基于激電法半衰時探水的可行性研究

王 程

(中煤科工集團 西安研究院有限公司, 西安 710077)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計,在過去的20多年里,我國煤礦水害造成的直接經(jīng)濟損失列煤礦各類事故之首,而且由于水害造成的群死群傷人數(shù)也僅次于瓦斯,列為煤礦“四大災(zāi)害”之一。我國在交通、水利水電和礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域具有很多的超長、特長隧道,很多隧道面臨著復雜的水文地質(zhì)條件,其中突(涌)水、突(涌)泥災(zāi)害是隧道施工中的主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。可見突水災(zāi)害為隧(巷)道等隱秘工程的重大安全隱患,查明隱伏的強富水區(qū)域成為亟需研究和解決的重要工程科技問題。

目前通常采用地面地球物理勘探和水文地質(zhì)勘探的方式查明地下強富水的區(qū)域,當構(gòu)造和水文地質(zhì)條件較為復雜,則需要在隱蔽開挖的地下隧(巷)道中,開展超前水文地質(zhì)預報工程。目前國內(nèi)超前水文地質(zhì)預報工程主要采用的方法有:鉆探、物探和巷探,其中物探方法具有高效快捷、無損探查、成本低廉等優(yōu)勢,在工程和礦產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛地研究和應(yīng)用。物探的方法主要有:地震反射法、瑞雷波法、槽波超前、直流電法、瞬變電磁法等。近年來許多學者針對綜合物探方法聯(lián)合超前探、設(shè)備的抗干擾性和精度提高,數(shù)據(jù)處理與高精度反演方面作出了深入研究,特別是在影響礦井安全生產(chǎn)的含水構(gòu)造探測方面,取得了許多成果:劉青雯[2]提出了三點-三極超前探測方法突出巷道前方的地質(zhì)異常;程久龍[3]等對以直流三極法為基礎(chǔ)的兩點三極電阻率法超前探測數(shù)據(jù)采集與處理方法進行了系統(tǒng)論述;韓德品[4]等提出了基于幾何交匯原理的七電極系超前探測系統(tǒng),探測巷道掘進前方100 m范圍的含水構(gòu)造;黃俊革等[5-6]在直流電法超前探的數(shù)據(jù)處理和反演技術(shù)進行了較為系統(tǒng)的研究,提高了探測精度,但反演結(jié)果只能確定異常體的厚度和電阻率的組合值;于景邨[7]推導出全空間瞬變電磁視電阻率計算公式和視電阻率-深度曲線的數(shù)學模型,開發(fā)了煤礦礦井瞬變電磁法探查含水構(gòu)造。在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)眾多學者開展了礦井瞬變電磁法全空間三維正反演研究,許新剛等[8]對礦井瞬變電磁法電阻率公示等問題進行了討論解決;孫懷鳳等[9]對瞬變電磁法三維正演和探測方式進行了完善;陳丁等[10]對全空間下的瞬變場進行研究;程久龍等[11]對全空間下的瞬變電磁法的反演方法進行了研究;邢修舉等[12]將瞬變電磁法的數(shù)據(jù)進行了三維成像的研究;范濤等[13]將瞬變電磁法工藝與鉆孔相結(jié)合,實現(xiàn)了巷瞬變電磁法。雖然直流電法和瞬變電磁法均能探測含水構(gòu)造和相對富水區(qū)的異?？臻g位置,但是難以預測異常區(qū)的富水量,無法為后期放水工程提供水量依據(jù)。

針對預測水量的難題,筆者基于謝明魁[14]所提出“二次時差”法原理,采用巖樣電化學測試和物理模擬實驗的手段,從電阻率、極化率和半衰時參數(shù)著手,分析不同巖性、孔隙度條件下各參數(shù)變化的規(guī)律,研究基于“二次時差”法的巷(隧)道超前探測在不同含水構(gòu)造下的響應(yīng)特征,探討激電半衰時用于預測水量的可行性。

