龍固三維電法報告

1、新汶礦業(yè)集團龍固煤礦井下高密度三維電法勘探及超前勘探報告受新汶礦業(yè)集團龍固煤礦的委托，山東科技大學在該礦的北區(qū) 輔助運輸大巷1和輔助運輸大巷2進行了井下高密度三維電法勘探及 其超前探測。井下數(shù)據(jù)采集工作于2007年9月7日完成，2007年9 月11日前進行了數(shù)據(jù)處理，之后進行了資料解釋及報告編制工作， 并提交該成果?？碧椒毒氯S勘探范圍為輔1、輔2已掘大巷之間的區(qū)域，基本為一 280mx 40m的近矩形區(qū)域，面積約11200m2。井下超前探測在輔2已掘大巷中進行。二、目的與任務井下三維電法勘探任務：利用井下高密度三維電法技術，對龍固煤礦輔1、輔2已掘大 巷之間底板地層的富水性進行探測，構建底

2、板地層電阻率三維數(shù)據(jù) 體，圈定該范圍內(nèi)底板地層的富水區(qū)域，分析FL8斷層的富水性及其 向下延伸情況，指導龍固煤礦防治水工作。超前探測任務：應用山東科技大學自主研發(fā)的井下電法超前探測技術，對龍固煤礦井下輔2兩條運輸大巷進行超前探測，要求探測長度不小于100 米，查明巷道掘進前方地層的富水性，指導巷道的掘進工作。三、勘探原理1、含煤地層的主要電性特征巖層與巖層之間，巖層與煤層之間的電阻率差異是在煤礦井下 巷道中開展直流電法勘探的物理前提。了解巖石和煤的電阻率及其影 響因素，對于合理布置礦井電法勘探工作、正確解釋實測電阻率法資 料具有重要意義。（1）巖石的電阻率由均勻材料制成的具有一定橫截面積的導體

3、,其電阻R與長度L 成正比，與橫截面積S成反比，即L R = p S式中，P為比例系數(shù)，稱為物體的電阻率。電阻率僅與導體材料的性質(zhì)有關，它是衡量物質(zhì)導電能力的物理量。不同巖石的電阻率變化范圍很大，常溫下可從10-8Qm變化到10i5Qm,與巖石的導電方式不同有關。巖石的導電方式大致可分為以下四種:石墨、無煙煤及大多數(shù)金屬硫化物主要依靠所含的數(shù)量眾多的 自由電子來傳導電流，這種傳導電流的方式稱為電子導電。由于石墨、 無煙煤等含有大量的自由電子，故它們的導電性相當好，電阻率非常 低，一般小于。 ”，是良導電體。巖石孔隙中通常都充滿水溶液，在外加電場的作用下，水溶液 中的正離子（如Na+、K+、Ca

4、2+等）和負離子（Cl-、SO 2-等）發(fā)生定向運動4而傳導電流，這種導電方式稱為孔隙水溶液的離子導電。沉積巖的固 體骨架一般由導電性極差的造巖礦物組成，所以沉積巖的電阻率主要 取決于孔隙水溶液的離子導電，一切影響孔隙水溶液導電性的因素都 會影響沉積巖的電阻率，如巖石的孔隙度、孔隙的結構、孔隙水溶液 的性質(zhì)和濃度以及地層溫度等，都對沉積巖的電阻率產(chǎn)生不同程度的 影響。絕大多數(shù)造巖礦物，如石英、長石、云母、方解石等，它們的 導電是礦物晶體的離子導電。這種導電性是極其微弱的，所以絕大多 數(shù)造巖礦物的電阻率都相當高（大于106Qm）。致密堅硬的火成巖、 白云巖、石灰?guī)r等，它們幾乎不含水，而其礦物晶體

5、的離子導電又十 分微弱，故它們的電阻率很高，屬于劣導電體。泥質(zhì)一般是指粒度小于10 口 m的顆粒，它們是細粉砂、粘土 與水的混合物。泥質(zhì)顆粒對負離子具有選擇吸附作用，從而在泥質(zhì)顆 粒表面形成不能自由移動的緊密吸附層，在此緊密吸附層以外是可以 自由移動的正離子層。在外電場作用下正離子依次交換它們的位置， 形成電流。這種以泥質(zhì)顆粒表面的正離子來傳導電流的方式與水溶液 的離子導電方式不同，稱為泥質(zhì)顆粒的離子導電，也稱為泥質(zhì)顆粒的 附加導電。粘土或泥巖中泥質(zhì)顆粒的離手導電占絕對優(yōu)勢，由于粘土 顆?；蚰噘|(zhì)顆粒表面的電荷量基本相同，所以粘土或泥巖的導電性能 比較穩(wěn)定，它們的電阻率低且變化范圍小。在砂巖中，

