煤矿巷道直流三极法超前探测的可行性.pdf

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第 2 6卷 第 1期 2 0 1 1 年 2 月 页码 3 2 0 ~3 2 6 地球物理学进展 PROGRESS I N GEOPH YSI CS Vo 1 . 26,No. 1 Fe b . 2 O 1 1 强 建 科, 叵 囹, 周 俊杰, 等 煤 矿巷 道直 流三 极 法超 前探 测的 可行 性 . 地球 物理 学进 展, 2 0 1 1 , 2 6 1 3 2 0 ~3 2 6 , D O I 1 0 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 4 2 9 0 3 . 2 0 1 1 . 0 1 . 0 3 8 . Qi a n g J K,Ru a n B Y,Zh o u J J ,e t a 1 .Th e f e a s i b i l i t y o f a d v a n c e d d e t e c t i o n u s i n g DC t h r e e e l e c t r o d e me t h o d i n c o a l mi n e t u n n e 1 . Pr o gr e s s i n Ge o p h y s . i n C h i n e s e ,2 0 1 1 ,2 6 1 3 2 0 3 2 6 , DOI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 4 2 9 0 3 . 2 0 1 1 . 0 1 . 0 3 8 . 煤矿巷道直流三极 法超前探测的可行性 强 建 科 , 匠 , 周 俊 杰 , 王 海 青 。 1 .中南大学信息物理工程学 院 长沙 4 1 0 0 8 3 ; 2 .桂林 理工大学资源与环境系 桂林 5 4 1 0 0 4 3 . 安徽省勘查技术院 , 蚌埠 2 3 3 0 0 0 摘要全 空间巷道超前探 测由于受到 掌子 面前方及上 下左右岩 土介质 的影响异常要 复杂许 多, 应 用直流 电阻率法 进行 超前探 测也会 遇到同样的问题 . 本文从理论计算和三维数值模拟两个方 面分析 了直流 电阻率三极测深 法超前探 测的能力 , 结果表 明 在理想情况下 , 当掌子 面前方存在一定规模的低 阻体 时只能 引起巷道底板 上三极测 深视 电 阻率 曲线单调下降 , 且影响很 小, 仅凭几条这样的曲线还 无法判 断低 阻体 的空间位置. 因此, 目前在煤矿 巷道广 泛使 用的 三极超前探测方法前景令人担忧. 关键词巷道超前探测 , 三极 测深法, 直流 电阻率法 , 可行性 D 0 I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 4 2 9 0 3 . 2 0 1 1 . 0 1 . 0 3 8 中图分类号P 6 3 1 文献标识码 A Th e f e a s i b i l i t y o f a d v a n c e d d e t e c t i o n u s i n g DC t hr e e e l e c t r o d e m e t h o d i n c o a l - m i n e t u n ne l Q I A N G J i a n - k e 1 ,叵 亚亟 ,Z H O U J u n - j i e l * ,W A N G H a l q i n g 。 1 .S c h o o l o f I n f o P h y s i c s a n d Ge o m a t i c s E n g i n e e r i n g, C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y, C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3, C h i n a; 2 .De p a r t me n t o f Re s o u r c e s E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g, Gu i l