巷道掘进中电阻率法超前探测原理解析

＊孙保财

（山西乡宁焦煤集团毛则渠煤炭有限公司 山西 042100）

在巷道挖掘中易存在隐伏现象（溶洞、含水构造等），对巷道挖掘工作造成严重安全隐患，使安全事故发生几率极大提升。若在巷道挖掘过程中提前知晓前方构造性质与位置，可有针对性地进行防范，对可能存在的安全隐患发出预警，提升巷道挖掘作业安全性，而电阻率法对巷道含水构造反映灵敏，可运用该方式展开探测，以此保障地下巷道挖掘作业安全生产。

1.电阻率法超前探测在巷道掘进中的技术原理

（1）施工探测。运用电阻率法进行巷道超前探测时需借助单极-偶极探测装置，由电源电极A完成单点供电，而另一电源电极B需放置于“无穷远”位置，M、N为探测测量电极。若所探测巷道地质为均匀介质，则电阻率法可在电源电极A处形成等位面球面，M、N测量电极电位差则等位面球面电位差，若在此球面范围内存在含水构造等异常体在，则电阻率发生变化，此时可通过观察电阻率了解巷道内是否存在异常体，而探测装置从M、N测量电极中点开始记录，可通过移动测量电极M、N对巷道进行全面探测，由此可见，M、N测量电极可对电阻率法超前探测存在一定影响，选择M、N测量电极时应综合考虑探测精度与信噪比，尽可能降低M、N测量电极移动间隔。设定处于“无穷远”位置的B电极的距离为BOmin，电源电极AD的距离为AOmax，而BOmin大于5倍AOmax，为了解电阻率法反映的异常体参数，需借助视电阻率计算完成进一步探测，视电阻率计算公式为：

式（1）中，4π为电极装置系数；ΔUMN为电位差；I为测电流，ρs为视电阻率，根据视电阻率了解巷道前方导电性变化情况的，继而确定巷道前方是否存在含水构造。运用电阻率法展开实际超前探测施工时，需于巷道底板处布置n个测量电极，巷道首个电极为1#电极A1，承担供电任务，B电极仍处于“无穷远”位置，M、N测量电极从2#、3#电极开始移动，直至移动到n-1#、n#电极（n数值由巷道掘进任务决定），测量电极M、N每次移动，均需测量电极A1到B电极间的电位差，以A1为球心、A1M、A1N为半径的球面体积则为1组视电阻率值，依次将2#、3#、4#电极设定为供电A2、A3、A4，并运用视电阻率值计算公式依次可得3组视电阻率值，每个视电阻率值均代表着以供电电极为球心、测量电极M、N为半径的球体范围内的电性异常体反映[1]。

（2）成图方式。测量电极M、N在检测过程中将形成等位面，在逐渐移动中得出2#、3#、4#…n-1#、n#电极的视电阻率值，构成多个等位面球面，当巷道前方存在电性异常体时球面则发生变化，根据几何聚焦法可知视电阻率值包含巷道前方位置的异常体反映，在测量电极M、N移动过程中获得异常体电阻率特征，以1#电极为供电电极，4#、5#电极测量所得视电阻率值与3#电极为供电电极，4#、5#电极测量所得视电阻率值均可对电性异常体完成探测反映，此时等位面球面存在两个球心不同的等位面，由此可知，借助电阻率法探测巷道含水构体时可得两种成图方式，即①反映后方异常体距离的位置点为横坐标，测量间隔为纵坐标，以此展开等值线成图，同时可得后方异常体分布；②反映前方异常体距离的位置点为横坐标，测量间隔为纵坐标，以此展开等值线成图，同时可得前方异常体分布。

2.基于巷道掘进的电阻率法超前探测效果验证

为验证电阻率法在巷道掘进中的超前探测效果，了解两种成图方式的反映精准度，应运用数据模拟的方式展开验证，为更好地进行验证，本次构建的数据模拟模型忽略岩层、煤层的各向异性，设定巷道内结构仅存在围岩与异常体。

(1)前方异常体数据模拟

在本次探测验证模拟中，选定4个巷道异常体极值位置，即A1M、A2M、A3M、A4M，测量后位置均为36m，巷道前方电性异常体与测量点间的距离d为12m，此时距离d与异常体极值位置间的比值约为0.33，可判定数据间的线性关系系数为0.33，进一步转化可得d=0.33AM，在现有研究中已确定，若异常体为板状体，则线性关系系数处于0.1～0.25范围区间内，则证明，板状体与立方体形态的异常体与视电阻率极值位置AM间的距离差异较大，仅依靠电阻率法进行巷道超前探测无法准确判断出前方异常体具体位置[2]。在本次数据模拟实验验证中，测得巷道内视电阻率值均存在0.68%～6.52%的异常幅度，若巷道内存在前方异常体，则可导致视电阻率发生变化，而视电阻率所产生的整体下降或上升则可成为判定是否存在异常体的特征。异常幅度计算公式为，当巷道内A1、A2、A3、A4电源电极供电效果最大化时，异常幅度分别为6.48%、3.27%、1.75%、0.95%，而在实际探测施工中，电阻率存在4%～5%的允许相对均方差,因此在误差理论指导下，若异常幅度超出12%时，则意味着异常体探测效果精准，由此可见，在巷道掘进中，若仅依靠电阻率法探测含水构造等异常体并不可靠，且随着异常体距离的提升而探测可靠性逐渐降低，无法全面保障巷道掘进作业安全性。

