巷道掘進中電阻率法超前探測原理解析

＊孫保財

（山西鄉寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司 山西 042100）

在巷道挖掘中易存在隱伏現象（溶洞、含水構造等），對巷道挖掘工作造成嚴重安全隱患，使安全事故發生幾率極大提升。若在巷道挖掘過程中提前知曉前方構造性質與位置，可有針對性地進行防范，對可能存在的安全隱患發出預警，提升巷道挖掘作業安全性，而電阻率法對巷道含水構造反映靈敏，可運用該方式展開探測，以此保障地下巷道挖掘作業安全生產。

1.電阻率法超前探測在巷道掘進中的技術原理

（1）施工探測。運用電阻率法進行巷道超前探測時需借助單極-偶極探測裝置，由電源電極A完成單點供電，而另一電源電極B需放置于“無窮遠”位置，M、N為探測測量電極。若所探測巷道地質為均勻介質，則電阻率法可在電源電極A處形成等位面球面，M、N測量電極電位差則等位面球面電位差，若在此球面范圍內存在含水構造等異常體在，則電阻率發生變化，此時可通過觀察電阻率了解巷道內是否存在異常體，而探測裝置從M、N測量電極中點開始記錄，可通過移動測量電極M、N對巷道進行全面探測，由此可見，M、N測量電極可對電阻率法超前探測存在一定影響，選擇M、N測量電極時應綜合考慮探測精度與信噪比，盡可能降低M、N測量電極移動間隔。設定處于“無窮遠”位置的B電極的距離為BOmin，電源電極AD的距離為AOmax，而BOmin大于5倍AOmax，為了解電阻率法反映的異常體參數，需借助視電阻率計算完成進一步探測，視電阻率計算公式為：

式（1）中，4π為電極裝置系數；ΔUMN為電位差；I為測電流，ρs為視電阻率，根據視電阻率了解巷道前方導電性變化情況的，繼而確定巷道前方是否存在含水構造。運用電阻率法展開實際超前探測施工時，需于巷道底板處布置n個測量電極，巷道首個電極為1#電極A1，承擔供電任務，B電極仍處于“無窮遠”位置，M、N測量電極從2#、3#電極開始移動，直至移動到n-1#、n#電極（n數值由巷道掘進任務決定），測量電極M、N每次移動，均需測量電極A1到B電極間的電位差，以A1為球心、A1M、A1N為半徑的球面體積則為1組視電阻率值，依次將2#、3#、4#電極設定為供電A2、A3、A4，并運用視電阻率值計算公式依次可得3組視電阻率值，每個視電阻率值均代表著以供電電極為球心、測量電極M、N為半徑的球體范圍內的電性異常體反映[1]。

（2）成圖方式。測量電極M、N在檢測過程中將形成等位面，在逐漸移動中得出2#、3#、4#…n-1#、n#電極的視電阻率值，構成多個等位面球面，當巷道前方存在電性異常體時球面則發生變化，根據幾何聚焦法可知視電阻率值包含巷道前方位置的異常體反映，在測量電極M、N移動過程中獲得異常體電阻率特征，以1#電極為供電電極，4#、5#電極測量所得視電阻率值與3#電極為供電電極，4#、5#電極測量所得視電阻率值均可對電性異常體完成探測反映，此時等位面球面存在兩個球心不同的等位面，由此可知，借助電阻率法探測巷道含水構體時可得兩種成圖方式，即①反映后方異常體距離的位置點為橫坐標，測量間隔為縱坐標，以此展開等值線成圖，同時可得后方異常體分布；②反映前方異常體距離的位置點為橫坐標，測量間隔為縱坐標，以此展開等值線成圖，同時可得前方異常體分布。

2.基于巷道掘進的電阻率法超前探測效果驗證

為驗證電阻率法在巷道掘進中的超前探測效果，了解兩種成圖方式的反映精準度，應運用數據模擬的方式展開驗證，為更好地進行驗證，本次構建的數據模擬模型忽略巖層、煤層的各向異性，設定巷道內結構僅存在圍巖與異常體。

(1)前方異常體數據模擬

在本次探測驗證模擬中，選定4個巷道異常體極值位置，即A1M、A2M、A3M、A4M，測量后位置均為36m，巷道前方電性異常體與測量點間的距離d為12m，此時距離d與異常體極值位置間的比值約為0.33，可判定數據間的線性關系系數為0.33，進一步轉化可得d=0.33AM，在現有研究中已確定，若異常體為板狀體，則線性關系系數處于0.1～0.25范圍區間內，則證明，板狀體與立方體形態的異常體與視電阻率極值位置AM間的距離差異較大，僅依靠電阻率法進行巷道超前探測無法準確判斷出前方異常體具體位置[2]。在本次數據模擬實驗驗證中，測得巷道內視電阻率值均存在0.68%～6.52%的異常幅度，若巷道內存在前方異常體，則可導致視電阻率發生變化，而視電阻率所產生的整體下降或上升則可成為判定是否存在異常體的特征。異常幅度計算公式為，當巷道內A1、A2、A3、A4電源電極供電效果最大化時，異常幅度分別為6.48%、3.27%、1.75%、0.95%，而在實際探測施工中，電阻率存在4%～5%的允許相對均方差,因此在誤差理論指導下，若異常幅度超出12%時，則意味著異常體探測效果精準，由此可見，在巷道掘進中，若僅依靠電阻率法探測含水構造等異常體并不可靠，且隨著異常體距離的提升而探測可靠性逐漸降低，無法全面保障巷道掘進作業安全性。

