深部矿井电阻率法超前探测多极偏移处理与应用.pdf

第 3 0卷第 1期 安徽理工大学学报 自然科学版 2 0 1 0年 3月 J o u r n a l o f A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n 0 l 0 g y N a t u r a l S c i e n c e Vo 1 ． 3 0 N0 ． 1 M fi r ． 2 0 1 0 深部矿井电阻率法超前探测多极偏移处理与应用 胡雄武 ， 张平松 安徽理工大学地球与环境学院 ， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要 结合拟地震数据处理思想， 提 出多极叠加观测方式下多极三维偏移处理技术， 利用多 道 电阻 率测深数 据进行 拟地震记 录分析 ， 通过划分 网格单 元在 等位球 面进 行 电阻 率值 叠加 ， 实 现异常电阻率值的空间归位。实际应用表明该处理技术可以从巷道后方观测数据体 中充分提 取工作面前方地质体的电阻率分布特征， 超前预测预报效果显著。 关键词 多道电阻率溯深数据； 多极三维偏移处理； 超前预测预报 中图分类号 P 6 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 0 9 8 2 0 1 0 0 1 0 0 2 1 0 4 M u l t i p o l e Exc ur s i o n Pr o c e s s i ng o f Re s i s t i v i t y Da t a o f Ad v a n c e d De t e c t i o n i n De e p M i n e s a n d I t s App l i c a t i o n HU Xi o n g wu。 ZHANG Pi n g - s o ng sc h o o l o f Ea r t h S c i e n c e a n d En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，An h u i Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Hu a i n a n An h u i 2 3 2 0 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t I mi t a t i n g t h e d a t a p r o c e s s i n g me t h o d o f s e i s mi c wa v e ，mu l t i p o l e 3 D e x c u r s i o n t e c h n i q u e i s pr o p os e d a c c o r d i ng t o t h e m u l t i po l e s t a c k ob s e r v i n g s y s t e m ．Ps e u d o s e i s mi c a p pr o a c h wa s a pp l i e d t o t h e mu l t i p a t h r e s i s t i v i t y s o u n d i n g d a t a ．B y s t a c k i n g r e s i s t i v i t y o n t h e e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e g i r d i n g，a b no r ma l r e s i s t i v i t y i s pu t c o r r e c t l o c a t i o n． App l i c a t i o n r e v e a l e d t h a t t he r e s i s t i v i t y d i s t r i b ut i on a he a d o f t h e t u n n e l i s p r e c i s e l y a b s t r a c t e d f r o m t h e s u r v e y i n g d a t a b a c k o f t h e t u n n e l u s i n g 3 D mi g r a t i o n p r o c e s s i n g ．