i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y, Gu i l i n 5 4 1 0 0 4 ,C h i n a 3 .Ge o l o g i c a l E x p l o r a t i o n T e c h n o l o g i e s I n s t i t u t e o f An h u i P r o v i n c e , B e n g b u 2 3 3 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t The a n oma l y o f wh ol e s pa c e a dv a nc e d d e t e c t i on i s e xt r a or di na r i l y c o m p l i c a t e d und e r t he i m p a c t o f ge o me d i u m i n f r o n t o f t u n n e l f a c e a n d a r o u n d t h e t u n n e 1 .Th i s p r o b l e m c a n a l s o b e e n c o u n t e r e d wh e n u s i n g DC r e s i s t i v i t y me t h o d . Th e a b i l i t y o f a d v a n c e d d e t e c t i o n u s i n g DC t h r e e e l e c t r o d e me t h o d i s a n a l y z e d b y t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d t h r e e d i me n s i o n n u me r i c a l s i mu l a t i o n .Th e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e r e s p o n s e o f DC t h r e e e l e c t r o d e m e t h o d u n d e r t h e i de a l c o ndi t i on c a n r e f l e c t t h e l o w r e s i s t i vi t y b o dy i n f r o nt of t he t un ne l f a c e . I t me a ns t h e a p pa r e nt r e s i s t i v i t y c ur ve d e c r e a s e s mo n o t o n i c a l l y .Ho we v e r ,t h e s p a t i a l p o s i t i o n o f t h e l o w r e s i s t i v i t y c a n n o t b e j u d g e d o n l y b y t h e s e c u r v e s . Th e r e f o r e .t h e t h r e e e l e c t r o d e a d v a n c e d d e t e c t i o n me t h o d wh i c h i s wi d e l y u s e d i n c o a 1 m i n e t u n n e 1 d o e s n o t h a v e a go o d ou t l o o k. Ke y wo r d s a d v an c e d de t e c t i on i n t un ne 1 ,t hr e e e l e c t r od e s o und i n g,DC r e s i s t i vi t y me t h od,t he f e a s i bi l i t y 收稿 日期 基金项 目 作者简 介 2 0 1 0 0 6 2 3 ; 修回 日期 2 0 1 0 0 9 2 2 . 