巷道掘進(jìn)中電阻率法超前探測原理解析

＊孫保財

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)毛則渠煤炭有限公司 山西 042100）

在巷道挖掘中易存在隱伏現(xiàn)象（溶洞、含水構(gòu)造等），對巷道挖掘工作造成嚴(yán)重安全隱患，使安全事故發(fā)生幾率極大提升。若在巷道挖掘過程中提前知曉前方構(gòu)造性質(zhì)與位置，可有針對性地進(jìn)行防范，對可能存在的安全隱患發(fā)出預(yù)警，提升巷道挖掘作業(yè)安全性，而電阻率法對巷道含水構(gòu)造反映靈敏，可運(yùn)用該方式展開探測，以此保障地下巷道挖掘作業(yè)安全生產(chǎn)。

1.電阻率法超前探測在巷道掘進(jìn)中的技術(shù)原理

（1）施工探測。運(yùn)用電阻率法進(jìn)行巷道超前探測時需借助單極-偶極探測裝置，由電源電極A完成單點(diǎn)供電，而另一電源電極B需放置于“無窮遠(yuǎn)”位置，M、N為探測測量電極。若所探測巷道地質(zhì)為均勻介質(zhì)，則電阻率法可在電源電極A處形成等位面球面，M、N測量電極電位差則等位面球面電位差，若在此球面范圍內(nèi)存在含水構(gòu)造等異常體在，則電阻率發(fā)生變化，此時可通過觀察電阻率了解巷道內(nèi)是否存在異常體，而探測裝置從M、N測量電極中點(diǎn)開始記錄，可通過移動測量電極M、N對巷道進(jìn)行全面探測，由此可見，M、N測量電極可對電阻率法超前探測存在一定影響，選擇M、N測量電極時應(yīng)綜合考慮探測精度與信噪比，盡可能降低M、N測量電極移動間隔。設(shè)定處于“無窮遠(yuǎn)”位置的B電極的距離為BOmin，電源電極AD的距離為AOmax，而BOmin大于5倍AOmax，為了解電阻率法反映的異常體參數(shù)，需借助視電阻率計(jì)算完成進(jìn)一步探測，視電阻率計(jì)算公式為：

式（1）中，4π為電極裝置系數(shù)；ΔUMN為電位差；I為測電流，ρs為視電阻率，根據(jù)視電阻率了解巷道前方導(dǎo)電性變化情況的，繼而確定巷道前方是否存在含水構(gòu)造。運(yùn)用電阻率法展開實(shí)際超前探測施工時，需于巷道底板處布置n個測量電極，巷道首個電極為1#電極A1，承擔(dān)供電任務(wù)，B電極仍處于“無窮遠(yuǎn)”位置，M、N測量電極從2#、3#電極開始移動，直至移動到n-1#、n#電極（n數(shù)值由巷道掘進(jìn)任務(wù)決定），測量電極M、N每次移動，均需測量電極A1到B電極間的電位差，以A1為球心、A1M、A1N為半徑的球面體積則為1組視電阻率值，依次將2#、3#、4#電極設(shè)定為供電A2、A3、A4，并運(yùn)用視電阻率值計(jì)算公式依次可得3組視電阻率值，每個視電阻率值均代表著以供電電極為球心、測量電極M、N為半徑的球體范圍內(nèi)的電性異常體反映[1]。

（2）成圖方式。測量電極M、N在檢測過程中將形成等位面，在逐漸移動中得出2#、3#、4#…n-1#、n#電極的視電阻率值，構(gòu)成多個等位面球面，當(dāng)巷道前方存在電性異常體時球面則發(fā)生變化，根據(jù)幾何聚焦法可知視電阻率值包含巷道前方位置的異常體反映，在測量電極M、N移動過程中獲得異常體電阻率特征，以1#電極為供電電極，4#、5#電極測量所得視電阻率值與3#電極為供電電極，4#、5#電極測量所得視電阻率值均可對電性異常體完成探測反映，此時等位面球面存在兩個球心不同的等位面，由此可知，借助電阻率法探測巷道含水構(gòu)體時可得兩種成圖方式，即①反映后方異常體距離的位置點(diǎn)為橫坐標(biāo)，測量間隔為縱坐標(biāo)，以此展開等值線成圖，同時可得后方異常體分布；②反映前方異常體距離的位置點(diǎn)為橫坐標(biāo)，測量間隔為縱坐標(biāo)，以此展開等值線成圖，同時可得前方異常體分布。

