羅國(guó)平

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

直流電阻率三極超前探測(cè)的有效性

羅國(guó)平

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

大量實(shí)例表明，在煤礦井下直流電阻率三極超前探測(cè)雖然被廣泛應(yīng)用于迎頭前方地質(zhì)異常體的探測(cè)，但探測(cè)效果并不理想。通過(guò)簡(jiǎn)單的全空間低電阻率球狀電性體進(jìn)行解析式三極超前探測(cè)正演計(jì)算，以及對(duì)地面積水體進(jìn)行三極超前探測(cè)，其解釋結(jié)果與實(shí)際相差較遠(yuǎn)。根據(jù)理論分析，迎頭前方存在低阻球體時(shí)三極超前探測(cè)的視電阻率曲線(xiàn)隨探測(cè)距離增加呈單調(diào)下降趨勢(shì)，僅能表現(xiàn)出低阻體的存在，但不能真實(shí)反映出低阻球體的位置。地面積水坑的探測(cè)結(jié)果表明，受MN電極接地電阻的影響，與積水坑對(duì)應(yīng)位置并沒(méi)有出現(xiàn)低阻異常。在山西某地，三極超前探測(cè)數(shù)據(jù)與儀器配套的軟件處理解釋后獲得的二處異常，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證均為誤判，而鉆孔揭露的含水采空區(qū)在成果圖上卻無(wú)異常跡像。建議在改善MN接地電阻、改變數(shù)據(jù)采集方式或增強(qiáng)異常數(shù)據(jù)處理等方面加強(qiáng)研究，以提高三極超前探測(cè)有效性。

直流電法；三極超前探測(cè)；低阻地質(zhì)體

0 引言

水害是影響煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素，傳統(tǒng)的水害預(yù)測(cè)是在地面利用物探方法獲得電阻率、極化率等參數(shù)在空間的變化特征，推斷地下含水地質(zhì)體的賦存形態(tài)。近幾年，水害預(yù)測(cè)的物探方法從地面發(fā)展到井下，通過(guò)多方法、多參數(shù)、多方位綜合解釋隱伏的含水地質(zhì)體，取得了一定的成果。但隨著其在各煤礦區(qū)推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)物探方法的應(yīng)用存在較多的問(wèn)題，其解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性不很理想。國(guó)內(nèi)早有學(xué)者提出使用直流電阻率法進(jìn)行煤礦井下超前探測(cè)，李學(xué)軍[1]提出使用定點(diǎn)源梯度法（直流電阻率法）進(jìn)行煤礦井下超前探測(cè)，測(cè)量裝置見(jiàn)圖1，它在掘進(jìn)巷道迎頭布置供電極A，離巷道迎頭較遠(yuǎn)的地方布置供電無(wú)窮遠(yuǎn)極B，沿已掘巷道等間隔布置測(cè)量電極MN間的電位差，通過(guò)研究視電阻率沿巷道的形態(tài)特征，推斷解釋巷道迎頭前方電性異常體（地質(zhì)體）位置。

2000年程久龍等[2]介紹了單極—偶極直流電阻率法裝置在巷道掘進(jìn)中進(jìn)行超前探測(cè)的原理，提出了幾何作圖法確定電性異常體位置，測(cè)量裝置與定點(diǎn)源梯度法相似。2001年劉青雯[3]在上述基礎(chǔ)上提出了三點(diǎn)三極超前探測(cè)法（圖2），它在李學(xué)軍定點(diǎn)源裝置的基礎(chǔ)上增加了供電電極，分別對(duì)3個(gè)等間隔電極A1B、A2B、A3B供電（三點(diǎn)），沿已掘巷道等間隔布置MN電極測(cè)量視電阻率，得到3組不同的視電阻率曲線(xiàn)，提高解釋的準(zhǔn)確度。

圖1 定點(diǎn)源梯度法測(cè)量示意圖Figure 1 A schematic diagram of fixed point source gradient method prospecting

圖2 三點(diǎn)三極超前探測(cè)示意圖Figure 2 A schematic diagram of tri-point trielectrode advanced prospecting