6、隨著巖石顆粒 的變細，附加導電所起的作用將越來越大，特別是細砂巖和粉砂巖， 附加導電對巖石的電阻率影響很大。（2）巖石電阻率與礦物成分的關系巖石電阻率與組成巖石的礦物的電阻率、礦物的含量和礦物的 分布有關。當巖石中含有良導電礦物時，礦物導電性能能否對巖石電 阻率的大小產(chǎn)生影響取決于良導礦物的分布狀態(tài)和含量。如果巖石中 的良導礦物顆粒彼此隔離地分布著，且良導礦物的體積含量不大，那 么巖石的電阻率基本上與所含的良導礦物無關,只有當良導礦物的體 積含量較大時（大于30%），巖石的電阻率才會隨良導礦物的體積含 量的增大而逐漸降低。但是，如果良導礦物的電連通性較好，即使它 們的體積含量并不大，巖石的電阻

7、率也會隨良導礦物含量的增加而急 劇減小。（3）巖石電阻率與其含水性的關系沉積巖主要依靠孔隙水溶液來傳導電流，因此巖層中水的導電 性質(zhì)將直接影響沉積巖的電阻率。在其他條件相同的情況下，巖層電 阻率與巖層中水的電阻率成正比。影響水的導電性的主要因素是水中 離子的濃度和水的溫度。煤田中常見的巖層水一般含低或中等濃度的 離子，巖層中水的含鹽濃度增大，離子數(shù)量隨之增多，溶液導電性將 變好。同時巖層中水的導電性還與溫度有關，它的電阻率將隨溫度的 升高而降低。這是因為，一方面水中鹽類的溶解度隨溫度的升高而增 大，致使溶液中離子數(shù)量增多；另一方面，溫度的升高還會降低溶液 粘度，加快離子的遷移速度。（4）巖石電

8、阻率與其孔隙度和孔隙結構的關系由于地下水只充填在巖石的孔隙空間之中，因而巖石電阻率不 僅與巖石中水的電阻率有關，而且還與巖石的孔隙度和孔隙結構有 關。巖石孔隙度的大小決定著巖石中水的含量，從而決定著巖石中離 子的數(shù)量；巖石孔隙的結構（包括孔隙通道的截面積大小、彎曲程度 以及連通程度等）則影響著離子的運動速度和參加運動的離子數(shù)量。（5）巖石電阻率與巖性的關系含煤地層主要由砂、泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖組成，它們的電性特征 分別討論如下。砂、泥質(zhì)巖 砂、泥質(zhì)巖包括碎屑巖類和粘土巖類。碎屑巖 由碎屑顆粒、膠結物、泥質(zhì)及含水孔隙組成，與碳酸鹽巖相比，碎屑 巖的孔隙度較大，孔隙結構較簡單、規(guī)則。一般碎屑巖的電阻率

9、隨其 粒度的減小、分選性變好、泥質(zhì)含量增高、膠結程度變差和孔隙中水 含鹽量的增大而降低。砂巖電阻率在數(shù)十至數(shù)千歐姆米之間變化。分 選性差、顆粒粗、膠結程度高的致密砂巖電阻率高；反之，分選性好、 顆粒細、膠結程度低的疏松砂巖電阻率相對較低。膠結物不同，砂巖 電阻率也不同，鈣質(zhì)、硅質(zhì)或鐵質(zhì)膠結的砂巖電阻率一般比泥質(zhì)、粘 土質(zhì)膠結的砂巖電阻率高。礫巖由于顆粒粗、分選性差，故常具有比 砂巖還高的電阻率。粘土、頁巖、泥巖等粘土類巖石以泥質(zhì)顆粒的離 子導電方式為主，因為泥質(zhì)顆粒表面的電荷量基本相同，所以粘土、 泥巖、頁巖等的導電性比較穩(wěn)定，它們的電阻率一般在1nx 10Qm 之間變化。其中，頁巖比粘土和泥

