坑道直流电阻率法超前探测研究.pdf

第 4 9卷 第 5期 2 0 0 6年 9月 地 球 物 CH I N E S E J O UR NA L 理学报 OF GEOPHYS I CS Vo 1 ． 4 9。No． 5 S e p． ，2 0 0 6 黄俊革 ，王家林 ， 阮百尧 ． 坑道直流电阻率法超前探测研究 ． 地球 物理学报 ， 2 0 0 6 ， 4 9 5 1 5 2 9 1 5 3 8 H u a n g J G， Wa n g J L ， R u a n B Y． A s t u d y o n a d v a n c e d d e t e c t i o n u s i n g D C r e s i s t i v i t y m e o d i n t u n n e 1 ．C h i n e s e J ．C , e o e h y ． i n C h i n e s e ， 2 0 0 6， 4 9 5 1 5 2 91 5 3 8 坑道直流 电阻率法超前探测研 究 黄俊革 ，王家林 ，阮百尧 1同济大学海洋与地球科学学 院， 上海2 0 0 0 9 2 2桂林7-学院资源与环境 7 - 程 系， 桂林5 4 1 0 0 4 摘要坑 道空腔的存在使其 周围 电场 分布不 同于全 空间 的电场分 布 ． 以无 限大板状 体 为例求 解全 空间 电场分 布 ， 提 出探厚 比概念 以讨论超前探测极 限问题 ． 通 过对 比全空 间与坑道 内超前探测异常形 态可知 ， 坑道空腔 只会影 响极距 较小时的视电阻率 幅值 ， 不会掩 盖迎 头前方地 质体的异常响应 ． 大量模 型计算结果 表明 ， 电阻率异 常极值位 置与板状体位 置之间的差异在 5 一l 0 倍 之间 ， 且同时受到异常 体厚度 、 电性 以及板状体倾角 的影响 ． 仅利用 电阻率 极值位置准确解释超前探测异常的难度较大 ． 关键词坑 道 ， 电阻率 ， 探厚 比， 超前探 测 文章编号0 0 o l 一5 3 2 o o 6 05 1 5 2 9 1 0 中图分类号P 6 3 l 收稿 日期2 0 0 5 0 9 2 6 ， 2 0 0 6 0 5 0 9 收修定稿 A s t ud y o n a d v a nc e d d e t e c t i o n u s i ng DC r e s i s t i v i t y me t ho d in t un ne l HUANG J u n ． Ge 。W ANG J i a ． I j n ．RUAN Ba i ． Ya 0 1 S c h o o l ofO c e a n a n d E a r th S n 12 e ，r o , i U n i v e r s i ty，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h ／ n a 2 D e p a r t m e n t ofR e s o u r c e a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i ng ，G u i l i n I n s t i t u t e o fT e c h n o lo g y，G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d i s t rib u t i o n o f t h e e l e c t ric fie l d a r o u n d a t u n n e l i s d i ffe r e n t f r o m t h a t i n f u l l s p a c e b e c a u s e o f t h e t u n n e l - c a v i t y e ffe c t ．