后續(xù)研究人員對(duì)該方法提出了改進(jìn)，提出了四點(diǎn)供電三極測(cè)量，甚至七點(diǎn)供電三極測(cè)量的裝置，并將方法簡(jiǎn)稱(chēng)為三極超前探測(cè)法（三極直流電阻率超前探測(cè)法）。三極超前探測(cè)方法提出的同時(shí)，相關(guān)單位根據(jù)三極超前探測(cè)方法，研發(fā)了適用于煤礦井下工作的超前探測(cè)儀器，如中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的YD32(A)高分辨電法儀、YDZ(A)直流電法儀，北京華安奧特研制的YDJ256系列礦用輕便電法探測(cè)儀、HA－R200隧道電法超前探儀。各種儀器都配套專(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理軟件，處理成果一般都會(huì)采用圖3展示。圖中低值表示視電阻率相對(duì)低，推斷前方可能有含水地質(zhì)體；高值表示視電阻率相對(duì)高，推斷前方可能有其它高阻地質(zhì)異常體。

幾年來(lái)，收集到100來(lái)個(gè)使用某電法探測(cè)儀在煤礦巷道迎頭超前探測(cè)的實(shí)例，根據(jù)其配套軟件處理成果圖基本是圖3所示的高值、低值相間分布，其驗(yàn)證準(zhǔn)確率較低。分析認(rèn)為主要原因有3個(gè)，一是MN接地電阻的影響；二是測(cè)量得到的視電阻率曲線(xiàn)無(wú)法識(shí)別巷道迎頭前方低阻體（電性異常體）的具體位置[4]；三是與儀器配套的數(shù)據(jù)軟件本身不成熟，導(dǎo)致結(jié)果的錯(cuò)誤。前兩種情況不同的研究者給出了相應(yīng)的結(jié)論，下面主要探討數(shù)據(jù)處理中可能存在的問(wèn)題。

圖3 某電法儀超前探測(cè)電阻率平面圖Figure 3 Resistivity plan from advanced prospecting through an electrical instrument

圖4 全空間點(diǎn)源電流場(chǎng)中的球體Figure 4 A spheroid in whole space point source current field

1 全空間存在球狀電性異常體的處理成果

點(diǎn)電源A位于半徑r0、電阻率ρ2的球體外（圖4）的電流場(chǎng)分布可以說(shuō)是電法勘探的經(jīng)典問(wèn)題，位于球體外一點(diǎn)M的電位解析式如下：

式中ρ1、ρ2為圍巖、球體的電阻率，d為點(diǎn)電源A與球心O的距離，r為電位電極到球心O的距離，R為AM間距離，θ為AO與MO的夾角，Pn（cosθ）是勒讓德多項(xiàng)式。

利用上式計(jì)算全空間AMN位于同一直線(xiàn)（已掘巷道）上時(shí)M、N兩點(diǎn)電位差UMN，模擬巷道迎頭前方有低阻球體的超前探測(cè)。

圖5(a)的球體半徑為20 m，電阻率5 Ω·m，模擬了體積為33510 m3的地下水，A1電極距球心30 m，距球體10 m，圍巖電阻率300 Ω·m，電極距5 m，從1～23編號(hào)。圖5(b)是1、2、3號(hào)電極分別供電（A1、A2、A3）、后續(xù)2～23、3～23、4～23測(cè)量（MN）得到的3條視電阻率曲線(xiàn)，坐標(biāo)橫軸為超前探測(cè)距離X，3個(gè)不同點(diǎn)供電的超前探測(cè)距離按AiMN-(i-1)×5計(jì)算。A1供電的視電阻率曲線(xiàn)在X=92.5 m時(shí)有一個(gè)極小值，但從曲線(xiàn)本身看不出，A2、A3供電的視電阻率曲線(xiàn)單調(diào)下降，可定性解釋低阻球體的存在，但不能解釋低阻球體的方位，3條曲線(xiàn)更沒(méi)有能力解釋前方導(dǎo)電球體的位置。圖5(c)是該電法儀配套軟件處理得到的視電阻率圖，10～50 m間低阻球體位于視電阻率由高到低的變化區(qū)段，80 m、90 m、100 m等3處有視電阻率的極值異常，其中90 m處的極大值幅度寬。

