激发极化超前探测在祥和隧道地质勘测中的应用

刘振国 于海洋 李相辉

摘要：采用自主研发的激发极化超前预报仪器，对祥和隧道进行地质勘测。通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，为进行超前地质预报提供重要的参考。

关键词：激发极化法；超前探测；地质勘测

1.引言

目前，国内外地质勘探的主要方法为钻探。但是，该种方法无法勘探埋深较大的地层。近年来逐渐兴起的电法勘探具有现场操作简单、绿色环保、勘探深度较高等优点，具有广阔的发展前景。

电法勘探是通过研究和观测电流的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件的。刘盛东等人进行了三维并行电法勘探技术在矿井水害探查中应用的研究，通过多个矿井工作面的探采对比客观地反映了隐伏水源的空间位置[1]；贺检桥进行了电法勘探在湖南煤田勘探中的应用研究，提高了地质填图工作精度，并为地质预算煤炭储量提供了计算依据[2]。

本文自主研发了一种新型电法勘探——激发极化法勘探，并将其应用于祥和隧道地质勘测中。

2.工程概况

广通至大理改建铁路项目祥和隧道位于祥云南至大理东区间，穿越大理市五里坡、马厂箐、荞麦地、小三家村及黑土山顶等村落，于迎风村附近出洞，全长10220米，最大埋深约720米。

隧址区地表上覆第四系全新统堆积层粉质粘土，冲积层粉质粘土，坡残积粉质粘土；下伏基岩为泥盆系下统青山组灰岩、康郎组白云质灰岩、白云岩。

3.激发极化法超前预报原理

激发极化法（Induced Polarization，简称IP）方法是电法勘探的一个重要分支，在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象：在向地下供入稳定电流的情况下，测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，而是随时间而变化，经过一段时间后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在最初的一瞬间很快下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。这种发生在地质介质中因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场的物理化学现象，称为激发极化效应。图1为时间域激发极化现象的示意图。

通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，为进行超前地质预报提供重要的参考。

4.极化法测线布置

本次测量采用自主研发的激发极化超前预报仪器，主要采集了电阻率、半衰时差等参数，激发极化的测量电极布置为：掌子面布置2排测量电极，上下间距1.5m，左右间距1m，每排5个，共计10个。供电电极布置为：边墙布置供电电极环，每环电极4个（A1、A2、A3、A4），共5环，共计20个电极，電极环分别与掌子面距离为0m、2m、10m、20m与30m。

5.激发极化法探测结果

本次探测的激发极化三维成像图如图3与图4所示，其中X方向表示竖直方向，Y方向表示掌子面宽度方向，Z方向表示开挖方向，坐标原点为掌子面中心位置，反演区域为Y（-9m，9m）、X（-11m，11m），掌子面坐标为Y（-4.05m，4.05m）、X（-3.7m，3.7m），图中掌子面洞径范围外部分仅供参考，综合分析如下：

（1） PDK152+630—PDK152+645段落：三维反演图像中掌子面范围掌子面左右两侧电阻率值较低，尤其是掌子面右侧出现低电阻率区域，结合掌子面地质分析，且二电流半衰时之差为正值，推断掌子面左侧及右侧围岩破碎富水，发育导水构造，开挖易出现股状涌水。

（2） PDK152+645—PDK152+660段落：三维反演图像中该段落电阻率相对较低，且二电流半衰时之差为正值，结合地质情况，可推断该段落围岩较破碎，裂隙发育且富水，富水情况较上一段落减弱或变化不大。

综合地质分析与二电流半衰时之差信息，推断探测范围内水量约为1500m3。

6.结论

采用激发极化法对祥和隧道进行地质测量，通过对电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可得出以下结论：

（1）PDK152+630—PDK152+645段落掌子面左侧及右侧围岩破碎富水，开挖易出现股状涌水；

（2）PDK152+645—PDK152+660段落围岩较破碎，裂隙发育且富水。

参考文献：

[1]刘盛东，吴荣新，张平松. 三维并行电法勘探技术与矿井水害探查[J]. 煤炭学报，2009，34（7）：927-932.

[2]贺检桥. 电法勘探在湖南煤田勘探中的应用研究[J]. 中国煤田地质，2001，13（1）：67-70.