国家 自然科 学基金项 目 4 0 9 7 4 0 7 6 , 4 0 7 7 4 0 5 7 、 桂林工学 院广 西地质工程 中心重 点实验室开放基 金项 目 0 7 1 0 9 0 1 1 一 K0 1 部探测技术与实验研究专项项 目 2 0 1 0 1 1 0 4 7 0 4 联合资助. 强建科 , 男 , 副教授 , 主要从 事地球物理电磁法正 、 反演研究. E - ma i l q i a n g j i a n k e 1 6 3 . c o rn *通讯 作者周俊杰 , 男 , 山西忻州人 , 现为中南 大学硕士研究生 , 从事地球物理电磁法研究. E ma i l z j j s 1 9 5 1 6 3 . c o rn 1期 强建科 , 等. 煤矿巷道直流三极法超前探测 的可行性 0 引 言 巷道超前 预报一般 指侧帮超前探测和掘进 面 也 叫掌子面 超前探测两个概念 , 但通常指掘进 面 的超前探测. 点电源法在地面电法勘探中常用到, 尤 其是高密度电阻率 三极测深法、 固定点电源测深法 应用 较多 . 固定 点 源 测 深 法 或 称 单 极 梯 度 法 F i x e d P o i n t S o u r c e S o u n d i n g 是苏联学者 B . A. 柯 马罗夫 等人_ 1 在 6 0年代提出一种 , 曾一度在苏联布里亚特 多金属矿床及乌兹别克斯坦矿床普查 中应 用过 , 取 得良好 的地质效果. 这种方法与常规三极测深法的 主要区别在于工作中将供电电极 A 电源正极 固定 不动 , 而移动 MN测量电极. 另一个供 电电极 B 电 源负极 置于无穷远. 由于测量 电极是在供 电电极的 两边移动 , 故其全称为固定点源双边三极测深法. 罗 延钟 从 1 9 9 1 年开始 , 在国外地质勘探技术上发表 文章 , 阐述 了点源测深法 的原理和应用 ; 李 金铭 、 陈 本池、 魏文博等。。 。 在“ 固定点 源测深法定量解 释研 究” 中, 重点讨论了球体 、 板状体及组合板状体上的 理论计算和物理模拟视极化率测深曲线的定量解释 效果 ; 强建科等 ] 2 0 0 1 年研究 了三维地 电条件下固 定点源测深法 的数值模拟问题 , 对点 电源在地表 的 电阻率 、 极化率异常有一些新的认识. 国内有些学者把直流电阻率三极测深法引入地 下 巷道 超前 探测 已有 十多 年 的历 史 了E 1 9 , e o 3 , 据说 实 际应用都是“ 效果 不错” . 冯玉静等 在煤 矿巷道 中 应用点电源梯度法进行超前探测 , 文 中提到取得 了 较好 的效果 ; 刘青雯等_ 7 在文章中提到 , 利用直流三 点一 三极 法 可 以探 测 大 巷 掘 进 迎 头 前 方 8 O ~ 1 0 0 m 以内的地质异常体 , 并给出焦作、 告成煤矿作直流三 极梯度测量的探测结果 , 说明该方法效果“ 很好” . 李 玉宝、 程久龙 、 吴荣新 等_ 8 叩提 出单极一偶 极 电阻 率法测量原理 同三极测深法 , 并根据点 电源方程 推导了理论计算公式 , 证 明直流三极测深 法可 以在 点 电 源一 侧 探 测 到 另 一 侧 的 异 常存 在. 黄 俊 革 等[ 1 9 ] 通过数值模拟 和理论计算表 明, 三极法 在巷道超前探测中是可行 的, 但探测深度非常有限. 由上所述 , 好像得出必然结论就是 用巷道直流 三极测深法进行巷道超前探测从理论到实践都是正 确 的, 但仔细分析后情况并不乐观. 由于应用环境的 变化 , 本来在地面即半空间使用的直流三极测深法 的探测 目标是在点 电源下方一定范 围内讨论 的, 而 在全空间, 超前探测 目标在点电源的一侧 , 观测点总 是在背离点 电源和异常体方 向移动 , 电场呈非线性 单调下降, 无论如何也不可能产生一个突变的异常. 另外 , 异常体能够引起点电源的等电位发生变化 , 但 影响的范 围随距离迅速衰减 , 超前探测的观测点上 电位恰好是距离最远、 受影响最小 、 影响结果不会出 现 突变 , 即“ H” 型 曲线 . 1 理论和定 性分析 假设在全空间有两种介 质, 电阻率分别为 ID 1 0 0 f l m 和 lD 2 一1 0 f l m, 令 l D 1 lD 2 , 如果在介质 10 1中 放一点电源 A, 电流强度为 , 以 A点为坐标原点建 立 轴 , z轴垂直 界面向右, 点 电源 A距 离两种介 质界面距离为 见图 1 . 