(2)下方異常體數據模擬

當巷道內僅存在下方異常體時，A1、A2、A3、A4電源電極供電時的最大異常幅度分別為16.03%、16.22%、16.38%、16.29%，異常幅度數值較大，且并未隨A1、A2、A3、A4電源電極的位置變化而產生劇烈波動，在本次下方異常體數據模擬驗證實驗中，前、后方異常體距離巷道底板均存在12m垂直距離，且前方異常體體積較大，約為后方異常體的2.68倍，但在模擬驗證中，體積較小的后方異常體異常幅度更為顯著，遠大于前方異常體異常幅度，由此可知，小體積異常體也可對超前探測結果產生較大影響。根據實驗巷道結構來看，后方異常體所處位置存在低阻特性，與探測電極距離為41～ 58m，而低阻位置隨著A1、A2、A3、A4電源電極的位置變化而偏移，以此可根據電阻率法所測得的電性異常反映了解前方異常體與后方異常體，但由于有限差分，導致高阻特征取代了低阻區域原有的低阻特征，根據驗證結果來看，隨顯示方式存在一定差異，但并不影響數據模擬驗證實驗的精準度。

(3)前、后方異常體數據模擬

在本次探測驗證實驗中，巷道內前方異常體距離探測電極約13～43m，而后方異常體距離探測電極約41～59m，異常體無重合現象，但電阻率法所得前方異常體與視電阻率極值位置AM的距離差異較大，異常幅度相對較低，主要表現為前方異常體電性異常特征不顯著，且視電阻率呈現出整體偏低特征，由此可知，巷道前方存在含水構造等異常體，除此之外，后方異常體所呈現出的電性反映與下方異常體的數據模擬結果類似，由此可得，運用電阻率法進行巷道超前探測時，可根據視電阻率數值變化及異常位置判斷異常體分布，且可以視電阻率數值偏小或偏大判斷巷道特定方向是否存在異常體，若巷道后方異常體對電性影響程度較小，此時可以異常極值位置為依據判斷前方異常體所處區域，但僅在電阻率法應用下無法保障探測可靠性。巷道異常體超前探測受到電阻率、大小形狀、位置、煤層、巖層等因素影響，導致異常體探測精準度低，因此為發揮出電阻率法的探測優勢，可將其與其它超前探測技術進行融合，繼而完成巷道掘進中的精準化超前探測。

3.電阻率法超前探測在巷道掘進中的應用實例

(1)實例概況

本次選取某礦山作業實際案例，其巷道掘進過程需穿過斷層區域，導致巷道內煤層出現斷裂現象，根據案例區域相鄰約50m的區域地質資料可知，該區域存在F10斷層發育規律，影響范圍較大，存在巖石破碎等不良現象，導致巷道范圍區域內地質條件惡劣，因此對巷道內導水性構造無法準確判定，為進一步了解超前探測情況，本次瞬變電磁法與電阻率法混合使用，確定巷道內異常體具體情況。

(2)實際探測

在該案例巷道內布設16個測量電極，電極間距為7m，1#電極距迎頭2m，此外該巷道結構內41～55m高阻異常區域，電阻率為35～39Ω·m，另外在75～93m區域內亦存在高阻異常區域，電阻率為40～55Ω·m。根據A1、A2、A3、A4電源電極的位置變化可得，高阻異常區域逐漸向迎頭偏移，而該現象主要由后方異常體導致，其余區域內視電阻率范圍為 1～15Ω·m，數值偏低，因此可推斷出該區域前方可能存在斷層含水結構，導致巷道內前方異常體具體位置無法進一步精準確定。此時可運用瞬變電磁法進行超前探測，借助PROM47瞬變電磁儀器，其收發距與迎頭距分別為8m、1m。根據瞬變電磁法與電阻率法超前探測發現，該巷道內18～21m位置處存在的低阻異常區，視電阻率低于1.5Ω·m，且該位置與巷道底板距離較近，根據異常體分布圖可推斷，該區域存在F10斷層含水構造。該巷道實驗中運用瞬變電磁法與電阻率法，在兩種技術混合應用下準確推斷出F10斷層含水構造所處位置，即前方18～21m位置處受到F10斷層影響而產生含水異常區，在后續鉆探中發現，巷道實際情況與超前探測結構相吻合，借助瞬變電磁法彌補了電阻率法探測位置不精準缺陷，提高了探測效果，為后續巷道掘進作業奠定基礎。

4.結束語

綜上所述，完成巷道挖掘電阻率法超前探測技術原理解析后，通過數據模擬、實例探討的方式展開分析，運用數據模擬展開效果驗證時，確定電阻率法可探測出巷道內存在異常體，但具體存在位置難以確認，經模擬試驗后發現，可通過觀察電阻率變化情況確定含水構造異常體，由于電阻率法位置探測精準度較低，因此為提升巷道挖掘安全性，可將電阻率法與其他探測方法相結合，實現精準探測。