直流电阻率三极超前探测的有效性

罗国平

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

直流电阻率三极超前探测的有效性

罗国平

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

大量实例表明，在煤矿井下直流电阻率三极超前探测虽然被广泛应用于迎头前方地质异常体的探测，但探测效果并不理想。通过简单的全空间低电阻率球状电性体进行解析式三极超前探测正演计算，以及对地面积水体进行三极超前探测，其解释结果与实际相差较远。根据理论分析，迎头前方存在低阻球体时三极超前探测的视电阻率曲线随探测距离增加呈单调下降趋势，仅能表现出低阻体的存在，但不能真实反映出低阻球体的位置。地面积水坑的探测结果表明，受MN电极接地电阻的影响，与积水坑对应位置并没有出现低阻异常。在山西某地，三极超前探测数据与仪器配套的软件处理解释后获得的二处异常，经钻孔验证均为误判，而钻孔揭露的含水采空区在成果图上却无异常迹像。建议在改善MN接地电阻、改变数据采集方式或增强异常数据处理等方面加强研究，以提高三极超前探测有效性。

直流电法；三极超前探测；低阻地质体

0 引言

水害是影响煤矿安全生产的一个重要因素，传统的水害预测是在地面利用物探方法获得电阻率、极化率等参数在空间的变化特征，推断地下含水地质体的赋存形态。近几年，水害预测的物探方法从地面发展到井下，通过多方法、多参数、多方位综合解释隐伏的含水地质体，取得了一定的成果。但随着其在各煤矿区推广应用，发现物探方法的应用存在较多的问题，其解释结果的准确性不很理想。国内早有学者提出使用直流电阻率法进行煤矿井下超前探测，李学军[1]提出使用定点源梯度法（直流电阻率法）进行煤矿井下超前探测，测量装置见图1，它在掘进巷道迎头布置供电极A，离巷道迎头较远的地方布置供电无穷远极B，沿已掘巷道等间隔布置测量电极MN间的电位差，通过研究视电阻率沿巷道的形态特征，推断解释巷道迎头前方电性异常体（地质体）位置。

2000年程久龙等[2]介绍了单极—偶极直流电阻率法装置在巷道掘进中进行超前探测的原理，提出了几何作图法确定电性异常体位置，测量装置与定点源梯度法相似。2001年刘青雯[3]在上述基础上提出了三点三极超前探测法（图2），它在李学军定点源装置的基础上增加了供电电极，分别对3个等间隔电极A1B、A2B、A3B供电（三点），沿已掘巷道等间隔布置MN电极测量视电阻率，得到3组不同的视电阻率曲线，提高解释的准确度。

图1 定点源梯度法测量示意图Figure 1 A schematic diagram of fixed point source gradient method prospecting

图2 三点三极超前探测示意图Figure 2 A schematic diagram of tri-point trielectrode advanced prospecting

后续研究人员对该方法提出了改进，提出了四点供电三极测量，甚至七点供电三极测量的装置，并将方法简称为三极超前探测法（三极直流电阻率超前探测法）。三极超前探测方法提出的同时，相关单位根据三极超前探测方法，研发了适用于煤矿井下工作的超前探测仪器，如中煤科工集团西安研究院有限公司研制的YD32(A)高分辨电法仪、YDZ(A)直流电法仪，北京华安奥特研制的YDJ256系列矿用轻便电法探测仪、HA－R200隧道电法超前探仪。各种仪器都配套专用的数据处理软件，处理成果一般都会采用图3展示。图中低值表示视电阻率相对低，推断前方可能有含水地质体；高值表示视电阻率相对高，推断前方可能有其它高阻地质异常体。

几年来，收集到100来个使用某电法探测仪在煤矿巷道迎头超前探测的实例，根据其配套软件处理成果图基本是图3所示的高值、低值相间分布，其验证准确率较低。分析认为主要原因有3个，一是MN接地电阻的影响；二是测量得到的视电阻率曲线无法识别巷道迎头前方低阻体（电性异常体）的具体位置[4]；三是与仪器配套的数据软件本身不成熟，导致结果的错误。前两种情况不同的研究者给出了相应的结论，下面主要探讨数据处理中可能存在的问题。

图3 某电法仪超前探测电阻率平面图Figure 3 Resistivity plan from advanced prospecting through an electrical instrument