(2)下方异常体数据模拟

当巷道内仅存在下方异常体时，A1、A2、A3、A4电源电极供电时的最大异常幅度分别为16.03%、16.22%、16.38%、16.29%，异常幅度数值较大，且并未随A1、A2、A3、A4电源电极的位置变化而产生剧烈波动，在本次下方异常体数据模拟验证实验中，前、后方异常体距离巷道底板均存在12m垂直距离，且前方异常体体积较大，约为后方异常体的2.68倍，但在模拟验证中，体积较小的后方异常体异常幅度更为显著，远大于前方异常体异常幅度，由此可知，小体积异常体也可对超前探测结果产生较大影响。根据实验巷道结构来看，后方异常体所处位置存在低阻特性，与探测电极距离为41～ 58m，而低阻位置随着A1、A2、A3、A4电源电极的位置变化而偏移，以此可根据电阻率法所测得的电性异常反映了解前方异常体与后方异常体，但由于有限差分，导致高阻特征取代了低阻区域原有的低阻特征，根据验证结果来看，随显示方式存在一定差异，但并不影响数据模拟验证实验的精准度。

(3)前、后方异常体数据模拟

在本次探测验证实验中，巷道内前方异常体距离探测电极约13～43m，而后方异常体距离探测电极约41～59m，异常体无重合现象，但电阻率法所得前方异常体与视电阻率极值位置AM的距离差异较大，异常幅度相对较低，主要表现为前方异常体电性异常特征不显著，且视电阻率呈现出整体偏低特征，由此可知，巷道前方存在含水构造等异常体，除此之外，后方异常体所呈现出的电性反映与下方异常体的数据模拟结果类似，由此可得，运用电阻率法进行巷道超前探测时，可根据视电阻率数值变化及异常位置判断异常体分布，且可以视电阻率数值偏小或偏大判断巷道特定方向是否存在异常体，若巷道后方异常体对电性影响程度较小，此时可以异常极值位置为依据判断前方异常体所处区域，但仅在电阻率法应用下无法保障探测可靠性。巷道异常体超前探测受到电阻率、大小形状、位置、煤层、岩层等因素影响，导致异常体探测精准度低，因此为发挥出电阻率法的探测优势，可将其与其它超前探测技术进行融合，继而完成巷道掘进中的精准化超前探测。

3.电阻率法超前探测在巷道掘进中的应用实例

(1)实例概况

本次选取某矿山作业实际案例，其巷道掘进过程需穿过断层区域，导致巷道内煤层出现断裂现象，根据案例区域相邻约50m的区域地质资料可知，该区域存在F10断层发育规律，影响范围较大，存在岩石破碎等不良现象，导致巷道范围区域内地质条件恶劣，因此对巷道内导水性构造无法准确判定，为进一步了解超前探测情况，本次瞬变电磁法与电阻率法混合使用，确定巷道内异常体具体情况。

(2)实际探测

在该案例巷道内布设16个测量电极，电极间距为7m，1#电极距迎头2m，此外该巷道结构内41～55m高阻异常区域，电阻率为35～39Ω·m，另外在75～93m区域内亦存在高阻异常区域，电阻率为40～55Ω·m。根据A1、A2、A3、A4电源电极的位置变化可得，高阻异常区域逐渐向迎头偏移，而该现象主要由后方异常体导致，其余区域内视电阻率范围为 1～15Ω·m，数值偏低，因此可推断出该区域前方可能存在断层含水结构，导致巷道内前方异常体具体位置无法进一步精准确定。此时可运用瞬变电磁法进行超前探测，借助PROM47瞬变电磁仪器，其收发距与迎头距分别为8m、1m。根据瞬变电磁法与电阻率法超前探测发现，该巷道内18～21m位置处存在的低阻异常区，视电阻率低于1.5Ω·m，且该位置与巷道底板距离较近，根据异常体分布图可推断，该区域存在F10断层含水构造。该巷道实验中运用瞬变电磁法与电阻率法，在两种技术混合应用下准确推断出F10断层含水构造所处位置，即前方18～21m位置处受到F10断层影响而产生含水异常区，在后续钻探中发现，巷道实际情况与超前探测结构相吻合，借助瞬变电磁法弥补了电阻率法探测位置不精准缺陷，提高了探测效果，为后续巷道掘进作业奠定基础。

4.结束语

综上所述，完成巷道挖掘电阻率法超前探测技术原理解析后，通过数据模拟、实例探讨的方式展开分析，运用数据模拟展开效果验证时，确定电阻率法可探测出巷道内存在异常体，但具体存在位置难以确认，经模拟试验后发现，可通过观察电阻率变化情况确定含水构造异常体，由于电阻率法位置探测精准度较低，因此为提升巷道挖掘安全性，可将电阻率法与其他探测方法相结合，实现精准探测。