地下地质灾害地球物理探测研究进展.pdf

第 1 9卷 第 3期 2 0 0 4年 9月 4 9 75 0 3 地球物理学进展 P ROGRE S S I N GEO PHYS I CS S e o ． 2 0 o 4 地下地质灾害地球物理探测研究进展 王齐仁 湖南科技大学土木工程学院， 长沙 4 1 1 2 0 1 摘要介绍了地下地质灾害地球物理探测方法的基本原理及其研究进展， 指 出目 前常用方法的基本思路及其在实 际应用中存在的主要问题， 针对观测方法、 观测系统、 正反演模拟和室内试验研究等方面提出了大胆的构想和新的思 路 ． 关键词地质灾害， 井巷地球物理 ， 研究进展， 超前探测 ， 数值模拟 中图分类号P 6 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 4 - 2 9 0 3 2 0 0 4 0 3 - 0 4 9 7 - 0 7 Pr o g r e s s i n t h e g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n r e s e a r c h 0n unde r g r o und ge ol og i c al 1 1 a z ar ds 一 一 ’ ‘ ’ ’ 1 WA N G Q i - F e n S c h o o l o f c iv i l e n g i n e e r i n g ， H u n a n S c ie n c e a n d t e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 1 2 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o g r e s s a n d p r o gre s s o f t h e g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n me t h o d s o n u n d e r gro u n d g e o l o g i c al h a z a r d s a r e i n t r o - d u c e d i n t h i s p a p e r ．Au tho r h a v e p o i n t o u t the c o mmo n t h i n k i n g o f me t h ods o f t e n u s e d a t p r e s e n t a n d ma i n p r o b l e ms i n a c t u a l a p p l i c a t i o n ．T h e a u d a c i o u s c o n c e p t i o n a n d n e w t h i n k i n g h a v e b e e n e x p o u n d e d a i m f o r e x p l o rin g me t h o d s ，o b s e r v a t i o n al s y s - t e m ，n u me ri c al s i mu l a t i o n a n d e x p e rime n t ． Ke y wo r d s g e o l o gi c al h a z a r d s ， t u n n e l g e o p h y s i c s ， p r o gre s s ，a d v a n c e d d e t e c t i o n ，n u m e ri c al s i mu l a t i o n 0 引 言 地质灾害是指以地质营力为主要原因引起的、 造成人类生命财产损失或使人类赖以生存和发展的 环境、 资源发生严重破坏的现象或过程． 