10、巖更致密，故其電阻率稍高。當砂巖或 礫巖含有泥質(zhì)時，由于增添了泥質(zhì)的附加導電性，其電阻率也會降低。砂、泥質(zhì)巖石電阻率由小到大的順序是：泥巖或粘土 一頁巖一細砂巖 或粉砂巖中砂巖粗砂巖礫巖。碳酸鹽巖 碳酸鹽巖主要是以純化學方式沉淀生成的。這類 巖石的顆粒極細，粒間幾乎沒有孔隙，故其電阻率通常很高，可達！ X103104Qm。然而，當碳酸鹽巖在外因作用下形成的裂隙或溶 洞充水時，其電阻率將會明顯降低。此外，如果碳酸鹽巖中含有泥質(zhì) 時，它的電阻率也會有所下降。巖石電阻率與層理的關系層理構造是大多數(shù)沉積巖和變質(zhì)巖的典型特征，如砂巖、泥巖、 片巖、板巖以及煤層等，它們均由很多薄層相互交替組成。這種巖石

11、的電阻率具有明顯的方向性，即沿層理方向和垂直層理方向巖石的導 電性不同，稱為巖石電阻率的各向異性。巖石電阻率的各向異性可 用各向異性系數(shù)入來表示，定義為人=，n Pt式中，Pn代表垂直層理方向上的平均電阻率，稱為橫向電阻率； P t代表沿層理方向的平均電阻率，稱為縱向電阻率(圖1)。由于巖層 橫向電阻率始終大于縱向電阻率，所以巖石的各向異性系數(shù)入總大于 1。特別地，當入=1時，則為各向同性介質(zhì)。組成煤系的常見巖層中， 石墨、碳質(zhì)頁巖和無煙煤互層時各向異性最明顯，煙煤或粘土質(zhì)頁巖 次之，其他巖層更次之。一般地，巖層與夾層的導電性差異越大，互 層越頻繁，巖石的各向異性越明顯。圖1層狀結構巖石模型巖

12、石電阻率與溫度的關系巖石電阻率隨溫度的變化遵循導電理論的有關定理。電介質(zhì)中 離子的能動性隨溫度升高而增大，其運動能量積累到一定值時，很容 易脫離晶格，因此導電性增強。半導體的溫度升高時，導電區(qū)電子濃 度增大，導電性也相應增大。如前所述，在低溫條件下，含水巖石中 水溶液的導電性隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高導致水溶液 濃度增大和粘滯度降低，水溶液中離子數(shù)量增多、活動性增強的緣故； 當溫度繼續(xù)升高時，因水分蒸發(fā)，巖石電阻率略有增加，只有溫度繼 續(xù)升高時，電阻率才開始減小。例如，對油頁巖進行加溫實驗時，溫 度升高到50100C時，試樣的電阻率減??；溫度繼續(xù)升高至200C 時，試樣電阻率增大；溫

13、度繼續(xù)升高超過200C時，試樣電阻率急劇 下降；當溫度超過600C后，試樣電阻率又呈回升趨勢。煙煤(褐煤、 肥煤、氣煤)電阻率與溫度間的關系與上述情形類似。巖石電阻率與壓力的關系巖石原生結構破壞是壓力作用下巖石性質(zhì)變化的主要原因。根 據(jù)壓力特征，這種破壞可能是巖石的壓實，孔隙收縮，顆粒接觸面積 的增大，形成裂隙組，或是個別區(qū)域之間粘結性減小等等。靜水壓力對巖石的壓實作用最大，在靜水壓力作用下，巖石內(nèi) 出現(xiàn)殘余變形，從而使孔隙度降低。此時壓力對巖石電阻率的影響與 巖石內(nèi)液體和氣體的含量有關，往往隨壓力的增大，干燥或者稍許含 水巖石的電阻率減小，這是由于孔隙度降低、顆粒間接觸良好的原因。 除此之外

14、，巖石中孤立的含水孔隙在壓力作用下閉合并形成連續(xù)的導 電通路，也會使其電阻率減小。對于大多數(shù)巖石，當單軸壓力由10Mpa 增加到60Mpa時，可觀測到巖石電阻率的劇烈變化。但是，某些粘土 在壓力作用下，由于孔隙中的水分被擠出，含水孔隙通道的截面縮小， 從而使其電阻率增大。對于非常潮濕煤，壓力增大時，電阻率也增大。相反，在應力弱化作用下，巖石顆粒之間內(nèi)部粘結性降低，致 使巖石強度變小，巖石可碎性增強。當巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育但裂隙不充 水時，巖石電阻率會增大，若裂隙充水，巖石電阻率會顯著減小。（9）煤的電阻率煤的電阻率與煤化程度、煤巖組分、礦物雜質(zhì)含量以及水分等 因素有關。煤化程度很低的褐煤，常含有較