2.基于巷道掘進(jìn)的電阻率法超前探測效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證電阻率法在巷道掘進(jìn)中的超前探測效果，了解兩種成圖方式的反映精準(zhǔn)度，應(yīng)運(yùn)用數(shù)據(jù)模擬的方式展開驗(yàn)證，為更好地進(jìn)行驗(yàn)證，本次構(gòu)建的數(shù)據(jù)模擬模型忽略巖層、煤層的各向異性，設(shè)定巷道內(nèi)結(jié)構(gòu)僅存在圍巖與異常體。

(1)前方異常體數(shù)據(jù)模擬

在本次探測驗(yàn)證模擬中，選定4個巷道異常體極值位置，即A1M、A2M、A3M、A4M，測量后位置均為36m，巷道前方電性異常體與測量點(diǎn)間的距離d為12m，此時距離d與異常體極值位置間的比值約為0.33，可判定數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系系數(shù)為0.33，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化可得d=0.33AM，在現(xiàn)有研究中已確定，若異常體為板狀體，則線性關(guān)系系數(shù)處于0.1～0.25范圍區(qū)間內(nèi)，則證明，板狀體與立方體形態(tài)的異常體與視電阻率極值位置AM間的距離差異較大，僅依靠電阻率法進(jìn)行巷道超前探測無法準(zhǔn)確判斷出前方異常體具體位置[2]。在本次數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，測得巷道內(nèi)視電阻率值均存在0.68%～6.52%的異常幅度，若巷道內(nèi)存在前方異常體，則可導(dǎo)致視電阻率發(fā)生變化，而視電阻率所產(chǎn)生的整體下降或上升則可成為判定是否存在異常體的特征。異常幅度計(jì)算公式為，當(dāng)巷道內(nèi)A1、A2、A3、A4電源電極供電效果最大化時，異常幅度分別為6.48%、3.27%、1.75%、0.95%，而在實(shí)際探測施工中，電阻率存在4%～5%的允許相對均方差,因此在誤差理論指導(dǎo)下，若異常幅度超出12%時，則意味著異常體探測效果精準(zhǔn)，由此可見，在巷道掘進(jìn)中，若僅依靠電阻率法探測含水構(gòu)造等異常體并不可靠，且隨著異常體距離的提升而探測可靠性逐漸降低，無法全面保障巷道掘進(jìn)作業(yè)安全性。

(2)下方異常體數(shù)據(jù)模擬

當(dāng)巷道內(nèi)僅存在下方異常體時，A1、A2、A3、A4電源電極供電時的最大異常幅度分別為16.03%、16.22%、16.38%、16.29%，異常幅度數(shù)值較大，且并未隨A1、A2、A3、A4電源電極的位置變化而產(chǎn)生劇烈波動，在本次下方異常體數(shù)據(jù)模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，前、后方異常體距離巷道底板均存在12m垂直距離，且前方異常體體積較大，約為后方異常體的2.68倍，但在模擬驗(yàn)證中，體積較小的后方異常體異常幅度更為顯著，遠(yuǎn)大于前方異常體異常幅度，由此可知，小體積異常體也可對超前探測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)巷道結(jié)構(gòu)來看，后方異常體所處位置存在低阻特性，與探測電極距離為41～ 58m，而低阻位置隨著A1、A2、A3、A4電源電極的位置變化而偏移，以此可根據(jù)電阻率法所測得的電性異常反映了解前方異常體與后方異常體，但由于有限差分，導(dǎo)致高阻特征取代了低阻區(qū)域原有的低阻特征，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果來看，隨顯示方式存在一定差異，但并不影響數(shù)據(jù)模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度。