其中地质营 力包括内动力地质作用、 外动力地质作用和人类地 质作用三大类 ． 我国地质灾害种类多、 分布广、 频 次高、 强度大、 灾情严重， 是世界上地质灾害最严重 的国家之一 ． 本文所言的地下地质灾害是指在矿 山井巷掘进、 隧道掘进、 露天采场开挖、 城市及军事 地下工程施工过程中所出现的突泥、 突水、 瓦斯突 出、 岩爆、 冒顶与底鼓等灾害性地质现象． 由于开采、 掘进活动等人类地质作用改变了地下岩体的自然平 衡状态， 当应力超过其强度时就会产生变形， 或当工 作面前方、 巷道上下方或两侧存在断层、 溶洞、 陷落 柱、 瓦斯富集时， 就可能导致“ 矿山淹井” 、 “ 瓦斯爆 炸” 、 “ 塌方” 等灾难性事故 ， 造成严重的人员伤亡和 巨大的经济损失． 采用钻探方法进行预报不仅成本 高、 效率低， 而且这种接触式方法在钻进过程中有可 能诱发水害和瓦斯爆炸． 因此， 研究和应用科学的地 球物理探测理论和技术进行准确的灾害预报， 在矿 山、 隧道、 地下工程建设等方面有着广阔的应用前 景， 不仅具有深远的理论价值， 而且对于保护生命、 财产安全具有十分重要的实际意义， 以及显著的社 会效益和经济效益． 地球物理探测是以介质物理性质差异为基础， 通过观测地下物理场的分布及其变化规律来研究地 下是否存在地质异常体等问题的物探技术． 将它应 用于地下井巷、 隧道、 采场中， 可以探测工作面前方 和巷 隧 道两侧的地质异常体． 通常产生地下地质 灾害的岩、 煤、 水 、 瓦斯突出体 如断层、 溶洞、 陷落 柱、 瓦斯富集区等 与其围岩之间具有较明显的物 性 如电性、 弹性 、 放射性、 热学性质、 声学性质等 差异， 为物探方法的应用提供了良好的地质一地球 收稿日期2 0 0 3 1 2 1 2 修回日期2 0 0 4 - 0 2 。 l 1 ． 作者简介王齐仁， 男， 1 9 6 3 年生， 湖南济阳人， 湖南科技大学副教授， 中南大学博士研究生， 主要从事地球物理勘探、 工程质量检测和超前 探测研究． 维普资讯 4 9 8 地球物理学进展 1 9卷 物理基础． 长期以来， 广大地球物理工作者进行了大 量的试验和研究， 试图将地面地球物理勘探方法应 用于井下勘查和超前探测． 以矿井突水预测为例， 我 国在长期生产实践中形成了“ 以矿井直流电法勘探 为主， 辅以矿井高分辨率地震勘探、 无线电波透视 法、 井下微重力测量、 放射性测量和红外测温等技 术” 的综合物探技术体系， 在矿山防治水工作 中取 得了较好的应用效果 J ． 目前， 井下广泛运用的探 测方法有直流电法、 瑞雷波法、 地震反射波法、 电磁 波透视法和地质雷达探测等． 1 井下探测方法基本原理和应用 1 ． 1 直流电法 从 2 O 世纪 5 O年代到9 O年代， 前苏联应用矿井 直流电法进行了大量的井下煤层勘测 、 小构造探测、 顶板稳定性评价、 矿井水文地质调查、 岩煤突出预 报 、 巷道变形观测等研究工作， 成功地解决了与煤矿 生产、 安全有关的多种地质问题； 匈牙利重点研究了 高阻煤层内小构造的直流电法探测技术， E l 本利用 巷道与地面间的电阻率成像技术研究断裂构造和金 属矿床的赋存状态； 1 9 5 8年我国首次开展井下电法 试验以来 ， 到 8 0年代后 期 ， 由于矿井 突水问题 E l 益 严重， 煤炭科研总院相关分院、 各大矿务局 、 部分大 专院校相继开展了大量的矿井直流电法试验研究和 实际应用工作， 在模拟实验、 现场探测、 仪器开发、 理 论研究等方面取得了许多经验和成果 j ． 目前， 用 于井下探测的电法勘探主要是直流电阻率法， 包括 矿井电剖面法、 巷道顶底板电测深法、 层测深法、 高 密度电阻率法、 直流电透视法等， 它们都是以研究介 质的导电性为基础， 通过在地下建立人工直流电场， 观测岩层沿测线方向或垂直测线方向的视电阻率变 化规律来研究地电场分布规律、 划分地电断面， 从而 达到解决有关地质问题的目的． 