15、高的水分和溶于水的腐植酸離 子，故其電阻率較低，一般僅為數(shù)十至數(shù)百歐姆米。隨著煤化程度的 加深，褐煤中水分和溶于水的腐植酸離子含量將顯著減少，因而褐煤 的離子導電性減弱，其電阻率明顯增高。煙煤常具有較高的電阻率， 但隨煤變質(zhì)程度的加深，電阻率減小，過渡至無煙煤，電阻率急劇下 降。煙煤電阻率的變化范圍為數(shù)十至數(shù)千歐姆米，無煙煤常常具有良 好的電子導電性，因而其電阻率很低，一般在1Qm以下。煤中礦物雜質(zhì)的電阻率通常低于褐煤或煙煤中有機質(zhì)的電阻率，而高于無煙煤中有機質(zhì)的電阻率。因此，褐煤或煙煤的電阻率隨 礦物雜質(zhì)含量的增高而降低，而無煙煤的電阻率則隨礦物雜質(zhì)含量的 增高而增大。但當無煙煤層中含有大量

16、黃鐵礦時，由于黃鐵礦的電阻 率很低，也會使無煙煤的電阻率降低。煤的濕度分為內(nèi)部濕度和外部濕度。煤的內(nèi)部濕度是煤的電阻 率隨其變質(zhì)程度變化的主要因素之一。煤的外部濕度取決于煤田的水 文地質(zhì)條件，外部部濕度一般較大，所以氧化帶的電阻率往往比深部煤的電阻率低。各種煤巖組分中，絲炭的電阻率比鏡煤低。綜上所述，電阻率是表征巖石和煤性質(zhì)的重要物理參數(shù)，巖石 和煤的電阻率不同程度地依賴于它們的成分、結構、所含水分等因素， 隨著影響因素的改變而在較大范圍內(nèi)變化。2、礦井直流電法勘探的工作原理直流電法勘探是測定巖石電阻率的傳統(tǒng)方法。它通過一對接地電 極把電流供入大地，而通過另一對接地電極觀測用于計算巖石電阻率

17、所必需的電位或電位差信息。對于礦井直流電法勘探而言,供電、測 量電極通常布置在巷道頂?shù)装寤蛳锏纻葞蜕?，從不同角度去觀測巷道 周圍穩(wěn)恒電流場的分布、變化規(guī)律，藉以了解巷道頂?shù)装寤蛩趲r層 內(nèi)的地質(zhì)情況是礦井直流電法勘探的主要任務。巷道周圍穩(wěn)恒電流場的基本性質(zhì)在巷道周圍導電介質(zhì)內(nèi)的任意一點上，電流場具有以下特征：電流密度與電場強度的正比性電流密度矢量j與電場強度矢量E在數(shù)量上成正比，比例因子是該點巖石的電導率。，即E j = bE =P電流的連續(xù)性穩(wěn)恒電流場中，源點除外的任何一點處電流密度的散度均等于零，即divj = o電流的勢場性從上述性質(zhì)可知，穩(wěn)恒電流場在空間的分布是穩(wěn)定的，即不隨時間變化，

18、它與靜電場一樣均為勢場，故電場強度與電位有以下關系E = 一 gradU對于均勻或分區(qū)均 勻的無源介質(zhì)空間，上述方程可歸結為Laplace方程的形式V 2U = 0對于均勻或分區(qū)均 勻的有源介質(zhì)空間，上述方程可歸結為Poisson方程的形式V 2U（P, A ）= - Ip 5（P 一 A ）式中，P為考察點，A為供電點電源的位置。（2）巷道周圍穩(wěn)恒電流場的邊界條件第一類邊界條件.一也,當源點位于巷道頂?shù)装鍟r當源點位于導電介質(zhì)內(nèi)時第二類邊界條件即在巷道頂?shù)装寤蛳锏缼蜕想娏髅芏鹊姆ㄏ蚍至康扔诹恪５谌愡吔鐥l件當界面兩側介質(zhì)電阻率為有限值時，在該界面上以下連續(xù)條件成立jin=j2n 或上獸X 土U