I t s e f f e c t i s v e r y o b v i o u s ． Ke y wo r dsmu l t i p a t h r e s i s t i v i t y s o u n d i n g d a t a；mu l t i p o l e 3 D e x c u r s i o n；a d v a n c e d d e t e c t i o n a n d f o r e c a s t 深部巷道掘进过程中受地质条件制约， 经常出 现工作面前方涌突水、 塌方等安全事故 ， 给生产带来 严重的人力、 物力和财力损失 因此， 加强巷道掘进 前方富水体预测预报是深部巷道安全、 高效掘进的 一 项重要内容。 目前， 在诸多地球物理勘探技术手段 中， 直流电阻率法对含水异常体反应敏感且施工高 效、 快捷 ， 已成为现阶段巷道掘进前方地质灾害预测 预报的主要技术手段之一， 发挥着重要的作用。 但受现场测试条件及技术方法本身因素影响， 直流电阻率法超前探测技术还存在许多缺陷[ 1 - s ] 全空间点电源场分布受不同地电模型的影响， 其分 布特征也不相同， 球状特征 只适用于均 匀介质情 况 ； 观测系统布置受巷道空间限制， 观测 电极 只能 沿巷道掘进 迎头后方 布置 ， 使得距 离探 测 目标 电性 异常体越来越远； 探测 目标体异常响应微弱且巷道 后方非探测 目标体 包括巷道 内金属体、 水体及巷 道顶底板、 左右两帮地质异常体 干扰强烈， 异常剔 除困难； 数据处理主要依赖于传统的几何作图法及 其近似变种方法， 一维反演模型建立受人为干扰较 大 ， 没有得到推广应用 ； 传统“ 三点 电源法” 限制了 异常响应数据的多次捕获等 ， 部分缺陷受现场施工 条件限制， 难以改变。因此加强后期数据处理是现 阶段提高直流 电阻率法超前探测精度的可行方 向， 本文针对这一问题， 提出深部巷道内多极三维偏移 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 3 基金项 目 国家重点基础研 究发展计划 9 7 3 资助项 目 2 0 0 7 CB 2 0 9 4 0 0 ； 安徽理工大学博士基金资助项 目 作者简介 胡雄武 1 9 8 4 一 ， 男， 安徽绩溪人 ， 在读硕士， 主要从事地球探测与信息技术研 究工作。 ‘ 2 2 安徽理工大学学报 自然科学版 第 3 O卷 处理技术 ， 为提高矿井直流电阻率法超前探测技术 数据处理手段提供新的研究思路 。 1 超前探测技术观测方法 常规直流电法勘探 如高密度电法 因其观测 系统布置存在阵列方式， 且探测方向主要为阵列观 测 电极下方 ， 与 目标异常体较近 ， 目标异常 电性响 应强烈 ， 所以往往能取得较好的探测效果； 直流电 阻率法超前探测与常规直流电法勘探不同， 具有一 定的特殊性 ， 巷道空间较大程度上限制了观测系统 的布置 ， 观测电极是沿巷道掘进头后方布置 ， 而探 测 目标异常体位于掘进迎头前方， 观测电极布置远 离探测 目标方向， 捕捉 目标异常响应难度较大， 因 此寻求最佳观测系统对于提高探测精度具有较大 的意义。 多极叠加立体观测方法， 即在巷道左右帮各布 置一条测线， 为提高异常的响应幅度， 在迎头立面上 布置一定数 目的电极， 并且将供电点电源数从传统 的三点 电源增加到 1 6个点 电源 ， 相对三点 电源法超 前探测来说 ， 增加了较大的优势 距离掘进前方异常 体相对较近 ； 观测测线的布置几乎涉及到整个巷道 空间， 有助于全方位观测， 减小了探测盲区； 巷道空 间较小， 迎头前方异常在两帮观测数据总体趋势上 应该一致， 故通过数据相互校正分析可以限制数据 采集时现场随机性干扰所造成的影响； 随着供电点 数的增加， 迎头前方异常捕捉概率相对提高等。 综上所述 ， 多极叠加立体观测法相对传统三点 电源观测方法优势明显， 但是如何将通过多极叠加 观测法采集得到的数据进行有效的表达成为采用 该观测方法进行超前探测的阻碍 ， 如果分别将单条 测线按传统的几何交汇法进行数据处理， 两条测线 数据处理结果相似 ， 无法获得更多有效的探测信 息， 失去 了采用该方法进行超前探测的意义， 因此 寻求能够较大限度的从观测数据中获取异常信息 的处理手段是关键。 ． 2 多极三维偏 移处理技术 为 充分利用 多极叠加观测法探测数据获取有 效超前探测信息， 结合多年从事地震勘探数据处理 经验， 提出拟地震处理思想 ， 将单个点电源供电所 获得视电阻率曲线视为一个单炮地震记录 ， 多个点 电源供电可获得多个视电阻率曲线 ， 类似于多炮多 道地震波形， 多个观测曲线之间具有重复的观测区 域 ， 相当于地震波共反射点， 地震处理中通过共反 射点叠加处理突出反射点异常， 由于直流电法观测 具有体积效应， 据此原理 ， 将视 电阻率曲线相同观 测区域进行叠加， 异常区域与正常区域 电阻率值将 会发生分异。 