这些方法常用于探 测巷道顶底板隔水层厚度及埋深、 含水层富水段、 含 水溶洞和断层破碎带等低阻地质体， 对独头巷道超 前探测含水体有明显的地质效果， 最大探测距离可 达 8 0 m， 因其设备和现场工作较轻便 ， 对含水、 导水 构造的判断较准确， 因而在煤矿井巷、 隧道工程中侧 帮和掌子面的超前探测中得到广泛应用， 成为 目前 井下物探的主要方法之一 _ 。 ． 矿井电剖面法、 巷道顶底板电测深法与地面工 作方法相同， 而层测深法是国外上世纪 9 O年代发展 起来的一种井下直流电探方法， 其工作方法类似于 赤道偶极测深法， 供电电极 A 、 B和测量电极 M、 N 布置在同一巷道中煤层与其顶底板分界面处． 实测 时， A、 B固定不动， M、 N在供电电极的一侧或两侧 同步移动观测． 随着偶极距 r 的增大， 电流的顺层穿 透深度也逐渐增大， 当煤层中存在断层或裂隙发育 带等电性不均匀体时， 必然对煤层中的电场分布产 生影响， 形成异常场． 该方法主要用于煤层小构造的 探测及其含水性评价 ．] ． 高密度电阻率法的基本设计思想是 2 O世纪 8 O 年代由E l 本和英国的地球物理工作者提出来的， 最 早被用于解决各种工程地质和水文地质问题． 它集 电剖面、 电测深于一体 ， 采用多电极 、 多极距 、 多装置 包 括 We n n e r 、 S c h l u m b e r g e r 、 P o l e ． P o l e 、 P o l e ． D i p o l e 、 D i p o l e - D i p o l e 等装置 的组合方式， 进行高密度的数 据采集 ， 通过对单个或多个剖面数据的分析处理， 获 得较完整 、 准确 的地 电情 况． 因其 所获得 的数据 量 大、 信息丰富， 从而能更好地从多侧面反映出地下地 质体的空间形态 ， 在预测工作面的开采地质条件和 水文地质条件中取得了较好的应用效果 ’ m ． 直流电透视法源于前苏联， 其工作方法与井下 电磁波透视法类似， 将供电电极和测量电极分别布 置在井下工作面两相邻巷道中， 观测和研究两巷道 之间工作面内的电场变化规律， 以探测工作面顶底 板内的含水、 导水构造 ． 1 ． 2 弹性波法 弹性波法以研究介质的弹性 波速、 密度、 泊松 比、 波阻抗等弹性模量 为基础， 从运动学和动力学 的角度研究人工激发的应力波在介质中的传播规律 时间场分布规律 ， 通过观测、 分析弹性波的旅行 时间、 振幅、 频率等特性来判断介质中弹性分界面的 位置， 主要用于解决地质构造 、 结构面等问题． 它包 括地震反射法、 折射法 、 瑞雷波法、 槽波地震勘探、 声 波探测、 声发射与微震技术等， 其中反射法和瑞雷波 法是 目 前矿山井巷和隧道掘进工程中常用的超前探 测方法． T S P 法 隧道地震剖面法 和 T V S P法 隧道垂 向地震剖面法 均属于地震反射波法． T S P T u n n e l S e i s m ic P r o fi l i n g 法的工作方法是在工作面后方沿 巷道布置多个浅钻孔作为炮点激发地震波， 在远离 工作面一侧的某一点处接收来 自前方界面的反射 波， 如 T S P 2 0 2 超前地质预报系统是专门为隧道和 地下工程超前探测而研制开发的设备， 具有适用范 围广、 预报距离长、 施测时间短、 提交成果及时等优 点； T V S P T u n n e l V e r t i c a l S e i s m ic P r o fi l i n g 法起源于 前苏联的垂直地震剖面法， 上世纪 7 O年代为欧美一 维普资讯 3期 王齐仁 地下地质灾害地球物理探测研究进展 4 9 9 些国家所采用， 近年来又被用于隧道、 井巷工程的超 前探测试验工作， 其工作方法是在巷道 隧道 工作 面选一个点作震源， 在工作面后方一定距离垂直巷 道走向打一个钻孔 ， 并在钻孔 中安设若干个检波器 一分量或三分量 接收来 自前方界面的反射波． 