根据“ 镜像法” 原理容易求 出介质 lD 和 l 0 中任意一点的电位为 一 /O 1 丢 ] , ㈩ 一 丢 一 , 一A M z AN , .生 I 当 s M 一 AM 2 AN 2 . 毕,㈤ 或者用公式 P A左 1 ] , A点和O点都在 l0 中, 且都在左侧 5 畦 [ 一 A O 2 ] , A点和 0点都在 lD 中, 且都在右侧 6 一 , A点 1 0 中, O点在 P 2 . 7 当观测点 MI 和 M 位 于 X轴上 时, 我们可 以 按固定点 电源法 或常规三极法 计算 x轴上 的视 电阻率曲线 , 左侧曲线反映巷道实际观测结果 , 右侧 曲线反映掌子面前方异常体 的分 布情况 仅供理论 研究 , 实 际 中测 不 到 . 图 2展示 了点 电源 A分别在均匀介质 和非均 匀介质 中电位沿 X 的分布情况 , 结果 由公式 1 和 2 计算得到. 可以看出在均匀介质中电位是对称分 布的, 但存在两种介质时, 靠近低 电阻率一侧电位幅 值较低. 图 3是三极法 沿 x 轴得到的理论视 电阻率 曲 线 , 结果由公式 5 、 6 和 7 计算得到. 可以看出均 匀介质 中视 电阻率 曲线为 一条 直线 , 视 电 阻率为 1 0 0 f l m; 在非均匀介质 中, 视 电阻率 曲线受到两种 介质界面的严重影响 点电源左侧视电阻率随远离 地球物理学进展 O .O1 A 1 X MI , l l pl i 0 0Qm | l | ∞ 澈M1 % | l 誊 警誊 O 1 0 Q m p i O 0 Q n 图 1 地质模型示意图 a 模型 1 ; b 模型 2 . F i g . 1 Th e g e o l o g i c a l mo d e l s k e t c h ma p 一4 0 , 2 0 0 2 O m 图 2 全空 间理论计算 的点 电源 电位 F i g . 2 W h o l e - s p a c e t h e o r e t i c a l p o t e n t i a l g e ne r a t e d by po i nt s o ur c e A点的距离而缓慢下降 , 右侧视电阻率随远离 A点 距离迅速下降并趋近于稳定值 1 8 . 2 1 m, 由于点 电 源 A和观测点 M2 分布在界面两侧 ] , 因此 , 视 电 阻率为定值 2 p P 2 / 10 lD , 而不会趋近于 P 2 . 其实 , 在图 3中我们最关心的是 A点左侧视电 阻率曲线. 显然 , 这条视电阻率 曲线确实受到右侧低 阻异常体的强烈影响 , 且呈现单调下 降, 其原 因有 二 一是点 电源距离低阻介质界面太近 ; 二是低 阻介 质界面为无限大, 这 就意味着点电源上下方一定范 围内总受到异常体影响 , 但实际生产中很少有这种 情况 . 上述计算表明, 点电源 A的左侧视电阻率 曲线 对于无限大的地质界 面有异常反映, 但视 电阻率 曲 线为一条近似线性 、 单调下降的曲线 , 依靠这种曲线 唇 。 一4 0 . 2 0 0 2 0 X/ m 图 3全空间三极 法理论视 电阻率 Fi g .3 W h 01 e s p a c e t he o r e t i c a l a p pa r e n t r e s i s t i v i t y o f t h r e e e l e c t r o d e me t h o d 无法判断掌子面前方低阻界 面的具体位 置. 对 于其 他较为复杂的模型 巷道 、 三维地质体 而言, 很难用 解析解求得 , 必须依靠数值模拟方法计算. 2 数值模拟结果 求取复杂地质模型的物理 响应 , 一般采用数值 模拟的方法. 本文用稳定电流场三维有 限单元法模 拟程序[ 1 , 通过总 电位法和异常电位法模拟三维 巷道掌子面前方的低阻异常体 , 进而计算巷道底板 上 三极法 的视 电阻 率特征 . 首先检验正演模拟程序 的正确性. 假设在全空 间中存在两种物质 10 一1 0 0 Q m, lD 。 一1 0 Q m , 如果 给定一个点电源 , 就可以求 出空间任意一点的电位 和电阻率 见公式 1 --4 . 用全空间三维正演程序计 1期 强建科 , 等. 煤矿巷道直流三极法超前探测 的可行性 算 上述模 型 图 1 所 示 , 得 到 X 轴 上 三极法 的视 电 阻率曲线 图 3中曲线 4 , 数值模拟结果与解析计 算结果基本重合 , 说明全空 间三维正演模拟程序正 确 , 由此得出的结论也是可靠 的. 2 . 