19、1=U2p a n p a n12E = E 或 j p = j p1l211l 121 2求解巷道周圍電流場的分布，就是求解一定邊界條件下方程的邊值問題。三維空間內(nèi)的穩(wěn)恒電流場根據(jù)場論可知，當三維空間內(nèi)充滿均勻各向同性介質(zhì)時，介質(zhì)內(nèi)部A點供電時M點處的電位值為4兀rAM式中，rAM為A、M點間的距離；為介質(zhì)電阻率；I為供電電流強 度。顯然，其等位面是以A為中心的同心、球面。電場強度為4兀r2AM電力線E垂直于等位面，這些電力線是從供電點發(fā)出的一束輻射線，電流線的方向與電力線的方向一致(圖2),電流密度為Ij =4兀r2AM當介質(zhì)內(nèi)部雙異極性點電源。A(+I)和 B(-I)同時供電時，測量電極

20、M、N間的電位差AUmn為 UAM1111-+rrrrAMANBNBMIP4兀圖2三維空間中的點電源場全空間視電阻率與礦井直流電法勘探的物理實質(zhì)4 UP = MNI由上式可得- + -1-= K A U mnr r r rIAM AN BN BM式中，K為裝置系數(shù)，其值由下式確定rAMrANrBNrBM因此，若采用圖3所示的裝置測得供電回路A、B中的電流強度I和電位差UMN，則不論A、B, M, N的相對位置如何，都計算出介質(zhì)的電阻率值。圖3大地電阻率的測定裝置然而，當全空間內(nèi)介質(zhì)電性非均勻時，計算的結果不再是某種介質(zhì)的真電阻率，而是三維空間某一體積范圍內(nèi)電性變化的一種綜合 反映，稱為全空間視

21、電阻率，用Ps表示p = K 田 ms I仿照地面電阻率法的做法，可以導出全空間視電阻率的微分表達 式P = MN p s j MN式中，Pmn為M、N間介質(zhì)的真電阻率；jMN為M、N間的實際電流密度； jo為全空間內(nèi)充滿均勻介質(zhì)時的電流密度。該式進一步說明，視電阻 率是導電介質(zhì)內(nèi)部電流場分布狀態(tài)的外在表現(xiàn)。如圖3所示，當測量 電極M、N附近存在高阻異常體時，因高阻異常體對電流有排斥作用， 所以jMN j,故PsPo；當測量電極M、N附近存在低阻異常體時， 由于低常體對電流有吸收作用，所以j j，故PP。因此，MN0s0通過測量、分析全空間視電阻率的相對變化可以推斷介質(zhì)電性變化情況。這就是礦井

22、直流電法勘探的物理實質(zhì)。3、高密度電阻率層析成象探測技術高密度電阻率法是二十世紀八十年代才發(fā)展起來的一種新型陣 列勘探方法，是基于靜電場理論，以探測目標體的電性差異為前提進 行的。該方法采集數(shù)據(jù)信息量大，可進行層析成象計算，成圖直觀， 可視性強，采集裝置種類多，儀器輕便。該方法在不同領域受到廣泛 的應用。傳統(tǒng)電法勘探中的電測深方法是反映某一點的縱向電性的分布 情況，如果布設的測深點沒有和采空區(qū)相交，就不能實現(xiàn)對其的探測。 電阻率剖面方法雖然能夠實現(xiàn)掃面工作，找到采空區(qū)的分布位置，但 是裝置固定的電剖面法只能反映電性在某一深度橫向上的變化不能 確定地下采空區(qū)的規(guī)模。目前能同時具備這兩種功能并能實

23、現(xiàn)數(shù)據(jù)采 集的方法只有高密度電阻率法。高密度電阻率法綜合了電剖面法和電測深法的優(yōu)點，解決了常 規(guī)電阻率法由于其觀測方式的限制，不僅測點密度較稀，而且也很難 從電極排列的某中組合上去研究地電斷面的結構和分布等不足。它通 過用電測深法來獲取地質(zhì)信息，再用電剖面法對地質(zhì)信息進行統(tǒng)計處 理，繪制電阻率斷面圖。這樣可以更有效的利用地質(zhì)信息，提高電阻 率法的勘探能力，使其在水文、工程、與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中發(fā)揮更大的 社會經(jīng)濟效益。在國內(nèi)外關于高密度電阻率法研究的基礎上，通過理 論和實際相結合來介紹一些高密度電阻率法的原理及相關知識。高密度電阻率法是日本地質(zhì)計測株氏會社提出來的，原理上屬 于電阻率法的范疇，但與