Ta k i n g t h e i n fin i t e p l a t e f o r i n s t a n c e ，t h e d i s t rib u t i o n o f e l e c t ric fie l d i n f u l l s p a c e i s s o l v e d an d d e t e c t i o n - t h i c k n e s s r a t i o i s p r e s e n t e d t o d i s c u s s t h e l i mi t o f a d v an c e d d e t e c t i o n．Th e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y C an b e i n flu e n c e d b y o n s ma l l s p a c i n g o f e l e c t r o de s ，b u t t h e a n o maly o f g e o l o g i c - b od i e s a h e a d o f t h e t u n n e l i s n o t s c r e e n e d b y t h e t u n n e l - c a vit y’ s e ffe c t ．Th e c alc u l a t i n g r e s u l t s o f ma n y mod e l s s h o w t h a t t h e p l a c e o f t h e a n o malo u s e x t r e me i s 5～1 0 t i me s t h e p l a t e an d i nfl u e n c e d b y t h i c k n e s s and e l e c t ric p r o p e r t y o f t h e p l a t e．I t i s d i f fi c u l t t o d e t e r mi n e e x a c t l y t h e g e o l o gic b ody o n l y u s i n g t h e p l a c e o f t h e ano mal o u s e x t r e me ． Ke y wo r d s T u n n e l ，Re s i s t i vit y，De t e c t - t h i c k n e s s r a t i o，Ad v an c ed d e t e c t i o n 1 引 言 煤 矿和金 属 矿 山 的坑 道 、 交 通 和 引 水 隧道 的生 产 、 施工 过程 中 ， 巷 道 前 方 隐伏 的导 水 、 含 水地 质 构 造、 溶洞等一直是困扰安全生产的重大隐患 ． 对坑道 前方危 险构造 的 精 确定 性 与 定 位 ， 可 及 时 对灾 害 隐 患提出预警 ， 是确保地下生产安全的重要手段 ． 目前 常见 的地 质超 前 预报 方 法 可 归 为 两 类 ， 一 类 属破 坏 法 ， 另 一类属 非破 坏法 ． 破 坏法是 指用 破坏 的方 法凿 开 隧道直 接取 样或 探 测 ， 它 包括 地质 法 、 超 前平 行导 坑 法和超 前 水平 钻 孔 法 ； 地 质法 是 指使用 野 外地 质工具 直 接观 察岩 石 的岩性 ， 并 推 断周 围的岩性 ． 地 质 法不 占或很 少 占 基 金项 目 国家 自然科 学基金项 目 4 0 0 6 4 0 0 1 ， 上海博士后基金项 目 0 5 R - 2 1 4 1 4 3 ， 同济大学理科发展基金资助 ． 作者简介黄俊革 ， 男 ，1 9 6 6生， 博士 ， 副教授 ． 2 0 0 3年 于中南大学 信息物理 工程学院获 博士学 位． 目前在同济大学海洋与地球科 学学院傲博 士 后研究 ． 主要研 究方 向为电法勘探、 地球物理数值模拟与反演 ． E ． m a i l h j u n g e 1 6 3 ． c o rn 维普资讯 l 5 3 O 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J ． G e o p h y s ． 