图4 全空间点源电流场中的球体Figure 4 A spheroid in whole space point source current field

1 全空间存在球状电性异常体的处理成果

点电源A位于半径r0、电阻率ρ2的球体外（图4）的电流场分布可以说是电法勘探的经典问题，位于球体外一点M的电位解析式如下：

式中ρ1、ρ2为围岩、球体的电阻率，d为点电源A与球心O的距离，r为电位电极到球心O的距离，R为AM间距离，θ为AO与MO的夹角，Pn（cosθ）是勒让德多项式。

利用上式计算全空间AMN位于同一直线（已掘巷道）上时M、N两点电位差UMN，模拟巷道迎头前方有低阻球体的超前探测。

图5(a)的球体半径为20 m，电阻率5 Ω·m，模拟了体积为33510 m3的地下水，A1电极距球心30 m，距球体10 m，围岩电阻率300 Ω·m，电极距5 m，从1～23编号。图5(b)是1、2、3号电极分别供电（A1、A2、A3）、后续2～23、3～23、4～23测量（MN）得到的3条视电阻率曲线，坐标横轴为超前探测距离X，3个不同点供电的超前探测距离按AiMN-(i-1)×5计算。A1供电的视电阻率曲线在X=92.5 m时有一个极小值，但从曲线本身看不出，A2、A3供电的视电阻率曲线单调下降，可定性解释低阻球体的存在，但不能解释低阻球体的方位，3条曲线更没有能力解释前方导电球体的位置。图5(c)是该电法仪配套软件处理得到的视电阻率图，10～50 m间低阻球体位于视电阻率由高到低的变化区段，80 m、90 m、100 m等3处有视电阻率的极值异常，其中90 m处的极大值幅度宽。

图5 三点三极超前探测低阻球体模拟计算Figure 5 Tri-point trielectrode advanced prospecting conductive spheroid simulation

从视电阻率曲线和视电阻率图分析，三点三极超前探测法解释不了排列正前方30 m处体积33510 m3的低阻球体。

2 地面积水体的探测分析

为了进一步探讨三极超前探测的效果，在华北平原某地选择了如图6(a)所示的近似矩形积水坑，试验场所地面平坦，150 m以内的浅部地层稳定，电阻率变化小。矩形积水坑长约51 m、宽约28 m、水深2～3 m，沿积水坑长轴延长线方向布置间距5 m的电极23根，第24号电极为无穷远极、离水坑700m。图6(b)是1号电极（A1）离积水坑10 m的3条视电阻率曲线，视电阻率曲线随超前探测距离变化没有明显的规律特征，视电阻率曲线的变化基本是MN接地电阻变化的反应，超前探测距离10～61 m的水坑位置没有对应的视电阻率低异常。图6(c)上图该电法仪配套软件处理得到的视电阻率图。该图在水坑位置处并没有明显的视电阻率低出现。将三极超前探测排列沿原有排列向东南偏移20 m，A1电极离水坑30 m进行了新的数据采集，处理得到的视电阻率图见图6(c)下图，与图6(c)上图对应的超前预测地段视电阻大小和变化规律不一致，10～61 m的水坑位置没有对应的视电阻率低异常。

上述地面积水坑超前试验成果表明，三极超前探测不能发现前方10 m(或30 m)的积水体。

图6 地面积水坑的三极超前探测Figure 6 Surface ponded water body trielectrode advanced prospecting

3 实际探测效果

矿区位于吕梁山南端，山高沟深，黄土冲沟发育，地形复杂，属中低山区。井田主要开采山西组中部的2#煤层。煤层顶、底板岩性多为泥岩或粉砂岩，煤层厚度5～8 m，平均6.5 m，含夹矸0～5层，结构较简单，厚度变化不大，属全区稳定可采煤层。K8砂岩为2#煤层直接充水含水层，岩性为灰白色、灰绿色、黄绿色厚层状石英长石砂岩，多为钙质胶结，裂隙稍发育，钻进消耗量在1.00 m3/h以下，一般在0.2～0.5 m3/h，单位涌水量在0.000 2～0.047 L/（s· m），水质SO4·HCO3-K+Na，为弱富水性裂隙含水层。2#煤层存在老窑采空区，多位于2#煤层上部。采空区积水是本区影响煤层开采的主要水害。在该矿区，巷道每掘进100 m就采用矿井瞬变电磁法和直流电阻率三极超前探测法进行超前探测，探测距离100 m，根据物探探测成果开展井下钻探验证。