24、常規(guī)的電阻率法相比設置了較高的測點密 度，在測量方法上采取了一些有效的設計，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高 的精度和較強的抗干擾能力，并可獲得較為豐富的地電信息。高密度 電阻率法及提供地下地質(zhì)體某一深度沿水平方向巖性的變化情況，也 能反映鉛垂方向巖性變化情況，一次可完成縱、橫二維的探測過程, 所以觀測精度高，采集的數(shù)據(jù)可靠，在巖體工程探測方面有著廣泛的 應用前景。(1)基本原理高密度電阻率法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，是電 剖面法和電測深法的組合，因此它仍然是以巖土體的導電性差異為基 礎的一類電探方法，研究在施加電場的作用下，地中傳導電流的分布 規(guī)律。高密度電阻率勘探系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)的收錄和資料

25、的處理兩部分。 現(xiàn)場測量時，只須將全部的電極設置在一定間隔的測點上，然后用多 芯電纜將其連接到程控式電極轉換開關。程控式電極轉換開關是一種 由微電機控制的電極自動換接裝置，轉換開關在步進電極的帶動下, 由程序控制而動作，從而實現(xiàn)電極排列方式、極距和測點的快速轉換。測量信號由轉換開關送入微機工程電測儀，并將測量結果依次 存入隨機存儲器或收錄在磁帶上。將數(shù)據(jù)回放并送入微機，便可根據(jù) 需要按給定程序對原始資料進行處理并給出相應的圖示結果。這樣就 可利用高密度電阻率法在現(xiàn)場準確與快速的采集大量數(shù)據(jù)，以及對采 集的數(shù)據(jù)進行各種處理及結果圖示。(2 ) 三電位電極系為了使高密度電阻率法能夠獲得關于地電斷面

26、結構特征的豐富信息，在電極裝置的選擇上，一般采用了三電位電極系。這樣就可獲 得三種常用電極裝置的視電阻率參數(shù)，以繪制等值線斷面圖以及不同 極距的剖面圖；而且當將三種電極系列的測量結果作某種組合時，還 可獲得視電阻率異常的幾種比值斷面圖。三電位電極系是將溫納四極(AMNB)、偶極(ABMN)及微分(AMBN) 裝置按一定方式組合后所構成的一種統(tǒng)一測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實際測 量時利用電極轉換開關將每四個相鄰電極進行一次組合，從而在一個 測點上便可獲得多種電極排列的測量參數(shù)。點距設為x時，三電位系統(tǒng)的電極距a = n x (n= 1,2,3)。上述三種電極排列形式依次稱為a排列、0排列及y排列。顯然，

27、這 里對某一測點上的四個電極按規(guī)定作了三次組合。各種裝置測量視電 阻率的計算公式分別為：p ： = 2兀 a u a /1p P = 6兀 a u P /1p 丫 = 3 兀 a u y /1s具體測量方法為：首先以固定點距沿井下巷道測線布置一系列 電極，電極通過多芯電纜經(jīng)轉換開關接到儀器上，通過轉換開關改變 裝置類型，一次完成該測點上各種裝置形式的觀測，一個測點觀測完 后，通過開關轉換到下一相鄰測點對應的電極，以相同方法進行該點 觀測，直到某一電極間距的整條剖面觀測完為止。改變電極間距重復以下觀測，直到有所不同電極間距的剖面觀測完為止。點距的選擇主要依據(jù)探測精度要求，精度要求越高應越小。最

28、大電極距大小，決定于預期探測深度，探測深度越深，要求越大，但 一般隔離系數(shù)最大值不超過15為好，當然，由于一條剖面測點總數(shù) 是固定的，因此當極距擴大時，反映不同勘探深度的測點數(shù)將依次減 少。（3） 主要特點高密度電阻率法相對于常規(guī)電阻率法而言，它將有以下特點：電極布設是一次完成的，測量過程中無須更換電極，因而可 以防止因電極設置而引起的故障和干擾。能有效地進行多種電極排列方式的參數(shù)測定，因而可以獲得 較豐富的關于地電結構的信息。數(shù)據(jù)的采集和收錄實現(xiàn)了自動化（或半自動化）不僅采集速 度快，而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯誤?？梢詫崿F(xiàn)資料的現(xiàn)場適時處理或脫機處理。根據(jù)需要自動繪 制和打印各種

29、成果圖件，大大提高了電阻率法的智能化程度。與傳統(tǒng)的電阻率法相比，成本低，效率高，信息豐富，解釋 方便，勘探能力顯著提高。高密度三維電法勘探是在二維電法勘探的基礎上發(fā)展起來的， 它采集數(shù)據(jù)大，數(shù)據(jù)體信息豐富，可運用切片技術進行高精度的數(shù)據(jù) 解釋，有二維電法勘探所不能比擬的優(yōu)點。4、井下電法超前探技術井下電法超前探測技術是山東科技大學自主研發(fā)的一項新技術， 主要是用來探測井下巷道掘進前方地層的地質(zhì)情況，因此，該項技術 仍然屬于礦井直流電法勘探的范疇。在井下掘進巷道中通過接地電極進行供電，建立了全空間穩(wěn)定直 流電場，該電場的空間分布與巷道周圍的地層巖性、結構以及構造等 地質(zhì)因素有關，也就是說，巷道周

