要影 响 因素是供 电点 A 到断 层 面 的水平距 离 d 、 破碎带宽度 日和 2 1 2 户 2 ／ p 1 。从图 3 a可 以看 出 ， d越 小 ， 异常极 值 指极 小值 ， 以下 同 越 小 异常特征 明显 从 图 3 b可 以看 出 ， 破碎带 越 宽 ． 异 常 极值 越 小 ， 异常 幅度 较 宽 ； 从 图 3 - c可 以看 出 ， z 越小 ， 异常极值也 趣小 ， 其异 常幅度与 破碎 带宽度 变 化情形 类似 。这些 影 响 因素中 ， 最大影 响 因素 为 d。 理 论模 型 的计 算结 果 表 明 点电 源到 异常 体 的 距 离d 与 视 电阻 率 曲线异 常极 小 值点 对应 坐 标 图 3 巷遭前方有 断层破碎带 低阻 时不同 影响 素视电阻率理论 曲线 一 埴变 化 响 ； J 一 埴变此影响 ， 值变化嚣 ； 啊 J 之 间存 在着 一 定 的线性 关 系 ， 地 质体 不 同组 合 以及电性参数 的不 同 ， 其线 性关 系系数也 不一样 ， 实 际工作 中一般取 0 ． 8 ～ 1 ． 0 ， 即 d 0 ． 8 ～1 ． 0 上 。 3 工作 方法和 解释方法 3 ． 1 工作 方法 在 全空 间条件 下 ， 在巷道迎 头 A 点布置 供 电电 极 ． 另 一供 电 电极 B 布置在 无穷 远 ， 测量 电极 、 Ⅳ 以一 定 间距 向后布 置 ， 如 图 4 。 以不 同极 距 A O ， AO ， A O ⋯ ， 依 次 测 量一 次 ， 得 到近迎 头供 电时视 电阻率 曲线 。移 动供 电电极 置 于 A ‘ 点 ． 再 按上 述 次序 测 量 一次 ， 得 到远 迎头 供 电 时视 电阻 率 曲线 。 3 ． 2 解释 方法 资 料 解释 主要 是利 用 曲线 比较 法 确定 异常 点 ， 利 用几何 作图法确 定地质异 常体 的具 体位 置 。具 体 步 聚 a ． 首 先进行 测 区 岩石 电性 参数 测试 ， 了解测 区正 常岩石 电性特 征和 已知 的异 常地质 体的电性特 征 ； b ． 给 定 相应 的模 型及 其参 数 ， 分 别计算 正 常 场 和异常 场理论 曲线 ； c ． 实测 曲线 与 理论 曲线 比较 ， 确 定 异 常点 位 置 以及异 常体类型 ； d ． 利用 几何作 图法确定异 常具 体位置 。 图 5为几何 作图 法 原理 简单 图示 ， 以实 际供 电 点 为 圆心 ， 以该点 供 电所 测异 常 极小点 坐标 为半径 画圆弧 ， 若 两 圆弧相切 点在正前 方 ， 则 切点 即为异常 体界 面 ； 若 两 圆弧不 相 切 ， 且 曲线异 常形态 相类 似 ． 刚异常 体 界面 与巷道 平 行 或斜 交 ， 两 弧 的 公切线 即 为异 常体 界 面位置 。 图 4工 作 方 法 示 意 图 图 5 几何作 图法原理图示 维普资讯 6 2 蠖 田地质 与勘探 第 1 8卷 4 应 用实例 4 - 1 某矿 西翼运输 大巷施 工过 程 中， 根 据已有 资料 预测 前 方 3 0 5 0 m 处 将遇 到断 层 。为 了保证 安全 掘进 ， 提 前预 防及采取措 施 ． 决 实施 电阻率 法超前 探测。采用单极一偶极法． 0 点设置在迎头． 3 0 点 后移 3 m， MN--2 m． AO⋯ 3 2 m 近迎 头和远 迎 头实 测 匝线 如 图 6所 示 ， 近迎 头 匝线 0 点 ， 实线 在 8m 处 出现低 值异常 ， 远迎 头 匝线 3 0 ． 虚线 在 1 0m处出现低值异常。分别以各 自供 电点为圆心， 以异 常坐 标为 半径 画孤 ， 相 切 于巷 道 前 方约 8 ． 0 m 处 ． 即前方 7 ． 2 i n 系数按 0 ． 9 计 处存 在 断层 ． 且破 碎带 较宽 。 因异 常低值幅值 不大 ， 判 断 断层 基本不 含 水 ， 主要为岩性 改 变引起 。后 经巷 道掘进 揭露 ． 断层 实际位 置 7 ． 0 m， 不含 水 ． 岩性 以砂泥 岩为 主 。 4 ． 2 某 矿一 轨道 下 山掘进 过 程 中发现 原 先 预计有 断层 F 1 2的位 置处未 揭露 断层 ． 为探 查 F1 2断层在 掘进 前 方 的具体 位 置 ， 利 用 单级一 偶极 电阻率 法进 行探 测 。 0 设置 在迎头 ， 4 O 点 后移 4m， Ⅳ2m． A 4 2 m， 实测 瞌线 如图 7 所示 从 图 中可以看 出 ， 近迎 头 匝线 0 点 ， 实线 1 3 m 处 出现 低值异 常 ． 