直流電阻率法三維超前探測物理模擬

劉 路，孫茂銳

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

電阻率勘探的物理模擬方法以物理現(xiàn)象的相似性為基礎(chǔ)[1-3]，主要包括水槽、砂土槽、電阻率網(wǎng)絡(luò)等方法。根據(jù)物理模擬相似性準(zhǔn)則，保持現(xiàn)場與室內(nèi)模擬地電模型在幾何尺度上按一定的比例縮小，且保持地電模型的各地層與地質(zhì)異常體的地電參數(shù)數(shù)值(如電阻率值)保持不變。物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法相比具有不可逆性、經(jīng)濟(jì)成本高等缺點(diǎn)，但可以構(gòu)建更接近于實(shí)際復(fù)雜地質(zhì)情況的模型，同時(shí)可在實(shí)驗(yàn)室尺度下對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和校核。特別對于復(fù)雜地電條件的模擬或新型測量方式的探索，物理模型實(shí)驗(yàn)法是不可或缺的手段?，F(xiàn)有方法技術(shù)在觀測系統(tǒng)布置、數(shù)據(jù)采集、有效信息捕獲以及后期數(shù)據(jù)處理等諸多方面仍存在不足，因此積極開展電阻率法超前探測技術(shù)研究具有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐價(jià)值[4-6]。

2 三維觀測系統(tǒng)

隨著科技進(jìn)步與發(fā)展，直流電阻率法超前探測無論是從儀器精度還是從數(shù)據(jù)處理解釋方法都有了較大的提升，人們對探測結(jié)果的準(zhǔn)確度要求也相應(yīng)提高，傳統(tǒng)的觀測系統(tǒng)已無法滿足實(shí)際探測的需求，故而提出一類實(shí)際有效提高探測準(zhǔn)確度的超前探測系統(tǒng)。對三維觀測系統(tǒng)的坐標(biāo)系作出約定，以迎頭掘進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，以面對掌子面方向時(shí)巷道左幫方向?yàn)閅軸正方向，以巷道頂板方向?yàn)閆軸正方向。設(shè)立如圖1所示三維觀測系統(tǒng)，分別在巷道底板與左右?guī)筒贾脺y線。通過三條測線與同一異常的不同空間位置變化引起的數(shù)據(jù)變化差異來對異常進(jìn)行空間粗略定位，從而提高解釋精度。

3 水槽超前探測實(shí)驗(yàn)

水槽實(shí)驗(yàn)時(shí)，用水模擬均勻圍巖，用一定形狀與大小的石墨或金屬體等模擬良導(dǎo)體(低阻異常體)，用一定形狀與大小的玻璃、泡沫、塑料等模擬絕緣體(巷道或高阻異常體)，對于有限電阻率異常，則可用水泥混石墨或金屬粉等制作成阻值樣塊。水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M的優(yōu)點(diǎn)是水本身作為圍巖是均勻的，適宜模擬均勻各向同性介質(zhì)中的低阻或高阻異常。

以水槽為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)造直流電阻率法超前探測模型，水槽尺寸為2.6 m×0.5 m×0.5 m，自制三維環(huán)形電極測線，電極數(shù)16×3個(gè)，電極距3 cm。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用WBD網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，發(fā)射電壓為24 V/48 V/72 V/96 V四級可選，通道數(shù)為n×16道(最大64道)。在三維測線前方適當(dāng)距離與方位分別放置低阻金屬圓餅、高阻泡沫薄板與高阻塑料圓桶等異常體，采集方式為AM法(即單點(diǎn)源供電)，恒流時(shí)間0.5 s，采樣間隔50 ms。異常體尺寸如表1所示。

