直流電阻率法三維超前探測異常體位置數(shù)值模擬

劉 路, 劉盛東, 孫茂銳

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，合肥 230088；2.中國礦業(yè)大學(xué)，徐州 221008)

0 引言

直流電阻率法[1-3]超前探測受人工施工或金屬干擾少，探測時不易受交變電磁場的干擾優(yōu)勢，其對低阻異常反應(yīng)靈敏、分辨率高，在探測含水采空區(qū)、含水?dāng)鄬印⒏凰畮r層及溶巖陷落柱等，對生產(chǎn)建設(shè)危害性極大的水文地質(zhì)構(gòu)造有廣泛應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較為顯著的成效，但是該方法存在較大的爭議，其探測機(jī)制也尚未完善[4-5]。通過超前預(yù)測預(yù)報，能夠及時、全面地了解掘進(jìn)前方工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，進(jìn)而合理地安排掘進(jìn)計劃，有效采取預(yù)防措施，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同時提高掘進(jìn)效率，降低生產(chǎn)成本。現(xiàn)有方法技術(shù)，在觀測系統(tǒng)布置、數(shù)據(jù)采集、有效信息捕獲以及后期數(shù)據(jù)處理等諸多方面仍存在不足，因此積極開展電阻率法超前探測技術(shù)研究具有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐價值[6-9]。

1 三維觀測系統(tǒng)

對三維觀測系統(tǒng)的坐標(biāo)系作出約定，以迎頭掘進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，以面對掌子面方向時巷道左幫方向?yàn)閅軸正方向，以巷道頂板方向?yàn)閆軸正方向。設(shè)立如圖1所示三維觀測系統(tǒng)，分別在巷道底板與左右?guī)筒贾脺y線。通過三條測線與同一異常的不同空間位置變化引起的數(shù)據(jù)變化差異來對異常進(jìn)行空間粗略定位，從而提高解釋精度。

2 AGI正演模擬

AGI EarthImager 3D[10]，是地球物理電法類科研與實(shí)踐中很常用的三維電阻率法和激發(fā)極化法正反演軟件。

圖1 三維超前探測觀測系統(tǒng)Fig.1 3D advanced prediction observation system

圖2 裝置類型的正演模型圖(圍巖電阻率100 Ω·m)Fig.2 Forward model figure of device type (surrounding rock resistivity 100Ω·m)(a)均勻介質(zhì)；(b)低阻板狀體；(c)高阻板狀體

表1 裝置類型的正演模型參數(shù)

2.1 裝置類型

采用直流電阻率法超前探測可用的二極裝置與三極裝置，其中二極裝置根據(jù)無窮遠(yuǎn)電極的位置(即B、N在迎頭前方或后方)分為二極B正與二極B負(fù)兩組，三極裝置選取了最常用的單偶極跑極方式，并分為單偶極一倍極距與單偶極兩倍極距兩組。對以上四類裝置型式進(jìn)行AGI正演模擬，保持圍巖性質(zhì)不變，分別模擬在均質(zhì)全空間、低阻板狀體、高阻板狀體這幾類影響因素下的結(jié)果，測線為單條，有32個電極，電極距為3 m，兼顧數(shù)值模擬時間與超前數(shù)據(jù)量，選擇了六點(diǎn)源跑極方式，計算方法為有限差分法。表1是裝置類型的正演模型參數(shù)，圖2是裝置類型的正演模型圖。

由圖3可知，四種典型裝置類型在均勻介質(zhì)中的視電阻率特征為：二極裝置與單偶極裝置總體阻值均準(zhǔn)確，但隨著超前距離的增加誤差逐漸增大；二極B正的阻值隨超前距離的增加極緩慢上升，二極B負(fù)則正相反，阻值隨超前距離的增加極緩慢下降，且不收斂性大于二極B正；單偶極的阻值則呈螺旋形分布，整體呈緩慢上升趨勢，且單偶極一倍極距與兩倍極距擬合度很高，基本無差別。綜合來看，無窮遠(yuǎn)電極B的位置對正演結(jié)果有影響，二極B正較二極B負(fù)穩(wěn)定度高。

圖3 不同裝置類型的視電阻率特征(1#電極)Fig.3 Influence of different types of device characteristics of apparent resistivity (electrode 1#)(a)均勻介質(zhì)視電阻率;(b)低阻板狀體視電阻率;(c)高阻板狀體視電阻率