二 者都是利用反射波时距曲线来计算前方结构面的位 置和产状 M ． 槽波地震勘探事实上是地震波反射法 、 透射法 在煤层层间的一种工作方法， 该项技术 1 9 8 7年从德 国引进， 经大量的试验和应用研究， 将仪器国产化， 再加上层析成像 C T 技术， 提高了探测精度和速 度， 可以探测到落差大于 1 ／ 2煤层厚度的断层及单 体直径大于 3 0 m的陷落柱 J ． 瑞雷波法是利用弹性波中瑞雷面波的传播特征 来探测前方结构面的一种物探方法 ， 1 9 8 8年由日本 引进， 根据我国矿井实际条件和探测 目的， 1 9 9 1 年 成功研制了瞬态震源 M R DI 型瑞雷波探测仪 ， 现 在 M R Dm型瑞雷波探测仪已广泛应用于工程实 践． 该仪器可探测掘进头前方、 巷道两帮和顶底板内 的断层、 陷落柱、 溶洞、 老窑等含水、 导水构造 ， 以及 隔水层的位置和埋深． 随着高精度、 高灵敏度三分量 传感器的应用 ， 有效探测距离可达5 0 m， 探测范围和 精度将有较大提高 J ． 声波探测在井下主要用来研究岩石的声学 、 力 学性质， 探测岩体缺陷和应力松弛范围， 评价其稳定 性． 声发射与微震技术是研究岩石受力变形过程中 微破裂产生的声发射现象， 通过观测声发射的发生 率和能级在时间和空间上的分布规律来推测主破裂 发生的时间和位置． 作为揭示岩石变形破坏过程的 有效工具 ， 常被应用于地震预报和井巷、 隧道掘进过 程中的变形监测和岩爆灾害预报． 1 ． 3 电磁波法 电磁波法以介质的导电性、 导磁性为基础， 研究 不同频率的电磁波经介质透射 、 反射、 吸收后的能量 衰减、 频散作用和时间等参数的变化规律 ， 用于探测 异常体的形态和空间位置． 电磁波透视法 无线电波透视法 是利用接收 机接收来 自另一巷道发射机发射的电磁信号， 根据 对衰减场的划分来确定异常区的范同．卜 世纪 2 O年 代前苏联就开始了无线电波透} 见 法探测地质构造的 研究 ， 我国煤炭行业在无线电波坑透方面做了大量 的工作． 该方法对掘进头前方、 工作面顶底板、 巷道 两侧岩层含水构造的探测效果尤为明显， 与瓦斯地 质相结合能较准确地预测工作面突出危险区域， 最 大穿透距离达3 2 0 m ． 目前， 主要以 WK Tm型无线 电波坑透仪 煤科院重庆分院研制 和 D T SI型 防爆音频电穿透仪 西安分院研制 为代表， 广泛应 用于煤炭安全生产、 灾害预报中， 并取得了明显的地 质效果和社会效益， 同时在岩土工程的岩体、 地基稳 定性评价中也发挥了重要作用 ． 地质雷达探测方法源于欧美的航天探空雷达技 术， 也是基于电磁波反射原理， 利用宽带高频时域电 磁脉冲波的反射来推测 目标体． 早在 1 9 1 0年德国的 G ． L e i m b a c h 等人就提出了利用雷达原理探地， 上世 纪 7 O年代以后， 探地雷达的实际应用范围扩大． 我 国探地雷达仪器的研制始于上世纪 7 O年代初期 ， 由 原来的煤炭、 地矿部门及一些高校和科研院所进行 了设备的研制和野外试验工作． 现在， 国家地震局 、 水电、 铁道、 交通 、 黄河水利委员会等有关部门以及 一 些高等院校和工程勘测、 检测单位都拥有国产或 引进了国外的仪器设备， 其实际应用和理论研究正 在广泛、 深入的进行． 该方法对巷道两帮、 面积较大 的掘进头和顶底板的断层 、 陷落柱 、 老窑等含水体有 较好的探测效果， 也可对煤与瓦斯突出进行探测和 预报 ， 探测距离可达 6 0 m_ 2 ． 1 ． 