1 全 空 间存在 有 限大小 低 阻体 时视 电 阻 率分 布 特 征 为了使问题简化, 忽略巷道影响, 认为巷道电阻率 与围岩一样. 假定均匀全空间 电阻率 』D 为 1 0 0 Qm 中有一个低阻异常体 , 大小为 1 0 m1 4 m4 m, 电 阻率 lD 为 1 0 Qm, 在距离该异常体 3 m处放置一个 点电源 A, 测线与 x轴重合并穿过点 电源 A和异常 体中心 见 图 1 b . 以下采用总 电位和异常电位两 种模拟方法讨论. 在野外实测 中, 总电位是常用测量参数 , 进而换 1 O 0 算为视电阻率. 但是总 电位法不管是实测还是数值 模拟结果 , 小极距时测量误差都 比较大. 图 4展示了 全空 间点 电源 双边 三极 测深 视 电阻 率 曲线 , 图 4 a 为由总电位计算 的视 电阻率曲线 , 曲线 1的地质模 型为均匀全空间 , 三极测深 曲线除靠近点电源附近 两个极距误差较大外 , 其他数值 近似为 1 0 0 f 2 m, 这 表明数值模拟结果正确. 曲线 2的地质模型 为点 电 源 A的右侧增加一个有限大小三维低阻体 , 在点 电 源右侧 , 测量极距经过低阻体时视 电阻率急剧下降 , 幅值为 1 0 Q m左右 , 而在点电源左侧, 视 电阻率值 虽然受到右侧低阻体影响有所变小 , 但变化差异很 小 , 不 足 以识别 . 图 4 b 为 相 同地 质 模 型 下 由异 常 电位计算的视电阻率曲线 , 它消除了点 电源的影响 , 但视电阻率 曲线特征与图 4 a 相同. 1 0 O .3 O 一 2 O . 1 0 0 1 0 2 0 X / m 1 O O 图 4 不考虑空腔巷道时三维数值模拟 的视 电阻率 a 总电位法模 拟 ; b 异 常电位法模拟 . F i g . 4 Ap p a r e n t r e s i s t i v i t y o f 3 - D n u me r i c a l s i mu l a t i o n wi t h o u t c a v i t y e f f e c t 1 O O X/ m X/ m 图 5 考虑空腔巷道时 三维 数值 模拟的视电阻率 a 总 电位法模拟 ; b 异常 电位法模拟. Fi g . 5 Ap p a r e n t r e s i s t i v i t y o f 3 - D n u me r i c a l s i mu l a t i o n wi t h c a v i t y e f f e c t 3 2 4 地球物理学进展 2 6 卷 2 . 2 全 空 间存 在巷 道 空腔 和有 限大 小 低 阻体 时 视 电 阻率分布 特征 前面的计算是模拟理想情况下的结果 , 实际上空 腔巷道的影响不容忽视口 . 在用有限单元法进行数 值模拟时, 所有内部边界都属于 自然边界而不用额外 考虑 , 因此, 在全空间中, 把空腔巷道做为一个异常高 阻体 如 1 0 如 Q m 是可行的, 地质模型见图 1 b . 图 5 给出了同时存在巷道和低阻体时点电源双边三极视 电阻率测深曲线 , 图 5 a 是用总电位法模拟的巷道底 板上的三极测深视 电阻率曲线 , 可以看出, 曲线 1是 _ - m 坑道 N M 十1 “ ● d r 0 l 0 Q m P 1 i 0 0 Q r l _p 2 0 a 曼 q 全空间只存在空腔巷道时得出的视电阻率, 在点电源 左侧, 由于受到空腔巷道的影响视电阻率介于 1 0 0 2 0 0 Q m, 小极距时接近于半空间, 而大极距时则接近 于全空间. 点电源右侧曲线与围岩 电阻率一致. 曲线 2模拟了巷道掌子面前方有一个低阻体的情况 , 由于 受到低阻体的影响, 点电源左侧曲线略有下降, 但无 法判别是否由低阻体引起的. 在点电源右侧 , 测量电 极经过低阻体时视电阻率急剧下降并接近于 1 0 O ,m. 图 5 b 是用异常电位法模拟的巷道底板上的三极测 深曲线 , 其结论与图 5 a 一致. 1 0 0 0 1 O O 一3 O . 2 O . 1 O O 1 O 2 O m 图 6 考虑空腔巷道和无 限大低 阻体 时三维数值模拟的视 电阻率 a 模 型 3 ; b 异常电位法模拟. Fi g . 