4 9卷 用施 工 时 间 ， 适用 性强 ， 成本 低 ， 操作 简便 ， 但 预报 范 围有 限 ， 特别 是在 地 层 岩性 变 化 复 杂 的隧 道 中预 报 的难 度很 大 ． 超 前平 行 导 坑 法 是 在 要 开 挖 的 隧 道 附近开挖一平行的小断面导坑 ， 该法具有地质法的 优点 ， 但投资大、 工期长 、 效率低， 当隧道与导坑间距 过大、 地层变化复杂时准确率明显降低 ． 超前水平钻 孔法是 用 钻 探 设 备 向掌 子 面 前 方钻 探 “ ， 从 而 直 接揭 示隧 道 掌子 面 前 方地 层 岩性 、 构造 、 地 下 水 、 岩 溶洞穴 充填 物及 其 性 质 ， 还 可 通 过岩 芯 试 验 获 得 岩 石强度 等 定量指 标 ， 是 最 直 接 有 效 的地 质 超 前 预 报 方法 ， 但 施工 费用 高 、 占用 施工 时 间长 ， 且 易 造 成 人 为 的坑道 事故 ． 非破 坏法 系指利 用 岩 石 的物 理性 质 来 判 别 、 推 断挖 掘前 方 的地质 体分 布的 探测 方法 ， 包 括声 测 法 、 波反射 法 和 电阻率 法 ． 声 测 法 利 用声 波 在 岩 石 中 的 传播 速度 差异 来 判 别 岩 石性 质 ． 声测 法 的 施 工 时 间短 、 分辨 率高 ， 但 预 报 距 离较 短 ． 波 反 射 法 也 可 以 分为 电磁 波反 射法 和地 震 波 反射 法 ． 波 反 射 法 常 见 的有 地质 雷 达法 和反射 地震 法 ． 地 质 雷达 “ 是利 用超 高频脉 冲 电磁 波探 测介 质分布 的 一种地 球 物 理 勘 探方 法 ， 其 工 作 原 理 是 发 射天 线 向 隧 道 掌 子 面 前 方 发 射 电磁 波 信 号 1 0 。～ 1 0 9 H z ， 在 电磁 波 向前 方 传播 的过 程 中 ， 当遇 到 电性 差异 的 目标体 如 空 洞 、 裂 隙 、 岩溶 等 时 ， 电磁 波 便 发生反 射 ， 由接 收 天 线 接 收反 射 波 ． 根据 雷 达 波形 、 电磁场 强 度 、 振 幅 和 双程 走 时 等参 数 便 可 推 断 掌子 面前 方的 地质 构造 ． 其 分辨 率 高 、 无 损伤 、 探 测 和数 据处 理速 度快 、 机 动灵 活 、 操作 方 便 ， 但 是 其 预 报距 离较短 ， 坑 道 内的 金属 构 件 对 探测 结 果 的 影 响 非 常 大且难 以消除 ． 反射 地 震 是工 程 物 探 中 比较可 靠 的 方 法之 一 ． 为 了用 反 射地 震信号 探测 隧道 掌子 面前方 的地 质情 况 ， 地球 物 理工 作 者从 观 测 方 式 和处 理 方 法 两 方 面 进行 了专 门的研 究 ， 并 形 成 了不 同的 观 测 和 处 理技 术 ． 我 国是 较早开 展 反射地 震 隧道 超 前 预 报研 究的 国家之 一 ． 在 2 0世 纪 9 0年代 初 曾昭 璜 就 开 始 进 行专 门 的 研 究工 作 ， 并 称 为 “ 负视 速 度 法 ” ． 国 外 反射 地 震 超 前 预 报 的代 表 性 工 作 是 瑞 士 A m b e r g 测 量 技 术 公 司 开 发 的T S P超 前 预 报 法 T u n n e l S e i s m i c P r e d i c t i o n ’ ” ． 其 原理也 是 隧道 内反 射地 震 方 法 ， 它 的 预报范 围大 1 5 0 m ， 占用施 工 时 间短 ， 但 用于隧 道超 前预 报时 由于 观测条件 的 限制 以及 岩体 内不 同方 向的反 射 ， 使 之 在解 释 与 判别 方 面 遇到 了 很 大的 困难 ， 例 如 在测 定地 下水 层 位 置 时 ， T S P只反 映坑道 周 围岩 体 平均 强度 变化而 无 法预测 正确 的地 质情况 ． 另外 ， 进 口设备的一次性投入加大了该方法 实施 坑道 超前探 测 的成 本 ． 电阻率法 是根 据 岩石 电性特 征 和空 间电场分 布 来 推断岩 石分 布 和 性 质 的一 种 地 球 物理 分 支 方 法 ． 