4 其它方法 红外辐射测温技术是以岩石热传导、 热辐射性 质为基础 ， 在一定的距离和观测精度下测量掌子面 上的温度变化， 根据含水体与围岩的温差引起的温 度异常场的分布规律对其进行超前预报． 该方法因 轻便灵活、 快速经济、 不影响施工而被广泛采用， 对 于较小范围内 小于 3 0 m 含水体 溶洞、 断层破碎 带、 岩溶裂隙发育带等 的超前预报具有较高的准 确性， 但 目前仍局限于定性预报异常体的含水性 ， 对 含水量不能进行定量或半定量预报[ 3 ,2 5 ． 井下微重力测量技术和放射性测量技术分别以 研究岩石重力场和辐射场为基础， 通过观测岩石微 重力异常和放射性射线辐射强度及其变化规律来判 断探测范围内是否存在地质异常体 ， 对于密度差异 较明显或放射性物质含量差异较大 如断层破碎 带、 陷落柱、 含泥溶 洞等 的地 质体探 测效 果较 好 ． 2 正、 反演的思路与方法 物探方法是一种间接的观测方法， 是利用物理 学原理和仪器获得已知岩矿石标本或模型的物性参 数及其规律， 再根据已建立的物性规律 数学物理 模型 去解释野外实际观测的参数值 ， 然后再将物 维普资讯 5 o 0 地球物理学进展 1 9卷 探成果 物性剖面、 断面、 平面图等 解译成地质成 果． 所谓正演就是研究岩性一物性一曲线 物性参 数与时间或空间的关系曲线 的关系， 假设物理模 型求数学模型； 反演就是研究曲线一物性一岩性的 关系， 根据数学物理模型解释曲线以获得岩性． 同一 种岩性具有多种物理性质， 可以用多个物理参数来 描述， 利用不同观测方法可获得多条不同参数的曲 线； 当然， 不同的岩性也可能具有相同或相似的物理 性质， 这就是物探方法存在多解性的原因． 岩石的物 性是联系岩性和曲线的桥梁， 岩 矿 体的物性差异 是物探方法的工作前提． 因此， 对岩石物性的研究是 正 、 反演研究的基础， 采用综合手段 、 研究多个物理 参数、 从多种物性特征来描述岩性 ， 建立客观的地 质一物理一数学模型， 从点到线到面再到空间来分 析目标体的分布规律． 这就是地球物理勘探正、 反演 的思路， 也是物探方法解决多解性问题和有关地质 问题的基本思路与方法． 由于应用地球物理所研究的场的复杂性 ， 只有 少数简单的规则模型具有其解析表达式， 大多数地 球物理模型很难得到其解析解 ， 只能用数值计算方 法求得其近似数值解． 为了解决复杂地球物理模型 的地球物理场的正演模拟和反演计算， 国内外专家 学者开展了多种计算方法的数值模拟， 包括有限差 分法 、 积分方程法 、 有限单元法和边界单元法． 目前 对全空间的二维、 三维模型进行模拟和反演已趋成 熟， 而对于井巷条件下的三维地质一地球物理模型 的模拟和计算方法尚须进一步研究和开发 ． 有 限差分法 F i n i t e D i f f e r e n c e Me t h o d 是一种 网 格剖分方法， 它将求解区域剖分成许多正方形、 长方 形网格单元， 以网格节点上的场参数值来表征场空 间的分布； 然后将场所满足的微分方程离散化， 得出 相应的差分方程， 解此方程组可以得出场的空间分 布． 上世纪 7 0年代初 国外学者 C ． M． S w i f t 、 T ． R ． M a d d e n和 Y ． L a m o n t a g n e 等人把有限差分法用于电 法勘探正演模拟计算， 8 0年代初， 我国引进了 D e y 和 Mo r r i s o n的有限差分法 ， 进 而发展 了适 应于研究 复杂地球物理模型的三角形和矩形网格剖分相结合 的有限差分算法． 有限差分法计算原理和编程相对 较简单， 易于解决二维、 三维地球物理问题， 适合于 计算规则形状的物理模型． 积分方程法是从场满足的微分方程边值问题出 发 ， 通过某种变化导出有关参数满足的积分方程式． 把积分域网格离散化， 假设单元体表面上积累电荷 密度为常数， 得到关于各单元电荷密度的高阶线性 方程组． 