远 迎头 曲线 4 0 ， 虚线 分别在 9 m． 1 9 m 处 出现低 图 6 某运输太巷超前探测实测 电阻率 曲线 7轨 道 F山 超 前探 捌 买 测 电阻 翠 曲线 值 异常 分别 以供 电点为 圆心 ， 以相 应异 常位置坐标 为 半径 画弧 ． 分 别 相切 于 巷 道前 方 1 3 ～1 5 m 和后 方 1 3 m． 后方 1 3 m 处为 巷道 已穿 过断层 ， 从异常 幅 度 看． 预测前 方 1 4 i n处将 见 F 1 2断层 ， 其 落 差 比后 方 1 3 m 所穿 过的断层 大 ． 含水性 略强 后经 巷道实 际揭 露 ． 证实 电测结 果与实 际一致 。 5结 论 本文 从实 际地 电摸型 出发 ． 探 讨 了单 极偶 扳 法 超前 探 测原 理 、 工 作 方法 、 解 释方 法 ． 以及 具体 应 用 实践 证 明． 利 用单极 偶极 法进行 超前探测 ． 理 论上 可行 ． 应用效 果较好 ． 对保 障受水 害威胁 的矿 井 巷道 安全 掘进具 有实际指 导意 义 。 本 文重点探讨 了巷道 前方存 在 含水断层这一 有 代表性 的地质体 ， 对 于 超前探 测 巷道 前方存 在其 它 低 阻异 常地质体 如充水 溶洞 、 含水 陷落柱等 ， 同样 具 有指 导意 义 参 考文 献 I 博 良魁． 应 片 j 地球 { 蚵理 学 电学 原理 ． 北 京 地 质 出版 社 ． 1 9 8 9 2王玉 和 井 下 定 点 电振 j 极 电 阻 率 浩 超前 探 测 矸 究山 东 矿业 学 院硕 士 学 位 论 文 ． 1 9 9 7 收 稿 H期2 0 0 0 0 5 0 8 THE PRI NCI PLE AND APPLI CATI ON OF ADVANCE SURVEYI NG I N ROADW AY EXCAVATI ON BY RES I S TI VI TY M ETH OD Ch e n g J i u I o n g Wa n g Yu h e Yu S h i j i a n S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Li Du y u a n Ge l o l g y E n g i n e e r i n g Co ．， Ya n z h o u M i n i n g Gr o u p A b s t r a c t Th e r n a s t e r c ur v e s o f a P P a r e n t r e s i s t i v i t y 。 n p o l e d i p o l e a r r a y a r e c a l c u l a t e d a n d t h e r e s i s t i v i t y r e s p o n s e c h a r a c t e r [ s t L c s。 f 1 o w r e s l s t v i c y g e 0 1 。 g i s t r u c t u r e i n t h e f r o n t o f r 。 a d wa y a r e d i s c u s s e d b y b u i l d i n g t h e a C t U a t g e o l o g i c ‘ e kc ⋯ mo d e 【 s 0 n a d v a n c e s u r v e y i g ． Su r v e y i g a n d e x p l a n a t i 0 n r i l e t h 0 d sa r e p r o v i d e d． F h e a p p t i c a t i o n e i n t r 。 d u c e d b y a p p i n o e x a mp l e s i n t h e p a p e r Ke ywor d s a dmc e s ur ve yi n g{ r e s i s t i v i t y me t ho d； wa t e r _ h e ㈣ i g s t r uc t u r ； a pp l i c a t i on e xa mp l e - 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