由于其 勘探深 度 超前探 测距 离 与测 量装 置的布 设 长 度密 切相关 ， 在 坑道 长度 满足要 求 的前提 下 ， 其 勘 探深 度或 超 前 探 测 距 离 可 达 2 0 0 m 以上 ． 并 且 具 有 勘探 效率 高 、 投 入 少 、 施 工 方 便 灵 活 、 装 置形 式 多 样 等 特点 ， 尤为关 键 的是 ， 电阻率法 对含 水构造 等低 阻 地 质体 的反 映灵 敏度 高 、 分 辨能力 强 ， 在超前 探测 领 域 中 有其 独 特 优 势 ． 冯 于 静等 、 刘 青 雯 分 别 介 绍 了坑道 电阻 率超 前探 测 方法在 矿 山含水构 造探 测 中的一些 应用实 例 和解 释 方 法 ； 李 玉宝 。 加 结合 大 量 探测 实例 ， 对 电阻 率法 超前 探测技 术 的影 响因素 、 技 术效 果进 行 了分 析 ． 但 对坑 道 电阻 率 超前 探 测 的 系 统 理论 研究很 少 ． 程久 龙 等 对 无 限大 板 状体 超 前 探 测的全 空 间电场 分 布进行 了推 导 、 计 算 和分析 ， 得 出了一些 结论 ． 但 我们 的研究 结果 与其 有差 异 ， 计算 所得 视 电阻率异 常 的 幅值 、 形 态也 有所 不 同 ； 另外 坑 道 内空腔 的作 用 使 电 场 分 布 与 全 空 间也 有 较 大 区 别 ， 坑 道 电阻率 超 前 探测 方法 在 理 论 上有 待 进 一 步 研 究和探 讨 ． 2 坑道 内电场分布特点 均匀 全空 间 中点 电源 的电位 表达式 为 U ， 1 珥 丁 cr 式 中 ， 为供 电 电 流 ， p为 均 匀 全 空 间介 质 电 阻率 ， r 为供 电点到 空间 任 意 观 测 的距 离 ． 其 等 位 线 为 以点 电源 为球 心的球 面 ． 坑道 中 ， 观测点 与点 电源 间的距 离较小 时 电场 分 布 类 似 于半 空 间 电场 分 布 ， 而距 离 较大 时 又具 有全 空 间 电场 分 布 的特 点 ． 图 1为采 用有 限元异 常 电位法 分别 对均 匀全 空 间及 坑道 迎头 处点源 供 电时 电 源 所 在 X O Z平 面场 分 布进 行 数 值 模 拟 的结果 ． 供 电 电流为 1 A． 图 中可 以清 楚 地 看 到 ， 坑 道 内 的场分 布 相 对 于 均匀全 空 间的场 分 布 而 言是 不对 称 的 ， 坑 道 迎头 前 方的 电位 分布 与 全 空 间相 应 位 置 的 场 分 布 基 本 相 同 ， 坑 道底 面 以下 、 顶 面 以上 的等 位 线 分布 复 杂 ， 与 全 空 间相应位 置 的 电位分 布差异 很 大 ． 维普资讯 5期 黄俊革等 坑道直流电阻率法超前探测研 究 ．1 O 5 0 ．1 1 0 7 6 0 7 6 5 7 7 0 7 7 5 7 8 0 7 8 5 7 6 0 7 6 5 m 7 7 0 7 7 5 7 8 0 7 8 5 图 I 均匀垒空间_受坑道迎头处点源场电位分市图 X O Z平面 a 均匀 垒奎 问点 电源场 电位 分布 b 坑 道迎头 点电塬 场电位 舟布 F i g l E L e c t r i c p o t e n t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e po i n t p o w e r fi e l d a T h e p a i n t e l e c l ri c pa y e r ⋯ n f u l l s po r e b 1 1 l _ c pol a r e le c t ri c po e r t u r m e l l a c e 3 全空间无 限大板状 体超前 探测 视 电 阻率曲线 3． 1表达 式 电阻率 超前 探测 主要用于探 明坑道掘进前方含 肼 f O p ‘ p Z 水破碎带等不均体 ， 方法 是在坑道迎头 处布置 点电 源 A， 另一供 电板 B置 于“ 无穷远” ， 测 量电极为 、 Ⅳ． 在巷道 后方通过观测视电阻率的变化 ． 进而推断 巷道前方是否存在 异常体 ． 如果忽略坑 道空腔 的存 在 ， 板状体 的超前 探测 问题可 简化 为求 解 全空间无 限大板状体电场分布问 题 ． 