但由于直流电法观测为地质体固有属 性 电阻率 ， 是静态值， 而地震波共反射点通常情况 下叠加的是能量， 易受人工激发源能量等的影响， 因此对视电阻率进行偏移叠加后需进行加权平均 ， 才能统计性地获得空间位置点处的视电阻率值L 6 j 。 2 ． 1 技术原理 2 ． 1 ． 1 建立偏移模型均匀介质情况下， 全空间 点电源场的分布具有球状特征， 利用单点电源A供 电， 另一供电电极B置于“ 无穷远” ． 测量电极为M、 N， 点电源 A形成的等位面为球面， 测量 电极 MN 所测 电位差是受 MN 之间球壳体积范 围内电阻率 引起的电位变化梯度 见图 1 ， 记录点为MN中点 O， 0点处所记录的视电阻率值为MN球壳内的真 电阻率的综合效应值 ， 将空间区域网格化 ， 以供电 点A为球心 ， 供电点A与记录点。的距离R为半径 进行球形偏移， 球面所经过的单元格内赋予相同的 视电阻率 值 见图2 ， 因此可建立数学模型如下 ID { A x A ， Y A ， A ， R l D 式中 9 A x A ， Y A ， Z A ， R 为球函数； R a ／ z o--X A 。 o--y A o--y A 。 图 1 均 匀介质中点电源场分布特征示意 图 ，，一 、 ／ ＼ ／o f 1． A p ． }’ ‘} ＼ ／ ＼ ． ／ 图 2 网格单元视 电阻率赋值平面示意图 第 1期 胡雄武 ， 等 深部矿井电阻率法超前探测多极偏移处理与应用 2 3 2 ． 1 ． 2 建立偏移模型坐标 为较为直观的表达探 测 目标 区域， 定义以迎头立面中心点为坐标系原 点， 巷道掘进迎头前方为轴正向， 顶板方向为轴正 向， 左 帮为轴正 向 见图 3 ， 建立笛卡尔空间坐标 系。轴正向为超前探测 目标区域 ， 可将异常体的来 源 巷道后方或巷道前方 较为直观的分开。 图 3 多极偏移巷道模型坐标示意 图 2 ． 1 ． 3 超前探测区域离散化随测量电极向巷道 后方逐点移动观测 ， 单个点电源可以形成以该点电 源为球心的球族； 多个供电点电源便可形成多个不 同球心的球族 ， 不同球心的球之间必有相交 ， 即具 有局部重复的观测区域 ， 并且随着供电点电源逐点 远离巷道迎头 ， 巷道前方由远及近相同观测区域的 重复观测次数逐渐增加 ， 即巷道迎头前方一定距离 内有较多球面经过， 因此将空间区域离散成长方体 单元时 ， 可将巷道前方距离巷道迎头较近处网格单 元体划分较密， 远离巷道迎头处网格单元体划分较 为稀疏 见图 4 。 图 4 超前偏移网格体单元划分示意 图 阻率值 ， 经过多次研究， 将多个视电阻率值视为对 该网格单元体的多次观测样本 ， 样本的期望 即加 权平均值 就是该网格单元体的视 电阻率值， 即 n P j ； 一 l 一0 ， 1 ， 2 ， ⋯ 一 i 1 置 式中 为单元体视电阻率期望值 ； 为单元体内 视电阻率样本值； ∈ O ， 1 为各样本权值 ， 实际 取值主要依据供电测量电极对的空间位置而定。 当 一0时单 元 体 内无实 测视 电阻率 值 ； ≥ 1 单元体内至少有一个视电阻率值。 进面获得整个测 试过程中的电阻率网格数据体 ， 可通过不同方向切 片对应分析巷道前方及周边地质条件变化。 3 工 程实例 淮北杨柳煤矿北翼胶带机运输大巷掘进过程 中， 2 0 0 9 年 4月 3 0日迎头突见小构造 ， 现场在巷道 底板通过钻探探煤 ， 未见预计煤层， 给巷道施工带 来困扰。根据地面三维地震勘探成果资料 ， 向前掘 进将至大侯家断层 ， 其间还可能存在一些小断层和 裂隙发育区。为保证掘进施工安全 ， 需查明前方构 造位置及其富水性， 为巷道设计、 支护及矿井防治 水提供依据 。 ． 本次探测结合运输大巷的实际情况， 现场采用 直流电阻率法超前探测技术 ， 布置时采用多极叠加 观测方法， 力求提高探测精度。 数据采集利用 自行开发的并行电法仪。 电法测 线布置时以B J 4 2点为测线控制点， 共在巷道空 间 内布置 3 条测线， 单条测线施工 电极数为 6 4个 ， 电 极距为 2 ． 5 m， 测线总长为 1 5 7 ． 5 m。 数据处理时以巷道掌子面为零点， 依据 图3建 立空间坐标系 ， 分别确立各电极坐标。