6 Ap p a r e n t r e s i s t i v i t y o f 3 - D n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t a k i n g t h e c a v i t y a n d i n f i n i t e c on du c t a nc e i n t o a c c ou nt 1 O 0 】 O .3 0 . 2 0 1 0 0 1 O 2 0 X/ m 图 7 考虑空腔巷道和低阻倾 斜板状体时三维数值模 拟的视电阻率 a 模型 4 ; b 异 常电位法模拟. F i g . 7 Ap p a r e n t r e s i s t i v i t y o f 3 - D n u me r i c a l s i mu l a t i o n t a k i n g t h e c a v i t y a n d i n f i ni t e i nc l i ne d c o ndu c t i ve pl a t e i nt o a c c o un t 1期 强建科 , 等. 煤矿巷道直流三极法超前探测 的可行 性 2 . 3无限大 低 阻平 面 直 立 和倾 斜 两 种 三极 法 的 探 测效 果 下面考虑一种极 限情况, 假设掌子面前方存在 一 个低阻厚板 4 m、 长和宽都无限大 , 介质电阻率 p 2 为 1 0 Q m, 围岩电阻率 l D 为 1 0 0 Qm, 如 图 6 a 所 示. 采用异常电位法模 拟计算的结果见 图 6 b , 可 以看出, 曲线 1为只有巷道时的双边三极测深视电 阻率曲线 , 主要做对比用. 曲线 2为同时存在巷道和 无限大低阻平面时的视电阻率 , 点电源 A左侧视电 阻率明显受到右边低 阻平 面的影响而缓慢下 降, 但 仅凭这条曲线 , 我们无法判断掌子面前方是否有低 阻体 , 也不能确定具体位置. 图 7 a 是 一 种 较 为 复 杂 的模 型 倾 斜 无 限 长 、 宽低阻斜板 , 板厚 4 m, 电阻率 ID 为 1 0 Q m, 位于掌 子面以后 3 m处 ; 围岩 电阻率 』D 为 1 0 0 Q m; 点电源 A置于距离掌子面 3 m处 , 测线沿底板与 x轴重合 并穿过点 电源 A和异常体 中心. 图 7 b 是采用异常电位法模拟计算的结果 , 曲 线 1为只有巷道时的双边三极测深视 电阻率 曲线 , 主要做对 比用. 曲线 2为同时存在巷道和倾斜无 限 大低阻平面时的视电阻率 , 点 电源 A左侧视 电阻率 明显受到右边低阻体 的影 响而快速下降, 与图 6 b 中曲线 2比较 , 低阻板状体影响明显一些, 但原因要 归功于倾斜 的板状体延伸到点 电源下方所致. 因此 仅凭这种曲线 , 也无法判断掌子面前方是否有低阻 体 , 且不能确定其具体位置. 2 . 4可行 性分 析 通过三维数值模拟计算表明 , 掌子面前方的无 限大低阻平面和有限大小低阻体都能引起巷道底板 上三极测深视电阻率曲线幅值单调减小 , 但有限地 质体产生的异常要小得多, 而且 由此得 出的视电阻 率 曲线无法识别掌子面前方低阻体 的具体位置. 因 此 , 巷 道三 极测深 超前 预报 前 景不容 乐 观. 3 结 论 1 理论计算表明, 全空间存在两种垂直界面的 物质时, 在高阻一侧获得的三极测深视 电阻率曲线 受到另一侧低阻体 的影响较小 , 且呈近似线性 、 单调 下降的一条曲线. 三维数值模拟结果与理论计算结 果 完全 一致 . 2 巷道 空腔 对三极测深视 电阻率曲线有很 大影响 当极距 远小于巷道宽 度时, 近似半 空 间状 态 , 由于三极法合成视电阻率时仍然按全空间公式 计算 , 所以其计算值为围岩电阻率的两倍 ; 当极距较 大时 , 视电阻率值接近围岩电阻率. 3 当掌子面前方存在一定规模的低阻体 时只 能引起巷道底板上 三极测 深视 电阻率 曲线单调下 降, 且影响很小 , 仅凭几条这样 的曲线还无法判断低 阻体的空间位置. 综 上 所 述 , 在 巷道 中用 三极 测 深 法 进 行超 前 预 报前景并不乐观, 人为夸大它的有效探测能力是非 常有害的. 参考文 献 R e f e r e n c e s E 1 ] 科马罗夫 B. 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