表1 水槽實(shí)驗(yàn)的異常體尺寸 cm

對水槽實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與處理，對超前探測的數(shù)據(jù)采用安徽惠洲地下災(zāi)害研究設(shè)計(jì)院配套編寫的YDZ軟件進(jìn)行超前探電阻率二維偏移，發(fā)現(xiàn)二維成像的效果不明顯，各類前方異常均難以準(zhǔn)確定位。分析原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)尺度下模型尺寸有限，邊界影響顯著，且“無窮遠(yuǎn)極”無法真正達(dá)到5倍～10倍測線長的現(xiàn)場施工要求，從而受模型邊界效應(yīng)以及測線下方深度效應(yīng)的影響，超前所得的二維視電阻率切片的阻值分布規(guī)律為隨超前距離增加阻值逐漸變大，對應(yīng)到直流電測深的規(guī)律為隨深度增加阻值逐漸增大，存在前方異常體時(shí)雖然在對應(yīng)位置有一定阻值變化響應(yīng)，但在整體阻值中并非極值點(diǎn)，隱藏于整體的阻值過渡中，所以很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確定位。以低阻圓餅為例(見圖2)，低阻圓餅距1號(hào)電極約15 cm，與背景值相比，在約15 cm確實(shí)有低阻值變化，但阻值并非整體阻值中的顯著低值，故而難以對其充分定位；其余異常體的二維偏移切片效果與低阻圓餅類似或者特征更加不明顯。

對三維觀測系統(tǒng)的三條測線數(shù)據(jù)用AGI EarthImager 3D軟件進(jìn)行聯(lián)合反演，采用二維超前成像結(jié)合三維成像以消除邊界效應(yīng)的影響。選取典型地電異常(背景、低阻圓餅正前、低阻圓餅左前、高阻薄板、高阻圓桶)的反演成像結(jié)果，如圖3所示。

由圖3(a)可知，經(jīng)過反演的背景值，除測線首尾段的邊界影響繼續(xù)存在外，其余部分電阻率分布較均一。以上各異常體均位于迎頭前方15 cm位置。圖3(b)與圖3(c)為前方低阻異常的反演結(jié)果，邊界效應(yīng)造成的測線首尾段高阻畸變依然存在，當(dāng)?shù)妥璁惓Ｎ挥跍y線正前方時(shí)，異常定位準(zhǔn)確，但主要反映在頂面；當(dāng)?shù)妥璁惓Ｎ挥跍y線左前方時(shí)，反演三維圖右側(cè)面對應(yīng)位置基本無反映，頂面與左側(cè)面均有反映。圖3(d)與圖3(e)為前方高阻異常的反演結(jié)果，測線首尾段高阻畸變同樣持續(xù)存在。泡沫薄板與塑料圓桶本身尺寸相差巨大，但除卻邊界影響，定位效果均較準(zhǔn)確。

4 砂槽超前探測實(shí)驗(yàn)

砂槽實(shí)驗(yàn)采用的模擬圍巖的材料可以為土、砂或二者的混合，相對于水槽模擬的優(yōu)勢在于模擬圍巖本身阻值易于改變，通過噴水或烘干的方法，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)圍巖阻值，同時(shí)在構(gòu)筑一些復(fù)雜地形條件時(shí)，如地形起伏、各向異性介質(zhì)等，比水槽更易于實(shí)現(xiàn)，且砂槽的模擬更接近真實(shí)的現(xiàn)場施工環(huán)境，更具有實(shí)用價(jià)值。對于異常體的材質(zhì)，與水槽模擬類似，可用石墨或金屬體等模擬良導(dǎo)體(低阻異常體)，用玻璃、泡沫等模擬絕緣體(巷道或高阻異常體)，用水泥混石墨或金屬粉等制作成阻值樣塊模擬有限電阻率異常[7]。

以砂槽為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)造直流電阻率法超前探測模型，砂槽尺寸約為2 m×1.3 m×1 m，依然采用自制的三維環(huán)形電極測線，數(shù)據(jù)采集也仍舊采用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀。因砂槽初始阻值較高，不利于有效信號(hào)獲取，對其均勻噴水與攪拌后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在三維測線前方與旁側(cè)適當(dāng)距離與方位分別放置低阻金屬圓餅、高阻泡沫薄板與高阻方盒等異常體，采集方式為AM法(即單點(diǎn)源供電)，恒流時(shí)間0.5 s，采樣間隔50 ms。異常體尺寸如表2所示。