1 “二次時差”基本原理

激發(fā)極化效應(yīng)(激電效應(yīng))是在外電流場作用下,巖、礦石與周圍的水溶液產(chǎn)生物理-電化學反應(yīng),引起地質(zhì)介質(zhì)中出現(xiàn)電荷分離,產(chǎn)生附加“過電位”的一種物理化學現(xiàn)象。極化體被極化是一個先快后慢的過程,經(jīng)過Ts秒后趨于飽和狀態(tài)。斷電后,ΔU1已不存在,但極化引起的電位差ΔU2(t)先快后慢的逐漸減小,直至消失。如圖 1 所示,ΔU(t)為充電曲線,ΔU2(t)為放電曲線[15]。常用的參數(shù)是視極化率ηs,計算公式為式(1)。

(1)

根據(jù)在含水層中隨激發(fā)電流的增大,衰減時也相應(yīng)增大,非含水層中隨激發(fā)電流的增大基本不變或逐漸減小的原理,在某一極距上按一定的電流制式與時間,先后向地下供入大、小兩種激發(fā)電流,斷電后用穩(wěn)定可靠的儀器將二次電位的放電過程記錄下來,測量大、小兩種電流激發(fā)出來的二次電位,由斷電后的最大值衰減到一半所需要的時間即半衰時的差值,稱二次時差值[16]sc。

sc=std-stx

(2)

式中:std、stx分別為采用大、小電流激發(fā)測得的半衰時[17]。

在同一水文地質(zhì)單元內(nèi),有一個或兩個已知井作參數(shù)時,可根據(jù)含水因素推算其他未知點的單位涌水量[17],在無已知井時,可根據(jù)含水因素即各測點時差正異常面積大小相對比較水量大小,這種探測方法稱二次時差法[18-19]。

2 巖樣電化學測試

目前激電半衰時的研究理論尚不成熟,以往的研究多以物理模擬實驗和工程應(yīng)用主導。筆者采用巖石電化學測試[20]衰減二次場為研究半衰時提供分析資料。

首批巖石樣品50個,以砂巖和灰?guī)r為主,根據(jù)初測結(jié)果選取了13個樣品,根據(jù)孔隙度大小,添加了4組巖樣,17組巖樣孔隙度介于2.9%～22.8%。測試采用主要設(shè)備:智能LCR測量儀 ZL5(01-1796、01-1684),電導率儀 HI4321(A0006314),電子天平 XS205DU(B231179629),檢測環(huán)境溫度 (℃):20℃～23℃,檢測環(huán)境濕度(%RH):25～41。采用8 000 mg/L的NaCl溶液作為飽和溶液,測試以上巖樣在不同飽和度條件下電阻的變化率(圖2),可以看出隨著飽和溶液充填巖石孔隙,電阻逐漸降低。

重點分析電阻率、極化率和半衰時跟孔隙度含水量的關(guān)系(圖3):整體上電阻率與孔隙度含水量為正比線性關(guān)系。當巖石孔隙度含水量<4%時(灰?guī)r),電阻率值較大;當孔隙度含水量介于4%～14%之間時(砂巖),電阻率值介于30 Ω·m ～50 Ω·m;當孔隙度含水量>15%之后(砂巖),電阻率值降低至10 Ω·m左右,并且穩(wěn)定下來,與圖1測試趨勢一致。

圖1 激發(fā)極化現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic diagram of excited polarization phenomenon

圖2 電阻增大率I與含水飽和度Sw關(guān)系圖Fig.2 Relationship between resistivity increment I and water saturation Sw

圖3 電阻率、極化率和半衰時與孔隙度的關(guān)系Fig.3 The relationship between resistivity, polarization and half decline and porosity

極化率和半衰時與孔隙度含水量的關(guān)系并非正比關(guān)系,類似于“正態(tài)曲線”關(guān)系,孔隙度含水量<9%和>15%時,極化率低于20‰,半衰時低于100 ms;當孔隙度含水量介于9%～15%,極化率高于20‰,半衰時高于300 ms,這是區(qū)別電阻率較為明顯的特征,說明極化率和半衰時與孔隙度含水量等關(guān)系不大。

