摘 要: 结合拟地震数据处理思想,提出多极叠加观测方式下多极三维偏移处理技术, 利用多道电阻率测深数据进行拟地震记录分析,通过划分网格单元在等位球面进行电阻率值 叠加,实现异常电阻率值的空间归位。实际应用表明该处理技术可以从巷道后方观测 数据体中充分提取工作面前方地质体的电阻率分布特征,超前预测预报效果显著。
关键词:多道电阻率测深数据;多极三维偏移处理;超前预测预报
中图分类号:P631文献标识码:A文章编号:1672-1098(2010)01-0021-04
Multi-pole Excursion Processing of Resistivity Data of
Advanced Detection inDeep Mines and Its Application
HU Xiong-wu,ZHANG Ping-song
(School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui University of Scie nce and Technology,Huainan Anhui 232001,China)
Abstract:Imitating the data processing method of seismic wave, multi-pole 3D ex cursion technique is proposed according to the multi-pole stack observing syst em . Pseudo-seismic approach was applied to the multi-path resistivity soundingdat a. By stacking resistivity on the equipotential surface girding, abnormal resist ivity is put correct location. Application revealed that the resistivity distrib ution ahead of the tunnel is precisely abstracted from the surveying data back o f the tunnel using 3D migration processing. Its effect is very obvious.
Key words:multi-path resistivity sounding data; multi-pole 3D excursion; advanc ed detection and forecast
深部巷道掘进过程中受地质条件制约,经常出现工作面前方涌突水、塌方等安全事故, 给生产带来严重的人力、物力和财力损失。因此,加强巷道掘进前方富水体预测预报是深部 巷道安全、高效掘进的一项重要内容。目前,在诸多地球物理勘探技术手段中,直流电阻率 法对含水异常体反应敏感且施工高效、快捷,已成为现阶段巷道掘进前方地质灾害预测预报 的主要技术手段之一,发挥着重要的作用。
但受现场测试条件及技术方法本身因素影响,直流电阻率法超前探测技术还存在许多缺 陷[1-5]:全空间点电源场分布受不同地电模型的影响,其分布特征也不相同, 球状特征只 适用于均匀介质情况;观测系统布置受巷道空间限制,观测电极只能沿巷道掘进迎头后方布 置,使得距离探测目标电性异常体越来越远;探测目标体异常响应微弱且巷道后方非探测目 标体(包括巷道内金属体、水体及巷道顶底板、左右两帮地质异常体)干扰强烈,异常剔除 困难;数据处理主要依赖于传统的几何作图法及其近似变种方法,一维反演模型建立受人为 干扰较大,没有得到推广应用;传统“三点电源法”限制了异常响应数据的多次捕获等,部 分缺陷受现场施工条件限制,难以改变。因此加强后期数据处理是现阶段提高直流电阻率法 超前探测精度的可行方向,本文针对这一问题,提出深部巷道内多极三维偏移处理技术,为 提高矿井直流电阻率法超前探测技术数据处理手段提供新的研究思路。