圖5 三點(diǎn)三極超前探測(cè)低阻球體模擬計(jì)算Figure 5 Tri-point trielectrode advanced prospecting conductive spheroid simulation

從視電阻率曲線(xiàn)和視電阻率圖分析，三點(diǎn)三極超前探測(cè)法解釋不了排列正前方30 m處體積33510 m3的低阻球體。

2 地面積水體的探測(cè)分析

為了進(jìn)一步探討三極超前探測(cè)的效果，在華北平原某地選擇了如圖6(a)所示的近似矩形積水坑，試驗(yàn)場(chǎng)所地面平坦，150 m以?xún)?nèi)的淺部地層穩(wěn)定，電阻率變化小。矩形積水坑長(zhǎng)約51 m、寬約28 m、水深2～3 m，沿積水坑長(zhǎng)軸延長(zhǎng)線(xiàn)方向布置間距5 m的電極23根，第24號(hào)電極為無(wú)窮遠(yuǎn)極、離水坑700m。圖6(b)是1號(hào)電極（A1）離積水坑10 m的3條視電阻率曲線(xiàn)，視電阻率曲線(xiàn)隨超前探測(cè)距離變化沒(méi)有明顯的規(guī)律特征，視電阻率曲線(xiàn)的變化基本是MN接地電阻變化的反應(yīng)，超前探測(cè)距離10～61 m的水坑位置沒(méi)有對(duì)應(yīng)的視電阻率低異常。圖6(c)上圖該電法儀配套軟件處理得到的視電阻率圖。該圖在水坑位置處并沒(méi)有明顯的視電阻率低出現(xiàn)。將三極超前探測(cè)排列沿原有排列向東南偏移20 m，A1電極離水坑30 m進(jìn)行了新的數(shù)據(jù)采集，處理得到的視電阻率圖見(jiàn)圖6(c)下圖，與圖6(c)上圖對(duì)應(yīng)的超前預(yù)測(cè)地段視電阻大小和變化規(guī)律不一致，10～61 m的水坑位置沒(méi)有對(duì)應(yīng)的視電阻率低異常。

上述地面積水坑超前試驗(yàn)成果表明，三極超前探測(cè)不能發(fā)現(xiàn)前方10 m(或30 m)的積水體。

圖6 地面積水坑的三極超前探測(cè)Figure 6 Surface ponded water body trielectrode advanced prospecting

3 實(shí)際探測(cè)效果

礦區(qū)位于呂梁山南端，山高溝深，黃土沖溝發(fā)育，地形復(fù)雜，屬中低山區(qū)。井田主要開(kāi)采山西組中部的2#煤層。煤層頂、底板巖性多為泥巖或粉砂巖，煤層厚度5～8 m，平均6.5 m，含夾矸0～5層，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度變化不大，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。K8砂巖為2#煤層直接充水含水層，巖性為灰白色、灰綠色、黃綠色厚層狀石英長(zhǎng)石砂巖，多為鈣質(zhì)膠結(jié)，裂隙稍發(fā)育，鉆進(jìn)消耗量在1.00 m3/h以下，一般在0.2～0.5 m3/h，單位涌水量在0.000 2～0.047 L/（s· m），水質(zhì)SO4·HCO3-K+Na，為弱富水性裂隙含水層。2#煤層存在老窯采空區(qū)，多位于2#煤層上部。采空區(qū)積水是本區(qū)影響煤層開(kāi)采的主要水害。在該礦區(qū)，巷道每掘進(jìn)100 m就采用礦井瞬變電磁法和直流電阻率三極超前探測(cè)法進(jìn)行超前探測(cè)，探測(cè)距離100 m，根據(jù)物探探測(cè)成果開(kāi)展井下鉆探驗(yàn)證。

圖7是某型礦用輕便電法探測(cè)儀超前探測(cè)成果圖，在迎頭前方52～64 m、70～76 m處均存在低電阻率異常區(qū)，且52～64 m處的異常明顯；最大探測(cè)距離為78.5 m，往前沒(méi)有低阻異常顯示的趨勢(shì)。鉆探驗(yàn)證這2處并不存在地質(zhì)異常，但在前方94 m處鉆遇含水采空區(qū)。