现 以全空 间无限大扳 状 b 图2全空间无限大板状体模 型示意圈 a 测缓 垂直 扳状 体； b 测线 与板壮 悻斜交 点 电娠 ；M、 观测 电段 ； 点 电慊 与 观测 电授 M间距离 ； n扳牧 体厚度 点 电楫 与楹 杖 体之间的距 离 ；0 横 状体 和捌 线问的 丧角 F i g ．2 Di a g r a m f a n i r l l e L a b u j a r mo d e l in l u l l 洲 c a S u e y I i a e par p e n d i c u l a t t a l a d m - b d ； b S t t e y l l n e o b l i q u e t a h u l I r , l 3 - ． p oi a p o we r； ． y pol e； d i s t c e hs t we t p ⋯d M ； t t t i ck n o ft a ha l a r b o d - d d i s t a , h e t wp 0 ⋯d t a h u l h o l y ；8 】 n d u d l 柚 e k 髓 n t a l m l u r v l l n e 0 一 ． _ 盯 E 维普资讯 1 5 3 2 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J ．G e o p h y s ． 4 9卷 体为例求解场分布 ． 设 在 电阻率为 p 。 的 全 空 间介 质 中有 一 厚 度 为 n 、 电阻率为 lD 均匀无限大板状体 ． 在 lD 介质 中任 意一点 A供 电， 电源 点与板体间的距离 为 d． 板状 体将整个空间划分 为三个部分 有源 p 介质区、 无 限大板状体中和无源 lD 介质区， 除 A点外 ， 都满足 拉普 拉斯 方程 2 U 0 ，在有 源 lD 介 质 区 A点 除外 ， U 0 ， 无限大板状体 lD 介质中 ， 2 U，0 ，无 源 p 介质 区 ． 取坐标原点在 A点 ， z轴垂直 板 状体 向下 ， 电势 分布具有 z轴对称性 图 2 a ． 选取 柱 坐标 系 ， 势 函数 仅与 r ， 有关 ， 与 无关 ， 拉普拉 斯方程 简化为 1 r 0 ． ㈤ 上式 的一般 解为 I[ A m e 一 B m e ] J 0 J 0 mr dm． 3 极 限 条件和边 界条 件 1 除 A点外， 所有各点电势有限且连续 ， 设空 间任意点 P至电源点 A的距离为 R， R ／ r ， 则 当 一 ∞时 ， 一 O ； 4 当 一 一∞时 ， 一O ； 5 当 R 一0时 ， U 1 ． 6 2 在介质 分界 面上 ， 由电势连 续性 ， 有 ，l d U 2 I d ， 7 2 I ⋯ d U 3 I ⋯ d ， 8 一 耋 去 1 U 2 ， 9 lD l a 。 d lD 2 a 。 d ’ 7 1 3U2 去 ， 1 0 p ， a 。 一 p f a 。⋯ ’ 根 据极 限条 件 和边界条 件 ， 可求 得在 有源 lD 介 质中 板体上方 电位表达式 l1 l p 1 l u 一 [ 耋 一 妻 n l ] ， ⋯ ， _二 - J ’ 式 中 K ． 与地 面对 称 四极 测 深 法 不 同 的 一 p， p， 是 ， 超前 探测 的观 测 电极 沿 Z轴 负 向 移 动 图 2 a ， 在上 式 中有 r 0 ， 0 ， R 一 ， 电源 点所 在 介 质 l D 中的电位 表达式 为 一 一 耋 一 壹 ． c ， 一 _ 二 一 I f 1 n 0 一 0 一 ／ ‘ 、 三极 装置 的 n 视 l 电阻 率表达 式 为 1 22 2d 2 P 【 一 z 2 耋 一 壹 ] ． 13 n l 2 n a 2 d 2 一 一 l l f 、 一 0一 ／ J‘ 当无限大板状体 与观测 电极 移动方 向斜交 时 我们更习惯地称板状体为倾斜板状体 ， 见 2 b示意 图 ． 