图7是某型矿用轻便电法探测仪超前探测成果图，在迎头前方52～64 m、70～76 m处均存在低电阻率异常区，且52～64 m处的异常明显；最大探测距离为78.5 m，往前没有低阻异常显示的趋势。钻探验证这2处并不存在地质异常，但在前方94 m处钻遇含水采空区。

通过对各矿区三极超前探测解释成果的准确性调查，发现解释的地质异常准确率较低，没有解释地质异常的地段验证率也不高。

图7 山西某地三极超前探测视电阻率平面图Figure 7 Trielectrode advanced prospecting apparent resistivity plan of a Shanxi place

4 结论与展望

直流电阻率三极超前探测法在煤矿井下超前探测已经得到了广泛的运用，但探测效果并不是很好。从简单的全空间低电阻率球状电性体模拟结果看，视电阻率曲线随探测距离单调下降，现有商业化软件处理得到的成果解释不了球状导电体的存在。地面积水坑的物理模拟数据表明视电阻率受测量电极MN接地电阻影响大，处理成果预测不了积水坑的存在。这是三极超前探测验证率低的部分原因。

建议三极超前探测在井下的应用，应以改善MN接地电阻、改变数据采集方式或增强异常的数据处理技术来提高探测成果的可靠性，更好地为煤矿安全开采提供保障。

参考文件：

[1]李学军.煤矿井下定点源梯度法超前探测试验研究，煤田地质与勘探，1992，20（4）.

[2]程久龙，王玉和，于师建，等.巷道掘进中电阻率法超前探测原理与应用[J].煤田地质与勘探，2000，28（4）.

[3]刘青雯.井下电法超前探测方法及其应用[J].煤田地质与勘探，2001，29（5）.

[4]强建科，阮百尧，周俊杰，等.矿巷道直流三极法超前探测的可行性[J].地球物理学进展，2011，26（1）.

[5]刘斌，李术才，李树忱，等.隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究[J].岩土力学，2009，30（10）.

[6]韩德品，赵谱，李丹.矿井物探技术应用现状与发展展望[J].地球物理学进展，2009，24（5）.

[7]刘志新，岳建华，刘仰光.矿井物探技术在突水预测中的应用[J].工程地球物理学报，2007，4（1）.

[8]傅良魁.电法勘探教程[M].北京：地质出版社，1983.

Effectiveness of DC Resistivity Trielectrode Advanced Prospecting

Luo Guoping
(Geophysical Prospecting Research Institute,CNACG,Zhuozhou,Hebei 072750)

The massive examples have shown that although the coalmine underground DC resistivity trielectrode advanced prospecting is widely applied in head-on geologic anomalous body detection,but the effect is not idealistic.Through simple whole space low resis⁃tivity spherical electric body has carried out analytic trielectrode advanced prospecting forward computation,and trielectrode advanced prospecting for surface ponded water body.But the interpreted results are far from practices.Based on theoretical analysis,when headon low resistivity spheroid is existed,the trielectrode advanced prospecting apparent resistivity curves will present monotonous falling trend along with the increasing of prospecting distance.It can only exhibit the existence of low resistivity body,but cannot reflect its po⁃sition truly.The prospected result of surface ponded water body has shown that impacted by MN electrode earth resistance,no conduc⁃tive anomaly presented corresponding to ponded water body situation.In a Shanxi place,two anomalies from the interpretation of pros⁃pected data after processed by software matched with instrument are all misinterpreted through drilling validation.While the drilling re⁃vealed water–bearing gob area has no abnormal image on result drawings.So,it is suggested that researches should be strengthened through MN earth resistance improving,data acquisition mode changing or abnormal data processing enhancing to improve effective⁃ness of trielectrode advanced prospecting.

DC electric method;trielectrode advanced prospecting;conductive geologic body

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.15

1674-1803(2017)03-0072-04

罗国平（1969—），男，江西高安人，高级工程师，1990年长春地质学院本科毕业，1993年中南工业大学硕士研究生毕业，从事物探工作，研究方向为煤矿水害预测。

2017-02-14

责任编辑：孙常长