解方程求出各单元表面电荷密度， 积分可得 到空间任意点产生的异常场． 在上世纪 5 0年代末 6 0年代初， L ． A l f o m， K ． V o z o ff等人就提出了用积分 方程法计算任意形状构造上的电性异常； 8 0年代中 期， 我国引进和发展了积分方程法， 特别是关于三维 电法模拟的研究， 取得了有意义的成果， 进一步扩大 了该方法的应用范围． 积分方程法的优点是可处理 三维局部异常体问题， 但是由于线性方程组阶数较 高， 计算量很大． 边界单元法 B o u n d a r y E l e m e n t M e t h o d 的基本 思想是先利用方程的基本解、 边界条件导出满足场 问题的偏微分方程， 通过格林公式转化为边界积分 方程的场求解的积分表达式， 然后对边界进行网格 剖分， 将积分表达式离散化 ， 得到各节点电位的代数 方程组 ， 解方程组即可求出场的空间分布． 它是由美 国S o u t h a m p t o n 大学 B r e b b ia教授于 1 9 7 8年首先提 出， 主要用于工程计算； 8 0年代初 ， M． O k a b e 把边界 单元法用于地球物理模拟计算； 8 0年代中期， 我国 引进了边界单元法． 由于仅对边界进行剖分， 所以单 元数目少， 形成方程组的阶数较低 ， 占用计算机内存 小， 且计算精度高， 但于对复杂的地球物理模型而 言， 它不如有限单元法模拟能力强． 有限单元法 F in it e E l e m e n t M e t h o d 又称有限 元法， 是从地球物理场所满足的偏微分方程出发， 根 据变分原理或最小能量原理将给定的微分方程边值 问题等价地转换成场泛函极值问题． 将模拟区域按 照某种规则将模型剖分成一系列矩形单元或三角形 单元． 设单元内物理性质均匀， 场呈线性变化 ， 这时 单元内的泛函是各节点场值的二次函数． 根据二次 函数取极小的必要条件， 泛函对各节点场的变分为 零， 这样得到一个和节点数相同的高阶线性方程组， 解方程组得到各节点上的场值， 用它来描述场的空 间分布 加 J ． 有限单元法是上世纪 5 0年代 中期发 展起来的一种数值计算方法， 最初主要用于结构和 应力分析； 7 0年代初 ， J ． H ． C o g g o n首先将其用于电 法勘探； 后来， L ． R ． R ij o 进一步完善了这种数值计 算方法， 使之成为计算二维地电条件下 点源 电阻 率法和激发极化法异常的有效方法． 我国从 7 0年代 中期开始在电法勘探中做有限元数值模拟， 主要是 研究轴对称空间二维问题． 相对边界单元法和有限 差分法， 有限单元法更适用于模拟不规的三维异常 体， 更接近于实际 ． 多年来， 徐世浙院士、 阮百 尧教授对有限元法在电法勘探中的应用方面做了较 深入的研究， 其中点源二维有限元法取得了较好的 维普资讯 3期 王齐仁 地下地质灾 害地球物理探测研究进展 5 0 1 应用效果． 3 存在的主要问题 相对于地面物探而言， 井下超前探测一般距离 探测目标较近， 有利于探测精度和准确性的提高． 但 多年的应用实践表明， 这些方法在探测精度、 准确性 和探测距离等方面仍然存在许多问题 ， 主要表现在 以下几个方面 理论上井下所建立的人工物理场是“ 似全空间 而非全空间” 物理场， 而实测中大多数方法都“ 假定 地下场为全空间分布” ， 或“ 当极距较小时， 电流场 是半空间分布的” ， 反演时忽略巷道的影响． 因此， 客观上存在理论与实际的不相符， 探测结果必然存 在偏差． 事实上， 井下观测系统的布置受到场地条件 的限制 通常极距或源距较小， 或采用单边布极 ， 不可避免地受到全空间的影响， “ 多解性” 将更加突 显， 探测的准确性和精度难以保证． 