电 源 点 所 在 介 质 1中 的 电 付 表 式 为 一 ’ ～一 R c o s 0 2 n a 2 dR s i n 0 ／ R c o s O 2 舳 2 d一 2 0R s in 0 1 4 特别地 ， 当无限大板状体构造同时是岩性分界面时， 即板状体无 电源一侧 电阻率与电源一侧介质和板状体电 阻率 均 不相 同时 电阻率 为 P ] ， 电源点 所在介 质 lD 中 的 电位 表 达式 为 一 耋 一 R co s0 2 2 h a 2 d R sin 0 2 黠 R cos 0 2 n a 2 d 一 2 0 R sin 0 式 中 K 2 3 丝 p 2 二 P 3． 文献[ 2 1 ] 中的电位表达式与 1 5 式有很大区别 ， 值得商榷 1 5 维普资讯 5期 黄俊革等 坑道直 流电阻率法超前探测研究 3 ． 2 曲线与数值模拟结果对 比 全空间 中无 限大板 状体 的 电场分 布及 超前探 测 视电阻率曲线 可通过 1 5 式求得解析解 ； 而由于地 下坑道空腔的存在， 坑道 中的电场分布及超前探测 视电阻率曲线解析解很难求得， 只能应用物理模拟 或数值模拟手段进行正演 ． 本文采用坑道中的有限 单 元异 常 电位 法 进 行 计 算 ． 下 面 ， 以 全 空 间 中 无 限大板状体模型为例 ， 对 比理论计算与有 限元数值 模拟结果 ， 以验证模拟算法的正确性 ． 设全 空 间 围岩 电阻 率 p 。 1 0 0 I 2 m， 无 限大 板 状 体电阻率 lD 5 I 2 m， 板体厚 n2 m， 板体与供电点 之 间的距 离 d2 m． 分 别 采 用 二极 和 三极 装 置进 行 观测计 算 ， 测 量 电极 均 沿 z轴 负 向移 动 ， 为便 于 对 比两种装 置 的结 果 ， 记 录 点 均取 在 点 ． 二极 装 置 最小 极距 A M 为 1 m， 点距 1 m； 三极法 最小 A M 为 1 m， MN1 m， 点距 1 m． 该 模 型 的理 论 计 算 和数 值 模拟 结果见 图 3所 示 ． 图 中数 值模 拟 结 果 与 理论 计 算 的数据 吻 合 得 很 好 ． 由于 设 计模 型 中 、 l ， 、 z 三 个方 向 网格 剖分 剖 分 网 格 数 为 9 1 2 01 8个 与 无限大板状体尺寸之间存在模拟误差， 所以二极装 置的模 拟精 度要 稍 差些 ， 在 区域 的边 缘 网格 节 点 上 相对 误差最 大 ， 达到 2 ． 1 ％ ． 图 3 a中二极 装置 视 电阻率 曲线 ， 视 电阻 率极 小 值高 于图 3 b的三极 装置 的视 电 阻率极 小值 ， 二极 装 置视电阻率极小值为 6 6 O m， 三极 装置视 电阻率极 小值为 6 2 I 2 m左 右 ； 二 极 装置 极小 值 位 置 在 A M 1 0 m处 ， 三极 装 置异 常极小 值在 A M 2 0 m处 ， 与 源 点和板体间距离 d2 m相 比， 二极装置异常极值 的位置 A M 与 d之 间的偏 差 要 小 于 三极 装 置 ， 且 异 常宽度 小 ． 从 这 两方 面来看 ， 二 极装置 似乎 更适 合 于 地下全空 间超 前 探测 问题 ． 不 过 坑 道 内有 限 的空 间 限制 了无穷 远极 的布 设 ， 施 工要 求高 、 难度较 大 ． 3 ． 3 全 空 间超前探 测极 限 在实际 工 作 中 ， 电阻率 测 量允 许 4 ％ ～5 ％的相 对均方 差 ； 按 误 差理论 ， 只有 异 常幅度 大于 3 倍 均 方 误 差时该 异 常才 可靠 ， 即小 于 1 2 ％的视 电 阻率 异 常 不能判定为地下异 常体 的反映 ． 影响超前探测视 电 阻率 幅值 异 常 的主 要 因 素有 三 个 ， 分 别 是供 电点 到 目标地 质 体 破 碎带 的 水平 距 离 d、 破碎 带 宽 度 0 、 异 常 电 阻 率 比值 t z 。 t z 。 p ／ p 。 ． 超 前 探 测 极 限 ， 主要有 两 个方 面的指 标 ， 一是指 目标 体与 电源 点 之间的最大距离 ， 即探测距离 d； 二指 目标体可分辨 的最小厚度 n ． 以地质体引起的视 电阻率极值无限 大板状等于 1 2 ％ 为下 限 ． 