直流电阻率法三维超前探测物理模拟

刘 路，孙茂锐

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

电阻率勘探的物理模拟方法以物理现象的相似性为基础[1-3]，主要包括水槽、砂土槽、电阻率网络等方法。根据物理模拟相似性准则，保持现场与室内模拟地电模型在几何尺度上按一定的比例缩小，且保持地电模型的各地层与地质异常体的地电参数数值(如电阻率值)保持不变。物理模型实验与数值模拟方法相比具有不可逆性、经济成本高等缺点，但可以构建更接近于实际复杂地质情况的模型，同时可在实验室尺度下对数值模拟结果进行检验和校核。特别对于复杂地电条件的模拟或新型测量方式的探索，物理模型实验法是不可或缺的手段。现有方法技术在观测系统布置、数据采集、有效信息捕获以及后期数据处理等诸多方面仍存在不足，因此积极开展电阻率法超前探测技术研究具有较强的理论与实践价值[4-6]。

2 三维观测系统

随着科技进步与发展，直流电阻率法超前探测无论是从仪器精度还是从数据处理解释方法都有了较大的提升，人们对探测结果的准确度要求也相应提高，传统的观测系统已无法满足实际探测的需求，故而提出一类实际有效提高探测准确度的超前探测系统。对三维观测系统的坐标系作出约定，以迎头掘进方向为X轴正方向，以面对掌子面方向时巷道左帮方向为Y轴正方向，以巷道顶板方向为Z轴正方向。设立如图1所示三维观测系统，分别在巷道底板与左右帮布置测线。通过三条测线与同一异常的不同空间位置变化引起的数据变化差异来对异常进行空间粗略定位，从而提高解释精度。

3 水槽超前探测实验

水槽实验时，用水模拟均匀围岩，用一定形状与大小的石墨或金属体等模拟良导体(低阻异常体)，用一定形状与大小的玻璃、泡沫、塑料等模拟绝缘体(巷道或高阻异常体)，对于有限电阻率异常，则可用水泥混石墨或金属粉等制作成阻值样块。水槽实验模拟的优点是水本身作为围岩是均匀的，适宜模拟均匀各向同性介质中的低阻或高阻异常。

以水槽为实验平台，构造直流电阻率法超前探测模型，水槽尺寸为2.6 m×0.5 m×0.5 m，自制三维环形电极测线，电极数16×3个，电极距3 cm。

实验数据采集采用WBD网络并行电法仪，发射电压为24 V/48 V/72 V/96 V四级可选，通道数为n×16道(最大64道)。在三维测线前方适当距离与方位分别放置低阻金属圆饼、高阻泡沫薄板与高阻塑料圆桶等异常体，采集方式为AM法(即单点源供电)，恒流时间0.5 s，采样间隔50 ms。异常体尺寸如表1所示。

表1 水槽实验的异常体尺寸 cm

对水槽实验的数据进行提取与处理，对超前探测的数据采用安徽惠洲地下灾害研究设计院配套编写的YDZ软件进行超前探电阻率二维偏移，发现二维成像的效果不明显，各类前方异常均难以准确定位。分析原因为实验尺度下模型尺寸有限，边界影响显著，且“无穷远极”无法真正达到5倍～10倍测线长的现场施工要求，从而受模型边界效应以及测线下方深度效应的影响，超前所得的二维视电阻率切片的阻值分布规律为随超前距离增加阻值逐渐变大，对应到直流电测深的规律为随深度增加阻值逐渐增大，存在前方异常体时虽然在对应位置有一定阻值变化响应，但在整体阻值中并非极值点，隐藏于整体的阻值过渡中，所以很难对其进行准确定位。以低阻圆饼为例(见图2)，低阻圆饼距1号电极约15 cm，与背景值相比，在约15 cm确实有低阻值变化，但阻值并非整体阻值中的显著低值，故而难以对其充分定位；其余异常体的二维偏移切片效果与低阻圆饼类似或者特征更加不明显。

对三维观测系统的三条测线数据用AGI EarthImager 3D软件进行联合反演，采用二维超前成像结合三维成像以消除边界效应的影响。选取典型地电异常(背景、低阻圆饼正前、低阻圆饼左前、高阻薄板、高阻圆桶)的反演成像结果，如图3所示。

由图3(a)可知，经过反演的背景值，除测线首尾段的边界影响继续存在外，其余部分电阻率分布较均一。以上各异常体均位于迎头前方15 cm位置。图3(b)与图3(c)为前方低阻异常的反演结果，边界效应造成的测线首尾段高阻畸变依然存在，当低阻异常位于测线正前方时，异常定位准确，但主要反映在顶面；当低阻异常位于测线左前方时，反演三维图右侧面对应位置基本无反映，顶面与左侧面均有反映。图3(d)与图3(e)为前方高阻异常的反演结果，测线首尾段高阻畸变同样持续存在。泡沫薄板与塑料圆桶本身尺寸相差巨大，但除却边界影响，定位效果均较准确。