四種典型裝置類型在板狀體影響下的視電阻率特征為：板狀體的范圍為迎頭前方11.7 m～17.3 m，厚度為5.6 m，板狀體的位置與厚度設(shè)計遵循“探厚比”原則。二極裝置與單偶極裝置的視電阻率曲線均受前方板狀體的影響，迅速出現(xiàn)極小值(低阻板狀體)或極大值(高阻板狀體)后，趨于背景值。低阻板狀體下，二極裝置的視電阻率曲線極小值出現(xiàn)在約21 m處，單偶極的則出現(xiàn)在約38 m處，即二極裝置對低阻板狀體的識別明顯優(yōu)于單偶極裝置；高阻板狀體下，二極裝置的視電阻率曲線極大值出現(xiàn)在約30 m處，單偶極的則出現(xiàn)在約51 m處，二極裝置對高阻板狀體的識別同樣優(yōu)于單偶極裝置；但通過對比發(fā)現(xiàn)，在異常體電阻率比值倍數(shù)一致的條件下，所有裝置類型均對低阻更敏感，對低阻異常的識別更準(zhǔn)確，分析可能是由于電流線服從“最小能量原理”，高阻體對電流具有排斥作用，低阻體則有吸引電流的作用；二極B正的阻值擬合仍然優(yōu)于二極B負(fù)，單偶極的阻值整體收斂性差于二極裝置。

2.2 前方異常

在直流電法現(xiàn)場超前探測時，異常體的分布位置是值得關(guān)注的問題，也是影響探測結(jié)果的重要影響因子，保持圍巖性質(zhì)不變，無巷道影響，分別模擬迎頭前方不同位置的低阻或高阻塊狀異常體的結(jié)果，并模擬在測線后方存在干擾性質(zhì)的旁側(cè)異常體時，前方目標(biāo)異常體的正演效果，提出對旁側(cè)異常的校正方法。采用三維三測線觀測系統(tǒng)，有96個電極，電極距為3 m，裝置類型為正演效果較優(yōu)的二極B正(即B、N在迎頭前方)，兼顧數(shù)值模擬時間與超前數(shù)據(jù)量，選擇六點(diǎn)源跑極方式，即只有前六個電極供電，計算方法為有限差分法。表2是前方異常的正演模型參數(shù)，圖4是前方異常的正演模型圖。

表2 前方異常的正演模型參數(shù)

圖4 前方異常的正演模型圖(圍巖電阻率100 Ω·m)Fig.4 Forward model figure of front anomaly (surr-ounding rock resistivity 100 Ω·m)(左前-低阻；(b)右前-低阻；(c)上前-低阻；(d)下前-低阻；(e)正前-低阻+低阻；(f)正前-低阻+高阻

由圖5可知，通過三測線1#電極視電阻率曲線的不同特征，可以對前方異常體的分布位置進(jìn)行初步定位，概括起來，離前方異常較近測線的視電阻率曲線具有極值更明顯，幅度變化更大，尾支收斂速度更快這幾個特點(diǎn)。

圖5 不同位置前方異常的視電阻率特征(1#電極)Fig.5 Apparent resistivity characteristics of front anomalies in different positions (electrode 1#)(a)前方異常-左;(b);前方異常-右;(c)前方異常-上;(d)前方異常-下

由圖6可知，兩組塊狀體組合后的視電阻率特征為：依舊從1#電極提取數(shù)據(jù)，當(dāng)兩組塊狀體呈前后排列時，不論離迎頭更近的塊狀體是高阻還是低阻，較近的塊狀體的異常響應(yīng)大多會壓倒性地掩蓋離迎頭更遠(yuǎn)的塊狀體的異常響應(yīng)，使后者無法準(zhǔn)確識別；即使當(dāng)更后方的塊狀體尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于更前方的時，也只能使更后方的異常響應(yīng)增強(qiáng)，仍然不能準(zhǔn)確定位。

圖6 兩組不同位置前方異常的視電阻率特征(1#電極)Fig.6 Apparent resistivity characteristics of front anomalies in two different positions (electrode 1#)(a)兩組異常體(低阻);(b)兩組異常體(高阻+低阻)

2.3 旁側(cè)異常

關(guān)于旁側(cè)異常，以低阻塊狀異常作為主要研究對象，表3是旁側(cè)異常的正演模型參數(shù)，圖7是旁側(cè)異常的正演模型圖。

表3 旁側(cè)異常的正演模型參數(shù)

圖7 旁側(cè)異常的正演模型圖(圍巖電阻率100 Ω·m)Fig.7 Forward model figure of flanking anomaly (surr- ounding rock resistivity 100 Ω·m)(a)左-低阻;(b)右-低阻;(c)上-低阻;(d)下-低阻;(e)左前+下-低阻

由圖8可知，通過三測線1#電極視電阻率曲線的不同特征，可以對旁側(cè)異常體的分布位置進(jìn)行初步定位，其規(guī)律與前方異常類似。另有，相同尺寸與阻值的異常體，在測線范圍內(nèi)的響應(yīng)要強(qiáng)于迎頭前方，帶來的阻值變化更大。

圖8 不同位置前方異常的視電阻率特征(1#電極)Fig.8 Apparent resistivity characteristics of anomalies in different positions(electrode 1#)(a)旁側(cè)異常-左;(b)旁側(cè)異常-右;(c)旁側(cè)異常-上;(c)旁側(cè)異常-下