这里提 出超前探测“ 探厚 图 3 全空间 中无 限大板状体超前探 测理论 曲线与有限元数值模拟结果对 比 a 二极装置测 量曲线 ； b 三极装 置测量 曲线 ． Fi g．3 Co mp a r i s o n b e t we e n F EM mo de l i n g a n d the o r y r e s u l t o n i n fin i t e ta b u l a r b o dy i n f u l l s p a c e aC u r v e s o f p o l e p o l e a r r a y ； bC u r v e s o f p o l e d ip o l e a r r a y 比” 的概念 ， 即探厚 比 为 目标体 与电源点之间的 探测距离 d与 目标体 的厚度 n之 比． 表 1中为各种 电性异常体三极装置最大探厚 比的计算结果， 每种 电性 的 探 厚 比采 用 三 组 不 同 的 d 和 n数 据 进 行 计 算 ． 表中数据显示 ， 当无 限大板状体 电阻率与围岩 电 阻 率差 异在 5 ～1 0 0 0倍 之 间时 ， 同 一位 置板状 体 ， 其异常电阻率 比值 低阻板状体 ， 。 lD 。 ／ p ； 高阻 板状体 ， t z 。 lD ／ p 。 与板状体厚度 n的积近似为一 常 数 ． 这一 点与对 称 四极 装 置 电 阻率 测 深 中所存 在 的 s等值 板状体 的纵 向电导 Sa ／ p 保持不变 ， 可观测到相同或相近的视 电阻率测深 曲线 和 等 值 板状体的横向电阻 Ta p 保持不变 ， 可观测到 相同或相近的视电阻率测深曲线 现象是一致的． 此 目 ， 维普资讯 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J ． G e o p h y s ． 时最大探 厚 比 与异常体和 围岩 的 电阻率 之 比 或 之间有 近似 线性 关 系 0 ． 4 l 2 ， 1 6 0 ． 4 2 1 ． 1 7 实际工作 中， 可根据上式大致推算 目标 体的最 大探测距 离 ． 例 如 ， 前方 含水 构造 的 电阻率估 计值 约 为围岩 电阻率的 1 ／ 2 0 ， 根据 1 6 式得最大探厚 比为 8 ， 对 于厚 1 m的含 水构造 ， 最 大探 测距离 约 为 8 m． 表 1 各 种 电性 板 状 体 最 大 探 厚 比 Ta bl e 1 Th e ma xi ma l d e t e c t - t h i c kn e s s r a t i o o f s e v e r a l t ab ul a r b o d i e s t h di ffe r e n t e l e c t r i c pr o p e r t i e s 维普资讯 5期 黄俊革 等 坑道直流 电阻率法超前探测研究 4 坑道 电阻率超前探测研究 式 1 3 是全 空 间无 限大 板状 体 的视 电阻 率理 论 计 算公式 ， 未 考 虑坑道 空腔 的影 响 ． 由于坑 道空 腔 的 作用， 坑道内的超前探测视电阻率取值 、 曲线形态以 及异 常 极 值 的 位 置 与 全 空 间情 况 下 的 结 果 有 所 不 同 ． 4 ． 1 坑道 与 全 空间超前 探测 曲线 比较 为 分 析坑 道 空 腔对 电阻 率超 前 探测 影 响 ， 设 计 了直立低 阻 构造模 型并 采用 有 限单元 法进行 正演 计 算 ． 模 型 中坑 道 围岩 电阻 率 1 0 0 O m， 坑 道 空 腔 电 阻率为 51 0 O m， 直 立低 阻 构造 电阻率 5 O m， 为 围 岩 电阻 率 的 1 ／ 2 0 ； 低 阻构 造 走 向 与坑 道垂 直 ， 厚度 2 m， 距 离 坑道 迎头 面 2 m， 坑 道 顶 部距 离地 面 4 6 0 m， 坑 道截 面为 4 m 3 m的长方 形 ． MN1 m， 最 小 A 1 m． 模 型 示 意 图见 图 4 a ． 图 4 b为坑 道 内单 极 一 单 极 装置 二极 装 置 和单 极一 偶 极 装 置 三 极 装 置 视 电阻率 曲线 ． 图中单极 ． 