為研究“二次時差”法原理中,最關(guān)鍵的半衰時隨著電流的變化規(guī)律,選取三個具有代表性的孔隙度巖石,供以不同電流大小分析半衰時的變化規(guī)律(圖4)?？紫抖群?20%的巖石半衰時與電流基本成正線性關(guān)系,孔隙度<15%的2塊巖石半衰時隨著電流增加不變或者變化不明顯?？梢酝茰y,在含水層富水性較強的區(qū)域中測試二次時差>0,富水性較弱的區(qū)域則可能≤0。

圖4 電阻率和極化率隨孔隙度變化的關(guān)系Fig.4 The relationship between resistivity and polarization with porosity

3 物理模擬實驗

設(shè)計物理模型為:巷道開挖長度為10 m左右,最大埋深約6 m,掌子面前方約1 m打鉆6個,孔徑為15 cm,水平孔間距為50 cm,垂直孔間距為30 cm,具體模型尺寸如圖5所示,利用6個鉆孔,可模擬實現(xiàn)采空區(qū)、陷落柱和斷層構(gòu)造。

圖5 巷道和鉆孔工程參數(shù)Fig.5 Tunnel and drilling engineering parameters

首先測試的數(shù)據(jù)是在背景場條件下,半衰時隨電流變化的過程見圖6。物理模擬得到,半衰時隨著電流的增加近似于線性增大。

圖6 背景場多電流實驗Fig.6 Background field multi-current experiment

在無承重墻體,無鉆孔,干燥坑道的情況測試背景場,采用直流電法三極裝置,A位于掌子面,掌子面離鉆孔模型1 m遠,AM=2 m,MN=0.5 m,電流大小為144 mA和73 mA。實驗得到大小電流的二次時差和視電阻率對比(圖7),可以看到電流大小對視電阻率值幾乎沒有影響;電流大小對半衰時有影響,得到二次時差在小極距時基本為0,當極距AO>5 m后,二次時差趨勢>0。

圖7 背景場下的參數(shù)特征Fig.7 Parameter characteristics in the background field

將各個鉆孔等量分次注入水,測量不同水量情況下二次時差的規(guī)律,得到曲線震蕩且無規(guī)律。因此為分析二次時差曲線與橫坐標軸的包絡(luò)面積與含水量之間關(guān)系,將不同注水量的二次時差特征值與背景值作比值,獲取二次時差比值隨極距變化的特征(圖8(a))?？梢钥吹綐O距較小時數(shù)據(jù)失真,因此選用極距為2 m以后的數(shù)據(jù),可以看到不同注水量半衰時之差比值曲線相對于y=1的直線包絡(luò)面積有增大趨勢,同樣將y=1之上正幅度與y=1值下負幅度進行累加,來反映不同測線對含水量的響應(yīng)綜合,獲取含水量與幅度之和的關(guān)系(圖8(b))。

圖8 不同注水量的二次時差比值關(guān)系Fig.8 Ratio relationship of quadratic time difference of different water injection volumes

4 結(jié)論

1)通過巖石電化學測試得到:①電阻率與巖石孔隙度含水量基本成正線性相關(guān);②極化率和半衰時與孔隙度含水量的關(guān)系并非正比關(guān)系,類似于“正態(tài)曲線”關(guān)系;③當孔隙度含水量>20%的巖石半衰時與電流基本成正線性關(guān)系,當孔隙度含水量<15%的巖石半衰時隨著電流增加不變或者變化不明顯。

2)通過物理模擬實驗得到:①全空間條件下,半衰時與電流成近似正線性相關(guān);②模擬斷層模型在不同含水量情況,二次時差曲線變化復雜且無規(guī)律,通過二次時差與背景場的比值,分析得到二次時差與橫軸包絡(luò)面積與含水量存在一定線性關(guān)系。

3)二次時差與含水量之間關(guān)系復雜,需具有較多已知條件下方可用于估算水量,離實際應(yīng)用還需進一步研究分析,可作為探水輔助手段。