直流电法在 异常构造探测中的解释原则为 在煤层或富水性差 的岩体 中电阻率表现为相对高 电阻率值 ， 而砂岩 、 泥岩或相对富水岩层通常表现为相对低视电阻率 值 见图5 ～图6 。 2 ． 1 ． 4 网格单元体视电阻率赋值 网格单元体离 散化后 ， 多组球心族轨迹所经过的单元体赋以相应 图5 多极偏移三维视电阻率成像图 视 电阻率值， 因此部分网格单元体 内具有多个视电 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 5 2 4 安徽理工大学学报 自然科学版 第 3 0卷 ■■隧豳兰 釜L．j l I I L 1 ． 一 豳圈_ 5 O l 0 O 1 50 2 00 2 5 0 3 00 3 5 0 40 0 4 50 5 0 0 55 0 6 0 0 6 5 0 7 00 7 50 图 6 多极偏移处理视 电阻率剖面结果图 结合 已知巷道及钻孔资料分析可知， 在探测当 日迎头前方存在大猴家分支断层， 从图6中可见掌 子面前方存在高低阻值变化区段 ， 其 中 o ～3 0 m 段 岩层 电阻率值相 对较 低，为 泥 岩层 段 特 征 ； 3 0 - - - 7 8 m段岩层电阻率值相对较高， 分析为岩性 变化段或为断层影响带， 其中5 O ～6 0 m 段视 电阻 率值在区域 内表现最高， 认为大猴家分支断层破碎 带 R1 ； 探测迎头前方 1 0 0 m范围总体电阻率值较 高 ， 表明前方总体含水性相对较差。 经后期实际地层揭露，探测 区岩层不含水 ； 由于大猴家分支断层切割下覆煤层，使得下覆煤 层上台，影响现场探测时供 电电流场的分布 ， 造 成 3 O ～8 0 m段受高阻煤层的干扰， 表现为相对高 阻 ； 其中 5 0 6 0 m处为大猴家分支断层破碎带， 岩 层完整性较差， 因此表现为相对较高电阻率值。实 际地层揭露特征与探测结果基本吻合， 表明在多极叠 加观测系统下采用三维偏移处理方法可以有效获取 掌子面前方地质体电阻率的分布特征， 其探测预报结 果为巷道安全高效掘进提供了有效的技术保障。 4 结束语 通过对巷道电阻率法超前探测中多极三维偏移 处理技术的深入研究， 得出几点结论 1 多极三维偏移处理充分考虑了探测区域内 任意位置点处视电阻率为多个重复观测视 电阻率值 样本的加权平均 ， 起到同相位信号加强、 反相位信号 减弱的作用， 可以有效的压制干扰、 突出异常。 2 多极三维偏移处理能够将多条测线数据 联合 ， 从中提取有效的超前探测信息， 测线越多， 数 据量越大， 有效信息越丰富， 探测精度就越高。 3 均匀介质空间中， 稳态电流场呈球状分 布， 实际大地是极为复杂的非均匀空间， 场的分布 不再是呈球状或规律分布 ， 本文提出的多极三维偏 移处理是以均匀空间稳态电流场的球状分布为基 础， 因此多极球状偏移方式存在一定的局限性 。 4 实例证明， 多极三维偏移处理对现场采集 数据量较大时能够起到较好的探测效果， 当现场观 测方式为传统的“ 三 点电源” 法时， 观测数据体较 少， 加权平均效果不佳， 同时未考虑“ 探厚比” ， 探测 精度有限， 因此现场观测数据体较少时多极三维偏 移法受到一定的限制 。 参考文献 [ 1 ] 张平松， 刘盛东， 曹煜． 坑道掘进立体电法超前预报技 术研究口] ． 中国煤炭地质 ， 2 0 0 9 ． 2 1 2 5 0 5 3 ． [ 2 ] 黄俊革， 王家林， 阮百尧． 坑道直流电阻率法超前探测 研究[ J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 0 6 ， 4 9 5 1 5 2 9 1 5 3 8 ． [ 3 ] 黄俊革， 阮百尧 ， 王家林． 坑道直流电阻率法超前探测的 快速反演D] ． 地球物理学报， 2 0 0 7 ， 5 0 2 6 1 9 6 2 4 ． [ 4 3 程久龙。 王玉和． 于师建． 巷遭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 0 6 2 ． [ 5 ] 高致宏， 闰述， 王秀臣， 等． 巷道超前 电法 探测的应 用现状与存在的问题F J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 6 ， 2 5 5 1 2D 一 1 21 ． [ 6 3 吴荣新 ， 刘盛 东， 周官群． 高分辨地 电阻率法探测煤矿 地质异常体口] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 7 ， 3 5 7 3 3 3 8 ． 责任编辑 宋晓梅 ， 范君