单极 装 置视 电阻率 曲线 最大 视 电阻率为 1 2 1 ． 6 O m， 位 于最小极 距处 A M 1 m ； 视电阻率极小值位于 A M 1 1 m处 ， 其值为 6 3 1 2 m， 与全空 间板 体视 电阻率 曲线 的 幅值 、 位 置基 本 吻合 ． 单 极． 偶 极装 置 视 电阻率 曲线最 大视 电 阻率 为 1 4 1 ． 6 O m， 位于 最小 极 距 处 A 1 m ， 视 电阻 率 极 小 值 位 于 A 2 0 m处 ， 异常 值 为 5 6 O m， 同样 与 全空 间 板体视电阻率曲线的幅值 、 位置基本吻合 ． 从上述模 型的计算结果来看 ， 坑 道空腔只会影 响极 距较 小 时的 视 电阻 率 幅 值 ， 但 不 会掩 盖 地 质 体 的异常 响应 ， 坑道 中的地质 体视 电阻率 异 常的性 质 、 形态与全空间情况下基本相 同， 无需做进一步校正 ． 4 ． 2 坑道电阻率超前探测极距与异常体距离 的关 系 文献 [ 2 1 ] 提 出， “ 点 电源到异常体的距离 d与 视 电阻率曲线异常极值点对应坐标 之 间存在线 性关 系系数 为 0 ． 8～1 ． 0 ” ． 而在 图 4所 示 的视 电阻率 曲线 中可 以看 到 ， 这 种 线 性 关 系 系 数 要 小 得 多 ． 为 此 ， 设计 了不 同探 测 距 离 、 不 同厚 度 、 不 同异 常 电阻 率之比的直立板 ， 分别在全空间和坑道 中进行计算 ， 围岩 电阻 率 为 1 0 0 O m． 表 2的计 算 结 果 表 明 ， 无 论 二 极装 置还是 三极 装 置 ， 全 空 间还是坑 道 中 ， 点 电源 到异常体 的距 离 d与视 电阻 率 曲线 异 常极 值 点 A M 之 间的确 存 在着 一定 的线 性关 系 ， 大 致有 如 下 规律 1 无 论 在全空 间还是在 坑道 中 ， 视 电阻率极 值 位 置 A 与点 电源 到异 常体 的距 离 d的差 异 都非 常 大 ； 全空 间三 极 装 置 视 电 阻率 异 常 极 值 位 置 A 大 约 为点 电源 到板状 体 中心距 离 Ld 的 5倍 ， 坑 二 道 中三极 装 置视 电阻 率异 常极值 位置 A 大 约 为点 电源到板 状体 中心距 离 的 4倍 ． 线性 关 系 系数 应 为 0 ． 1 ～0 ． 2 5， 即 d 0． 1～0． 2 5 A ． 2 异 常板 状 体 的厚 度 a越 大 ， 视 电阻率 异 常 极 值位 置 A M 与点 电源 到异 常体 中心 的距 离 的 差异 也 越大 ． 3 板状 体 与 围 岩之 间 的 电阻 率 差 异 越 大 ， 视 电阻率异 常 极值位 置 A 与点 电源 到异 常体 中心距 离 的差异 也 越大 ． 线 道 构 吕 a 、 图 4 坑道中无限大板状体 电阻率超前探测数值模拟结果 a 坑道 与板状体 、 测线布设示意图 ； b 坑道二极与三极装 置电阻率测量 曲线 ． Fi g．4 Mo de hn g r e s u l t s o f a d v a n c e d d e t e c t i o n f o r i n fin i t e tab u l a r b o d y i n t u n n e l a D i a g r a m o f t u n n e l ， t a b u l a r b o d y a n d s u r v e y l i n e ； b C u r v e s o f p o l e - p o l e and pol e - d i pol e a r r a y in tu n n e l ； 维普资讯 1 5 3 6 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J ．G e o p h y s ． 4 9 卷 4 二极 装置 异常极 值位 置 只有三 极装 置 的1 1 2 左右 ， 线性 关系 系数 为 0 ． 20 ． 5 ， 即 d 0 ． 20 ． 5 A M． 这 就意 味着 探 测 同样 位 置 的异 常体 ， 采用 二 极 装置 时