1 超前探测技术观测方法
常规直流电法勘探(如高密度电法)因其观测系统布置存在阵列方式,且探测方向主要 为阵列观测电极下方,与目标异常体较近,目标异常电性响应强烈,所以往往能取得较好的 探测效果;直流电阻率法超前探测与常规直流电法勘探不同,具有一定的特殊性,巷道空间 较大程度上限制了观测系统的布置,观测电极是沿巷道掘进头后方布置,而探测目标异常体 位于掘进迎头前方,观测电极布置远离探测目标方向,捕捉目标异常响应难度较大,因此寻 求最佳观测系统对于提高探测精度具有较大的意义。
多极叠加立体观测方法,即在巷道左右帮各布置一条测线,为提高异常的响 应幅度,在迎头立面上布置一定数目的电极,并且将供电点电源数从传统的三点电源增加到 16个点电源,相对三点电源法超前探测来说,增加了较大的优势:距离掘进前方异常体相 对较近;观测测线的布置几乎涉及到整个巷道空间,有助于全方位观测,减小了探测盲区; 巷道空间较小,迎头前方异常在两帮观测数据总体趋势上应该一致,故通过数据相互校正分 析可以限制数据采集时现场随机性干扰所造成的影响;随着供电点数的增加,迎头前方异常 捕捉概率相对提高等。
综上所述,多极叠加立体观测法相对传统三点电源观测方法优势明显,但是如何将通过 多极叠加观测法采集得到的数据进行有效的表达成为采用该观测方法进行超前探测的阻碍, 如果分别将单条测线按传统的几何交汇法进行数据处理,两条测线数据处理结果相似,无法 获得更多有效的探测信息,失去了采用该方法进行超前探测的意义,因此寻求能够较大限度 的从观测数据中获取异常信息的处理手段是关键。
2 多极三维偏移处理技术
为充分利用多极叠加观测法探测数据获取有效超前探测信息,结合多年从事地震勘探数 据处理经验,提出拟地震处理思想,将单个点电源供电所获得视电阻率曲线视为一个单炮地 震记录,多个点电源供电可获得多个视电阻率曲线,类似于多炮多道地震波形,多个观测曲 线之间具有重复的观测区域,相当于地震波共反射点,地震处理中通过共反射点叠加处理突 出反射点异常,由于直流电法观测具有体积效应,据此原理,将视电阻率曲线相同观测区域 进行叠加,异常区域与正常区域电阻率值将会发生分异。但由于直流电法观测为地质体固有 属性电阻率,是静态值,而地震波共反射点通常情况下叠加的是能量,易受人工激发源能量 等的影响,因此对视电阻率进行偏移叠加后需进行加权平均,才能统计性地获得空间位置点 处的视电阻率值[6]。
2.1 技术原理
2.1.1 建立偏移模型 均匀介质情况下,全空间点电源场的分布具有球状特征,利用单点电源A供电,另一供电 电极B置于“无穷远”,测量电极为M、N,点电源A形成的等位面为球面,测量电极MN所测电 位差是受MN之间球壳体积范围内电阻率引起的电位变化梯度(见图1),记录点为MN中点O,O 点处所记录的视电阻率值为MN球壳内的真电阻率的综合效应值,将空间区域网格化,以供电 点A为球心,供电点A与记录点O的距离R为半径进行球形偏移,球面所经过的单元格内赋 予相同的视电阻率ρo值(见图2),因此可建立数学模型如下
ρ{φ(A(xA,yA,zA),R)｝=ρ
式中:φ(A(xA,yA,zA),R)为球函数;
R=(xO-xA)2+(yO-yA)2+(yO-yA) 2
图1 均匀介质中点电源场分布特征示意图
图2 网格单元视电阻率赋值平面示意图2.1.2 建立偏移模型坐标 为较为直观的表达探测目标区域,定义以迎头立面中心点为坐标系原点,巷道掘进迎头前方 为轴正向,顶板方向为轴正向,左帮为轴正向(见图3),建立笛卡尔空间坐标系。轴正向 为超前探测目标区域,可将异常体的来源(巷道后方或巷道前方)较为直观 的分开。
图3 多极偏移巷道模型坐标示意图