如何在井下工作面小的不利前提下合理地选择 物探方法和观测方案将直接影响到探测效果， 而 目 前井下探测大多是地面物探方法加防爆技术 ， 针对 井下的应用条件研究还不够深入， 方法试验多， 理论 研究少， 对不同方法的使用没有形成相应的技术规 程． 井下干扰因素多 生产、 运输的爆破、 振动、 大 功率用电等形成复杂的干扰源， 即使同一场源也存 在多种路径 ， 不利于有效信号的激发和采集， 采用 常规的传感器 或电极 和接地条件难以确保可靠、 有用信息的获取和分离． 4 在数据处理方面， 对井巷条件下二维、 三维 数学物理模型的研究还处于探索阶段， 适用于地下 井巷 、 隧道条件的正、 反演三维数值模拟技术还远未 达到实际应用的要求． 尚未开发出适合井下探测的 资料解释系统和软件， 使井下地球物理探测仍处于 定性或半定量阶段． 4 几点思考 4 ． 1 关于探测方法 通常地下水体 、 瓦斯、 陷落柱等地质灾害体的物 理性质 如导电性、 密度 与其围岩之间存在较明显 的差异， 井下探测的观测系统距离目标体也相对较 近， 客观上具备良好的工作前提． 但实际应用和研究 中， 井下物理场 如直流电场 、 电磁波场、 弹性波时 间场等 的分布规律较为复杂， 巷道、 采空区等不导 电空间和超低速区的综合影响相互迭加， 困扰着井 下地球物理探测的资料处理与解释； 井下观测结果 是三维空间内任意方位地质体异常响应的迭加场， 在大多数情况下， 单一方法无法准确地确定异常体 的空间位置． 因此， 要取得 良好的地质效果， 不能简 单地照搬地面物探方法， 必须加强适合井下特点的 方法研究， 并进行方法技术的优化组合． 观测电场、 电磁场 、 温度场、 辐射场有利于定性评价， 研究时间 场有利于定量计算探测 目标的空间形态和位置， 联 合运用定性、 定量的方法可以提高井下超前探测的 准确性和精度． 例如， 激电法在探测含水体和瓦斯突 出体方面具有独特的效果， 双频激 电仪可以克服井 下因接地电阻过大、 信号太弱带来的观测误差， 使探 测结果的更可靠； 如果将天线进行合理的改造， 瞬变 电磁法 T E M 和可控源音频电磁法 C S A M T 法在 井下也会有其优势 可避免直接接地 、 通过改变频 率来增大探测距离 ； 矿井矢量电阻率法技术能更 全面地反映地下各向异性介质中电流场的分布及其 变化规律， 有利于判定地质异常体的空间位置． 值得 一 提的是， “ 震电效应” 的研究为多孔介质波动理论 奠定了基础， 在地震预报 、 油气和水资源的勘探中逐 渐受到重视 ， 若将其理论和观测方法引入井下地 质灾害体的探测， 联合运用弹性波场和电场这两种 不同性质的物理场的特点， 有利于提高探测灾害体 的地质效果， 为井下勘探和超前探测提供一种新的 理论和方法． 4 ． 2 关于正 、 反演理论和试验研究 目前， 针对针对井下勘探和超前探测的方法试 验开展较多， 如近年出现的三维地震勘探、 电阻率成 像技术， 是从全空间时间场、 电流场的基本理论出 发 ， 通过变测点 、 变深度、 变方位的三维勘探， 复原和 重建地下岩层的三维弹性、 电性结构， 极具发展前 途 。 ． 在井下如何合理地布置观测系统， 充分利 用井下有限的施工空间， 有效地组织井下施工， 依赖 于对巷道周围物理场及其异常规律的认识， 而研究 地下异常的反映规律的手段就是三维数值模拟技 术． 如要实现井下电法资料由一维、 二维反演解释向 三维反演解释， 由定性、 半定量解释向定量解释的跨 越， 提高电法勘探的应用于水平和效果， 就必须进行 井下三维地电模型的三维正、 反演模拟， 了解顺层和 垂直层面方向的勘探深度 ， 才能分开巷道影响和全 空间效应， 唯一地确定地电异常的空间位置． 