通過(guò)對(duì)各礦區(qū)三極超前探測(cè)解釋成果的準(zhǔn)確性調(diào)查，發(fā)現(xiàn)解釋的地質(zhì)異常準(zhǔn)確率較低，沒(méi)有解釋地質(zhì)異常的地段驗(yàn)證率也不高。

圖7 山西某地三極超前探測(cè)視電阻率平面圖Figure 7 Trielectrode advanced prospecting apparent resistivity plan of a Shanxi place

4 結(jié)論與展望

直流電阻率三極超前探測(cè)法在煤礦井下超前探測(cè)已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用，但探測(cè)效果并不是很好。從簡(jiǎn)單的全空間低電阻率球狀電性體模擬結(jié)果看，視電阻率曲線(xiàn)隨探測(cè)距離單調(diào)下降，現(xiàn)有商業(yè)化軟件處理得到的成果解釋不了球狀導(dǎo)電體的存在。地面積水坑的物理模擬數(shù)據(jù)表明視電阻率受測(cè)量電極MN接地電阻影響大，處理成果預(yù)測(cè)不了積水坑的存在。這是三極超前探測(cè)驗(yàn)證率低的部分原因。

建議三極超前探測(cè)在井下的應(yīng)用，應(yīng)以改善MN接地電阻、改變數(shù)據(jù)采集方式或增強(qiáng)異常的數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)提高探測(cè)成果的可靠性，更好地為煤礦安全開(kāi)采提供保障。

參考文件：

[1]李學(xué)軍.煤礦井下定點(diǎn)源梯度法超前探測(cè)試驗(yàn)研究，煤田地質(zhì)與勘探，1992，20（4）.

[2]程久龍，王玉和，于師建，等.巷道掘進(jìn)中電阻率法超前探測(cè)原理與應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2000，28（4）.

[3]劉青雯.井下電法超前探測(cè)方法及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29（5）.

[4]強(qiáng)建科，阮百堯，周俊杰，等.礦巷道直流三極法超前探測(cè)的可行性[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，26（1）.

[5]劉斌，李術(shù)才，李樹(shù)忱，等.隧道含水構(gòu)造直流電阻率法超前探測(cè)研究[J].巖土力學(xué)，2009，30（10）.

[6]韓德品，趙譜，李丹.礦井物探技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（5）.

[7]劉志新，岳建華，劉仰光.礦井物探技術(shù)在突水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4（1）.

[8]傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1983.

Effectiveness of DC Resistivity Trielectrode Advanced Prospecting

Luo Guoping
(Geophysical Prospecting Research Institute,CNACG,Zhuozhou,Hebei 072750)

The massive examples have shown that although the coalmine underground DC resistivity trielectrode advanced prospecting is widely applied in head-on geologic anomalous body detection,but the effect is not idealistic.Through simple whole space low resis?tivity spherical electric body has carried out analytic trielectrode advanced prospecting forward computation,and trielectrode advanced prospecting for surface ponded water body.But the interpreted results are far from practices.Based on theoretical analysis,when headon low resistivity spheroid is existed,the trielectrode advanced prospecting apparent resistivity curves will present monotonous falling trend along with the increasing of prospecting distance.It can only exhibit the existence of low resistivity body,but cannot reflect its po?sition truly.The prospected result of surface ponded water body has shown that impacted by MN electrode earth resistance,no conduc?tive anomaly presented corresponding to ponded water body situation.In a Shanxi place,two anomalies from the interpretation of pros?pected data after processed by software matched with instrument are all misinterpreted through drilling validation.While the drilling re?vealed water–bearing gob area has no abnormal image on result drawings.So,it is suggested that researches should be strengthened through MN earth resistance improving,data acquisition mode changing or abnormal data processing enhancing to improve effective?ness of trielectrode advanced prospecting.

DC electric method;trielectrode advanced prospecting;conductive geologic body

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.15

1674-1803(2017)03-0072-04

羅國(guó)平（1969—），男，江西高安人，高級(jí)工程師，1990年長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院本科畢業(yè)，1993年中南工業(yè)大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，從事物探工作，研究方向?yàn)槊旱V水害預(yù)測(cè)。

2017-02-14

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)