以“旁側(cè)異常-左”為例，提取左幫測線前六個電極的視電阻率信息，如圖9所示， 可知旁側(cè)異常體在六點(diǎn)源提取的視電阻率曲線上有顯著不同的反應(yīng)，與六條視電阻率曲線對前方異常體定位位置相同或相近不同，測線范圍內(nèi)的干擾異常體經(jīng)過數(shù)據(jù)提取超前到迎頭前方時，極值點(diǎn)出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了與電極距相當(dāng)?shù)钠疲瑥亩梢杂行ёR別出視電阻率曲線上反應(yīng)的極值到底為前方的真實(shí)目標(biāo)異常或是旁側(cè)干擾異常。

圖9 旁側(cè)異常的視電阻率特征(六電極)Fig.9 Apparent resistivity characteristics of flanking anomaly (6 electrodes)

在對不同位置前方異常與旁側(cè)異常的視電阻率曲線特征進(jìn)行研究后，以前方低阻異常-左與旁側(cè)低阻異常-下這一類情況為例，研究同時存在前方異常與旁側(cè)異常的曲線特征，通過三測線可對異常的方位進(jìn)行推測，再選取其中一條測線提取前六個電極的信息，進(jìn)行超前顯示。由圖10可知，異常體電阻率比值u1=100的前方異常與異常體電阻率比值u2=10的旁側(cè)異常大小相同，但旁側(cè)異常的響應(yīng)依然強(qiáng)于前方異常，且在其低阻值影響下，前方異常的極小值點(diǎn)被掩蓋，定位困難，但可以通過不同位置三測線的曲線特征對異常的方位進(jìn)行推測。旁側(cè)異常超前到迎頭前方時，極值點(diǎn)出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了與電極距相當(dāng)?shù)钠疲胺疆惓６ㄎ环€(wěn)定，從而可以區(qū)分有效異常與干擾異常。

圖10 同時存在前方與旁側(cè)異常的視電阻率特征Fig.10 Apparent resistivity characteristics of front and flanking anomalies(a)前方+旁側(cè)異常(低阻);(b)底板測線前方+旁側(cè)異常(低阻)

3 AGI反演模擬

選取典型的幾類異常體位置地電模型，對正演得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演并成像，從而進(jìn)一步驗(yàn)證超前探測系統(tǒng)的效果，三維顯示的方式也更為直觀。表4是反演地電模型參數(shù)，圖11是地電模型的正演模型圖。

表4 反演地電模型參數(shù)

圖11 地電模型的正演模型圖 (圍巖電阻率100 Ω·m)Fig.11 Forward model figure of electric models (surr-ounding rock resistivity 100 Ω·m)(a)左前-低阻；(b)右-低阻；(c)左前+下-低阻

圖12為部分典型地電模型的三維反演成果圖。對于前方與旁側(cè)塊狀異常體，反演結(jié)果定位均較準(zhǔn)確，且相同尺寸與阻值的塊狀異常體，旁側(cè)的響應(yīng)遠(yuǎn)大于前方。同存在前方與旁側(cè)低阻異常時，旁側(cè)異常響應(yīng)強(qiáng)烈，很容易定位，前方異常雖有響應(yīng)，對區(qū)域阻值造成影響，但準(zhǔn)確定位較難。

圖12 地電模型的三維反演成果圖Fig.12 3D inversion results of electric models(a)左前-低阻；(b)右-低阻；(c)左前+下-低阻

4 結(jié)論與展望

筆者提出了一種三維超前探測系統(tǒng)，利用直流電法正反演軟件AGI(Earth Imager 3D)的正演數(shù)值模擬，提取電性參數(shù)，分析異常體位置與超前探測結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，研究了其對直流電法三維超前探測結(jié)果的影響，并對典型地電模型進(jìn)行三維反演，分析其效果，得出如下結(jié)論與展望。

1)關(guān)于異常體位置，三維觀測系統(tǒng)可以對不同位置的異常作出識別，離異常較近測線的視電阻率曲線具有極值更明顯，幅度變化更大，尾支收斂速度更快的特點(diǎn)。

2)兩組前方異常前后排列，較近的異常響應(yīng)會壓倒性地掩蓋離迎頭更遠(yuǎn)的異常響應(yīng)，使后者無法準(zhǔn)確識別。

3)相同尺寸與阻值的異常體，在測線范圍內(nèi)的異常響應(yīng)要強(qiáng)于迎頭前方異常。

4)通過多點(diǎn)源參與處理，可有效排除旁側(cè)異常。

5)目前只是針對相對理想的條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，背景值均考慮為各向同性的均勻介質(zhì)，對于電阻率的矢量性只簡單考慮了其空間分布的不均一性，三維觀測系統(tǒng)只能提供推測性的異常空間分布，仍不足以捕捉更細(xì)微的差異。