(3)前、后方異常體數(shù)據(jù)模擬

在本次探測驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，巷道內(nèi)前方異常體距離探測電極約13～43m，而后方異常體距離探測電極約41～59m，異常體無重合現(xiàn)象，但電阻率法所得前方異常體與視電阻率極值位置AM的距離差異較大，異常幅度相對較低，主要表現(xiàn)為前方異常體電性異常特征不顯著，且視電阻率呈現(xiàn)出整體偏低特征，由此可知，巷道前方存在含水構(gòu)造等異常體，除此之外，后方異常體所呈現(xiàn)出的電性反映與下方異常體的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果類似，由此可得，運(yùn)用電阻率法進(jìn)行巷道超前探測時，可根據(jù)視電阻率數(shù)值變化及異常位置判斷異常體分布，且可以視電阻率數(shù)值偏小或偏大判斷巷道特定方向是否存在異常體，若巷道后方異常體對電性影響程度較小，此時可以異常極值位置為依據(jù)判斷前方異常體所處區(qū)域，但僅在電阻率法應(yīng)用下無法保障探測可靠性。巷道異常體超前探測受到電阻率、大小形狀、位置、煤層、巖層等因素影響，導(dǎo)致異常體探測精準(zhǔn)度低，因此為發(fā)揮出電阻率法的探測優(yōu)勢，可將其與其它超前探測技術(shù)進(jìn)行融合，繼而完成巷道掘進(jìn)中的精準(zhǔn)化超前探測。

3.電阻率法超前探測在巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用實(shí)例

(1)實(shí)例概況

本次選取某礦山作業(yè)實(shí)際案例，其巷道掘進(jìn)過程需穿過斷層區(qū)域，導(dǎo)致巷道內(nèi)煤層出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，根據(jù)案例區(qū)域相鄰約50m的區(qū)域地質(zhì)資料可知，該區(qū)域存在F10斷層發(fā)育規(guī)律，影響范圍較大，存在巖石破碎等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道范圍區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件惡劣，因此對巷道內(nèi)導(dǎo)水性構(gòu)造無法準(zhǔn)確判定，為進(jìn)一步了解超前探測情況，本次瞬變電磁法與電阻率法混合使用，確定巷道內(nèi)異常體具體情況。

(2)實(shí)際探測

在該案例巷道內(nèi)布設(shè)16個測量電極，電極間距為7m，1#電極距迎頭2m，此外該巷道結(jié)構(gòu)內(nèi)41～55m高阻異常區(qū)域，電阻率為35～39Ω·m，另外在75～93m區(qū)域內(nèi)亦存在高阻異常區(qū)域，電阻率為40～55Ω·m。根據(jù)A1、A2、A3、A4電源電極的位置變化可得，高阻異常區(qū)域逐漸向迎頭偏移，而該現(xiàn)象主要由后方異常體導(dǎo)致，其余區(qū)域內(nèi)視電阻率范圍為 1～15Ω·m，數(shù)值偏低，因此可推斷出該區(qū)域前方可能存在斷層含水結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道內(nèi)前方異常體具體位置無法進(jìn)一步精準(zhǔn)確定。此時可運(yùn)用瞬變電磁法進(jìn)行超前探測，借助PROM47瞬變電磁儀器，其收發(fā)距與迎頭距分別為8m、1m。根據(jù)瞬變電磁法與電阻率法超前探測發(fā)現(xiàn)，該巷道內(nèi)18～21m位置處存在的低阻異常區(qū)，視電阻率低于1.5Ω·m，且該位置與巷道底板距離較近，根據(jù)異常體分布圖可推斷，該區(qū)域存在F10斷層含水構(gòu)造。該巷道實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用瞬變電磁法與電阻率法，在兩種技術(shù)混合應(yīng)用下準(zhǔn)確推斷出F10斷層含水構(gòu)造所處位置，即前方18～21m位置處受到F10斷層影響而產(chǎn)生含水異常區(qū)，在后續(xù)鉆探中發(fā)現(xiàn)，巷道實(shí)際情況與超前探測結(jié)構(gòu)相吻合，借助瞬變電磁法彌補(bǔ)了電阻率法探測位置不精準(zhǔn)缺陷，提高了探測效果，為后續(xù)巷道掘進(jìn)作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

4.結(jié)束語

綜上所述，完成巷道挖掘電阻率法超前探測技術(shù)原理解析后，通過數(shù)據(jù)模擬、實(shí)例探討的方式展開分析，運(yùn)用數(shù)據(jù)模擬展開效果驗(yàn)證時，確定電阻率法可探測出巷道內(nèi)存在異常體，但具體存在位置難以確認(rèn)，經(jīng)模擬試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，可通過觀察電阻率變化情況確定含水構(gòu)造異常體，由于電阻率法位置探測精準(zhǔn)度較低，因此為提升巷道挖掘安全性，可將電阻率法與其他探測方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測。