表2 砂槽實(shí)驗(yàn)的異常體尺寸 cm

對砂槽實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與處理，繼續(xù)用YDZ軟件進(jìn)行二維超前，發(fā)現(xiàn)效果與水槽實(shí)驗(yàn)類似，此處不再贅述。對三維觀測系統(tǒng)的三條測線的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，以消除深度效應(yīng)的影響。選取典型地電異常(背景、低阻圓餅正前、低阻圓餅旁側(cè)、高阻方盒、高阻泡沫)的反演成像結(jié)果，如圖4所示。

由圖4(a)可知，砂槽實(shí)驗(yàn)測線首尾段依然存在邊界影響，其余部分電阻率分布較均一，但相對于水槽實(shí)驗(yàn)，邊界影響相對變?nèi)?，高阻畸變不?qiáng)，分析原因?yàn)樯安鄣膶挾扰c深度均大于水槽，對于同樣的測線來說，邊界影響也相應(yīng)減輕。低阻金屬圓餅位于迎頭前方15 cm，圖4(b)為前方低阻異常的反演結(jié)果，存在測線首尾段高阻畸變，但相對于前方高阻異常引起的響應(yīng)已不占主導(dǎo)，異常定位基本準(zhǔn)確，頂面與側(cè)面均有反映。高阻紙方盒位于迎頭前方10 cm，高阻泡沫薄板位于迎頭前方15 cm，圖4(c)與圖4(d)為前方高阻異常的反演結(jié)果，存在測線首尾段高阻畸變，但相對于前方高阻異常引起的響應(yīng)已不占主導(dǎo)，高阻紙方盒的定位準(zhǔn)確，主要反映在頂面；高阻泡沫薄板則引起整個(gè)測線范圍大規(guī)模的高阻響應(yīng)，定位有一定難度，推測是由于高阻泡沫薄板尺寸相對較大，而砂槽本身阻抗較大，電流相對水槽實(shí)驗(yàn)時(shí)穿透性較弱，這也與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的一次場電流值相吻合。從而大尺寸異常在一定條件下具有一定的屏蔽效應(yīng)，造成定位不準(zhǔn)。圖4(e)為同時(shí)存在前方與旁側(cè)低阻時(shí)的反演結(jié)果，定位均準(zhǔn)確。

5 結(jié)論與展望

論文提出了一種三維超前探測系統(tǒng)，利用水槽與砂槽模擬均勻圍巖條件下無巷道影響的超前探測，采用自制三測線三維觀測系統(tǒng)，分別研究不同種類與位置的異常體在實(shí)驗(yàn)室尺度對直流電法超前探測結(jié)果的影響，并進(jìn)行三維反演，分析各類異常體與超前探測結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證三維超前探測觀測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理手段的可行性。得出如下結(jié)論與展望：

1)實(shí)驗(yàn)尺度下模型尺寸有限，邊界影響顯著，“無窮遠(yuǎn)極”無法達(dá)到現(xiàn)場施工要求，受模型邊界效應(yīng)以及測線下方深度效應(yīng)的影響，超前偏移所得的二維視電阻率切片雖然在異常對應(yīng)位置有一定響應(yīng)，但非極值點(diǎn)，難以準(zhǔn)確定位。

2)對三維觀測系統(tǒng)的三條測線提取二極數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，除卻測線首尾段的邊界影響，整體上消除了深度影響造成的視電阻率梯度漸變，不論是水槽還是砂槽，均驗(yàn)證了觀測系統(tǒng)的有效性。

3)目前只是針對相對理想的條件進(jìn)行了物理模擬，背景值均考慮為各向同性的均勻介質(zhì)，對于電阻率的矢量性只簡單考慮了其空間分布的不均一性，三維觀測系統(tǒng)只能提供推測性的異?？臻g分布，仍不足以捕捉更細(xì)微的差異。

4)用更多更密的測線來組成各類復(fù)雜觀測系統(tǒng)，提高了探測精度的同時(shí)，也大大加劇了現(xiàn)場施工的強(qiáng)度，直流電法的電極施工一直以來都較累贅，施工難度較大，所以開發(fā)新的測量跑極方式，最大限度的利用有限電極采集到更多信息，具有推廣意義。