30、圍的地層巖性、結構以及構造等地 質(zhì)因素決定了全空間穩(wěn)定直流電場的空間分布，同時也決定了掘進巷 道內(nèi)的電場分布，這種電分布形態(tài)包含了掘進巷道前方的地質(zhì)信息。井下電法超前探測技術就是通過觀測在掘進巷道范圍內(nèi)的電場 分布形態(tài)，進行反演解釋巷道掘進前方的地質(zhì)信息。含煤地層為沉積巖地層，地層橫向穩(wěn)定，呈層性較好，因此，其 電阻率值也比較穩(wěn)定，如果地層富水，由于地層水礦化度較高，導電 離子豐富，使地層的導電性能大大降低，電阻率值大大減小，遠遠低 于正常不富水地層，這是井下利用電法勘探地層富水性的主要物理基 礎。龍固煤礦井下地層溫度較高，地層水溫可為8oC，導致導電離子 活動性加強，進一步降低了富水地層的電

31、阻率，加大了與正常地層的 電阻率差異，因此本次井下電法勘探的地球物理條件良好。五、數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集進行解釋的基礎，數(shù)據(jù)采集工作的好壞直接影響到解釋成果的準確性。本次井下高密度三維電法勘探及超前探測數(shù)據(jù)采集使用的是WJDJ-3型高密度電阻率系統(tǒng)。三維電法勘探采用兩極裝置的三維電法采集方法，其采集參數(shù)如 下：開設道數(shù)：50道測量層數(shù)：40測量方式：滾動道 距：10米工作方法：兩極供電電壓：180伏本次井下高密度三維電法勘探數(shù)據(jù)采集在輔1、輔2運輸大巷 進行，以10米間距布設電極，共布設電極50個，長度490米，采集 時停止了工作面內(nèi)的所有電源，保證了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，每個電極采集 數(shù)據(jù)40個，共采集有

32、效數(shù)據(jù)2000個。本次井下超前探測數(shù)據(jù)采集在輔2運輸大巷中進行，沿巷道兩側 對稱布設電極，電極間距10米，采用電位測量技術（兩極，N、B極 置于無窮遠）觀測巷道內(nèi)的電場分布，布設了 30個電極，采集數(shù)據(jù) 點600個。電法勘探受環(huán)境條件影響，井下影響最大的是供電系統(tǒng)。本次 數(shù)據(jù)采集過程中，施工巷道周圍停止了供電，因此不受供電系統(tǒng)影響。 為保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集時每次都進行了 2次以上的重復采 集。因此，本次勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。七、數(shù)據(jù)處理本次高密度井下三維電法勘探數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個步驟：1、突變點的剔除在數(shù)據(jù)采集過程中，由于某一電極接地不好，或受采集現(xiàn)場干擾 因素的影響，會出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)突

33、變點，為了不造成對解釋結果的影 響，對數(shù)劇突變點進行剔除。2、數(shù)據(jù)的光滑平均在數(shù)據(jù)采集過程中，有時會受到一些隨機噪聲的影響，為了消除 這些隨機噪聲，采用光滑平均的方法對數(shù)據(jù)進行處理，但平滑幅度不 能過大，以免平滑掉有用信息，降低分辨率。3、建立反演模型圖4標準三維模型三維模型是測區(qū)范圍地下半空間沿水平面和X、Y方向的鉛垂面 劃分的許多矩形短柱體的組合（圖4）。地面的相鄰的四個電極位置 作為小柱體在地面的角點，即柱體的長度、寬度都等于單位電極距。 頂層柱體的厚度為0.6倍單位電極距，下伏的模型層柱體厚度按10% 的比例逐層遞增。為了提高反演精度，三維模型還有兩種細分的變種。 一種是將近地表數(shù)個模