因此、 必须加强数值模拟及正、 反演理论的研究， 研究不同 物理模型 地电断面 、 不同井巷条件、 不同观测技 术的资料处理和分析方法， 利用有效的数学方法 维普资讯 5 0 2 地球物理学进展 l 9 卷 如边界元、 有限元、 角域法等数值模拟方法及其组 合 和先进的计算机手段 如 M A T L A B 、 A N S Y S等功 能强大的分析软件 进行理论模拟， 通过联合反演 找出定性、 定量规律， 推导和建立理想条件下典型模 型的理论和实验曲线 ， 以指导实测资料的分析和解 释． 例如， 在室内可以进行大型水槽电探方法的模 拟试验， 根据工作面和巷道尺寸拟定模型长度和截 面尺寸， 利用透明的 有利于观察各种实验现象 有 机玻璃等材料， 制成一端封闭、 另一端开口的空心长 方体或圆柱体， 各侧面根据不同观测方法布置测线． 以电探方法为例， 在测线上钻若干小孔 ， 用细铜丝插 入小孔并密封， 另一端由导线从空心柱体内引出； 异 常体用良导金属球体、 铜板和绝缘橡胶 塑料 皮 球 、 塑料板制成． 将封闭的一端向下插入水中 水池 尺寸尽可能大 就能进行各种装置的观测， 通过移 动异常体位置或旋转空心柱体便可以观测到不同异 常体位置组合的综合影响， 还可以模拟复杂探测对 象 探测体 内部介质结构复杂或外部边界条件复 杂 的空间响应． 4 ． 3 关于观测系统 探测方法 确定 以后 ， 观测 系统 即场源 和观测 装置的布置方式， 包括源的性质、 能量， 传感器的性 能、 安装方式、 接地方式和源距等 是否合理将直接 影响观测结果， 可靠有用信息的获取、 信噪比的高低 取决于激发方式和接收方式． 因此 ， 必须对理论计算 和试验结果进行细致的分析、 研究， 确定各种观测方 法的应用条件， 针对不同地质一地球物理模型， 设计 相应的最佳观测系统． 5 结论 目前常用的井下探测方法各有其优缺点 ， 要进 一 步提高地质灾害的探测及超前预报的准确性和精 度， 就必须加强对地下地质灾害物理性质和井巷条 件各种空间响应进行全面、 深入的研究 ， 充分发挥现 代数学分析方法、 信号采集与数据处理技术和计算 工具的作用， 结合井巷条件从理论上进行相应的数 学模拟和正反演计算， 在室内或已知井巷进行各种 方法的试验研究， 获得各种观测方法的应用条件和 最佳观测系统， 以找出针对不同地质一地球物理模 型的有效、 快速的综合观测方法 参考文献 【 R e f e r e n c e s 【 1 ] 张春山， 张业成， 胡景江， 等 中国地质灾害时空分布特征与形 成条件[ J ] ． 第四纪地质， 2 0 0 0 6 5 5 9～ 5 6 6 ． [ 2 ] 张梁， 张业成， 罗元华， 等． 地质灾害灾情评估理论与实践 [ M] ． 北京 地质出版社， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 岳建华， 刘树才． 矿井直流电法勘探． 江苏徐州[ M] ． 中国矿业 大学出版社， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 王为民． 矿井下探测含水、 导水构造的物探方法[ J ] ． 煤田地质 与勘探， 1 9 9 6 ， 2 4 3 5 4～ 5 6 ． [ 5 ] 程久龙， 王玉和， 于师建， 等． 巷道掘进中电阻率法超前探测原 理与应用[ J ] ．煤田地质与勘探， 2 0 0 0 ， 2 8 4 6 O ～ 6 2 ． [ 6 ] 冯于静， 王邦成， 李于宝， 等． 点电源法在煤矿巷道超前探测中 的应用及效果[ J ] ． 河北煤炭， 1 9 9 8 4 9 ～l 1 ． [ 7 ] 韩德品， 张天敏， 石亚丁， 等． 井下单极一偶极直流电透视原理 及解释方法[ J ] ．煤田地质与勘探， 1 9 9 7 ， 2 5 5 3 2 ～ 3 5 ． [ 8 ] 刘青雯． 井下电法超前探测方法及其应用 [ J ] ． 煤田地质与勘 探 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