4 砂槽超前探测实验

砂槽实验采用的模拟围岩的材料可以为土、砂或二者的混合，相对于水槽模拟的优势在于模拟围岩本身阻值易于改变，通过喷水或烘干的方法，可在一定范围内调节围岩阻值，同时在构筑一些复杂地形条件时，如地形起伏、各向异性介质等，比水槽更易于实现，且砂槽的模拟更接近真实的现场施工环境，更具有实用价值。对于异常体的材质，与水槽模拟类似，可用石墨或金属体等模拟良导体(低阻异常体)，用玻璃、泡沫等模拟绝缘体(巷道或高阻异常体)，用水泥混石墨或金属粉等制作成阻值样块模拟有限电阻率异常[7]。

以砂槽为实验平台，构造直流电阻率法超前探测模型，砂槽尺寸约为2 m×1.3 m×1 m，依然采用自制的三维环形电极测线，数据采集也仍旧采用网络并行电法仪。因砂槽初始阻值较高，不利于有效信号获取，对其均匀喷水与搅拌后进行实验。

在三维测线前方与旁侧适当距离与方位分别放置低阻金属圆饼、高阻泡沫薄板与高阻方盒等异常体，采集方式为AM法(即单点源供电)，恒流时间0.5 s，采样间隔50 ms。异常体尺寸如表2所示。

表2 砂槽实验的异常体尺寸 cm

对砂槽实验的数据进行提取与处理，继续用YDZ软件进行二维超前，发现效果与水槽实验类似，此处不再赘述。对三维观测系统的三条测线的数据进行联合反演，以消除深度效应的影响。选取典型地电异常(背景、低阻圆饼正前、低阻圆饼旁侧、高阻方盒、高阻泡沫)的反演成像结果，如图4所示。

由图4(a)可知，砂槽实验测线首尾段依然存在边界影响，其余部分电阻率分布较均一，但相对于水槽实验，边界影响相对变弱，高阻畸变不强，分析原因为砂槽的宽度与深度均大于水槽，对于同样的测线来说，边界影响也相应减轻。低阻金属圆饼位于迎头前方15 cm，图4(b)为前方低阻异常的反演结果，存在测线首尾段高阻畸变，但相对于前方高阻异常引起的响应已不占主导，异常定位基本准确，顶面与侧面均有反映。高阻纸方盒位于迎头前方10 cm，高阻泡沫薄板位于迎头前方15 cm，图4(c)与图4(d)为前方高阻异常的反演结果，存在测线首尾段高阻畸变，但相对于前方高阻异常引起的响应已不占主导，高阻纸方盒的定位准确，主要反映在顶面；高阻泡沫薄板则引起整个测线范围大规模的高阻响应，定位有一定难度，推测是由于高阻泡沫薄板尺寸相对较大，而砂槽本身阻抗较大，电流相对水槽实验时穿透性较弱，这也与实验测得数据的一次场电流值相吻合。从而大尺寸异常在一定条件下具有一定的屏蔽效应，造成定位不准。图4(e)为同时存在前方与旁侧低阻时的反演结果，定位均准确。

5 结论与展望

论文提出了一种三维超前探测系统，利用水槽与砂槽模拟均匀围岩条件下无巷道影响的超前探测，采用自制三测线三维观测系统，分别研究不同种类与位置的异常体在实验室尺度对直流电法超前探测结果的影响，并进行三维反演，分析各类异常体与超前探测结果的相关关系，验证三维超前探测观测系统及其数据处理手段的可行性。得出如下结论与展望：

1)实验尺度下模型尺寸有限，边界影响显著，“无穷远极”无法达到现场施工要求，受模型边界效应以及测线下方深度效应的影响，超前偏移所得的二维视电阻率切片虽然在异常对应位置有一定响应，但非极值点，难以准确定位。

2)对三维观测系统的三条测线提取二极数据进行联合反演，除却测线首尾段的边界影响，整体上消除了深度影响造成的视电阻率梯度渐变，不论是水槽还是砂槽，均验证了观测系统的有效性。

3)目前只是针对相对理想的条件进行了物理模拟，背景值均考虑为各向同性的均匀介质，对于电阻率的矢量性只简单考虑了其空间分布的不均一性，三维观测系统只能提供推测性的异常空间分布，仍不足以捕捉更细微的差异。

4)用更多更密的测线来组成各类复杂观测系统，提高了探测精度的同时，也大大加剧了现场施工的强度，直流电法的电极施工一直以来都较累赘，施工难度较大，所以开发新的测量跑极方式，最大限度的利用有限电极采集到更多信息，具有推广意义。