34、型層的棱柱體再沿水平面和垂直面均分，即每 個棱柱體再剖分成8個相同規(guī)格小棱柱體的淺層細分模型（圖5）； 另一種是將近地表的數(shù)個模型層的棱柱體僅再沿垂直面剖分，即每個 棱柱體再分割成四個小棱柱體的淺層垂直細分模型（圖6）。由于電 法勘探的分辨率隨深度的增加而急劇下降，試算結果表明：有效的細 分模型層不超過兩層。一般情況下，使用一層細分模型即可。由于細 分模型的棱柱體數(shù)量較多，反演耗時亦相應明顯增大。圖5淺層細分三維模型圖6淺層垂直細分三維模型4、進行數(shù)據(jù)反演三維高密度電法反演系統(tǒng)使用的反演方法為圓滑約束最小二乘 反演方法，最小二乘反演方法是一種比較成熟的最優(yōu)化反演方法，在 物探資料的反演中已經(jīng)得

35、到廣泛的應用。程序使用了基于準牛頓最優(yōu) 化非線性最小二乘新算法(Loke and Barker 1996a)，使得大數(shù)據(jù)量 下的計算速度較常規(guī)最小二乘法快10倍以上且占用內(nèi)存較少，而且 可以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和圓滑濾波器以適應不同類型的資料。圓滑約束最小二乘反演最優(yōu)化方法主要靠調(diào)節(jié)模型條塊的電阻 率來減小正演值與實測視電阻率值的差異。首先根據(jù)實測的視電阻率 值初步給定模型各個子塊的電阻率，使用有限元法或有限差分法作正 演計算，得出初步模型的地面視電阻率異常值。程序將正演計算值與 實測值進行比較，根據(jù)比較的結果調(diào)整模型各個子塊的電阻率，使用 調(diào)整后的模型重新作正演計算。如此多次循環(huán)迭代，使模型正演計算

36、 結果與實測值的差異逐漸減小。這種差異用均方誤差(RMS)來衡量。 一般選取迭代后均方誤差不再明顯改變的模型作為反演成果,這通常 在第三和第五次迭代之中出現(xiàn)。圓滑約束最小二乘法的法方程為：(JtJ+uF ) d = JTg其中 F = ffxT+ 八 fzTfx =水平圓滑濾波系數(shù)矩陣fz =垂直圓滑濾波系數(shù)矩陣J =雅可比偏導數(shù)矩陣Jt = J的轉置矩陣u =阻尼系數(shù)d =模型參數(shù)修改矢量g =殘差矢量圓滑濾波系數(shù)f用于約束模型參數(shù)（如電阻率），使模型參數(shù)保 持在某一個常數(shù)范圍。阻尼系數(shù)用于改善方程求解條件的數(shù)值選取與 資料的隨機噪聲有關，當資料的隨機噪聲較大時，應選取較大的值， 反之則取較

37、小值。反演程序也可以使用常規(guī)高斯-牛頓法，在每次迭 代后重新計算偏導數(shù)的雅克比（Jacobian）矩陣。它的反演速度比準 牛頓法慢得多，但在電阻率差異大于10:1的高電阻率差異地區(qū)，效 果要稍好一些。反演逼近也可以在第二或第三次迭代以前，使用高斯 -牛頓法，然后使用準牛頓法，在許多情況下，這是了一種最佳的折 衷選擇。本次三維電法勘探數(shù)據(jù)處理后得到了輔1、輔2運輸大巷之間 底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)體長280米、寬40米、高280米。本次井下超前探測數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個步驟：1、建立數(shù)據(jù)文件整理、編輯采集到的數(shù)據(jù)，添加上所需的坐標，建立起符合反演 要求的數(shù)據(jù)文件。2、建立反演模型建立反演

38、模型，要求模型寬度40米，超前長度100米，后方長度為電極布設長度，形成一 10米X10米的網(wǎng)格模型。3、數(shù)據(jù)反演應用圓滑約束最小二乘反演方法，調(diào)入反演數(shù)據(jù)文件，反演迭代 出反演模型內(nèi)每一個網(wǎng)格電阻率值。4、繪制成果圖應用Surfer繪圖軟件，對反演出的反演數(shù)據(jù)進行成圖，得到超 前探測電阻率色譜平面圖。數(shù)據(jù)處理后，得到輔2運輸大巷的超前探測電阻率色譜平面圖。八、資料解釋三維電法勘探:數(shù)據(jù)處理后得到了輔1、輔2運輸大巷之間底板地層電阻率三 維數(shù)據(jù)體（圖7），為便于解釋應用，應用切片技術，分別進行了水 平及垂直切片。1、坐標系統(tǒng)輔1、輔2運輸大巷之間底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體的坐標原 點在輔2運輸大巷的起點處，沿輔2運輸大巷向里（長度、垂直