2.1.3 超前探测区域离散化 随测量电极向巷道后方逐点移动观测,单个点电源可以形成以该点电源为球心的球族; 多个供电点电源便可形成多个不同球心的球族,不同球心的球之间必有相交,即具有局部重 复的观测区域,并且随着供电点电源逐点远离巷道迎头,巷道前方由远及近相同观测区域的 重复观测次数逐渐增加,即巷道迎头前方一定距离内有较多球面经过,因此将空间区域离散 成长方体单元时,可将巷道前方距离巷道迎头较近处网格单元体划分较密,远离巷道迎头处 网格单元体划分较为稀疏(见图4)。
图4 超前偏移网格体单元划分示意图
2.1.4 网格单元体视电阻率赋值 网格单元体离散化后,多组球心族轨迹所经过的单元体赋以相应视电阻率值,因此部分 网格单元体内具有多个视电阻率值,经过多次研究,将多个视电阻率值视为对该网格单元体 的多次观测样本,样本的期望(即加权平均值)就是该网格单元体的视电阻率值,即
ρs=∑ni=1λiρsi;∑ni=1λi=1(n= 0,1,2,…)
式中:ρs为单元体视电阻率期望值;ρsi为单元体内视电阻率样本值;λ i∈(0,1)为各样本权值,实际取值主要依据供电测量电极对的空间位置而定。
当n=0时单元体内无实测视电阻率值;n≥1单元体内至少有一个视电阻率值。进面获得 整个测试过程中的电阻率网格数据体,可通过不同方向切片对应分析巷道前方及周边地质条 件变化。
3 工程实例
淮北杨柳煤矿北翼胶带机运输大巷掘进过程中,2009年4月30日迎头突见小构造,现场 在巷道底板通过钻探探煤,未见预计煤层,给巷道施工带来困扰。根据地面三维地震勘探成 果资料,向前掘进将至大侯家断层,其间还可能存在一些小断层和裂隙发育区。为保证掘进 施工安全,需查明前方构造位置及其富水性,为巷道设计、支护及矿井防治水提供依据。
本次探测结合运输大巷的实际情况,现场采用直流电阻率法超前探测技术,布置时采用 多极叠加观测方法,力求提高探测精度。
数据采集利用自行开发的并行电法仪,电法测线布置时以BJ42点为测线控制点,共在巷道空 间内布置3条测线,单条测线施工电极数为64个,电极距为2.5 m,测线总长为1 57.5 m。
数据处理时以巷道掌子面为零点,依据图3建立空间坐标系,分别确立各电极坐标。直 流电法在异常构造探测中的解释原则为:在煤层或富水性差的岩体中电阻率表现为相对高电 阻率值,而砂岩、泥岩或相对富水岩层通常表现为相对低视电阻率值(见图5～图6)。
图5 多极偏移三维视电阻率成像图图6 多极偏移处理视电阻率剖面结果图
结合已知巷道及钻孔资料分析可知,在探测当日迎头前方存在大猴家分支断层,从图6中可 见掌子面前方存在高低阻值变化区段,其中:0～30 m段岩层电阻率值相对较低, 为泥岩层段特征; 30～ 78 m段岩 层电阻率值相对较高,分析为岩性变化段或为断层影响带,其中50～60 m段视电阻率值在区域内表现最高,认为大 猴家分支断层破碎带(R1);探测迎头前方100 m范围总体电阻率值较高,表明 前方总体含水性相对较差。
经后期实际地层揭露, 探测区岩层不含水; 由于大猴家分支断层切割下覆煤层, 使得下 覆煤层上台, 影响现场探测时供电电流场的分布, 造成30～80 m段受高阻煤 层的干扰,表现 为相对高阻;其中50～60 m处为大猴家分支断层破碎带,岩层完整性较差,因 此表现为相对 较高电阻率值。实际地层揭露特征与探测结果基本吻合,表明在多极叠加观测系统 下采用三 维偏移处理方法可以有效获取掌子面前方地质体电阻率的分布特征,其探测预报结果为巷道 安全高效掘进提供了有效的技术保障。
4 结束语
通过对巷道电阻率法超前探测中多极三维偏移处理技术的深入研究,得出几点结论:
(1) 多极三维偏移处理充分考虑了探测区域内任意位置点处视电阻率为多个重复观测 视电阻率值样本的加权平均,起到同相位信号加强、反相位信号减弱的作用,可以有效的压 制干扰、突出异常。
(2) 多极三维偏移处理能够将多条测线数据联合,从中提取有效的超前探测信息,测 线越多,数据量越大,有效信息越丰富,探测精度就越高。
(3) 均匀介质空间中,稳态电流场呈球状分布,实际大地是极为复杂的非均匀空间, 场的分布不再是呈球状或规律分布,本文提出的多极三维偏移处理是以均匀空间稳态电流场 的球状分布为基础,因此多极球状偏移方式存在一定的局限性。
(4) 实例证明,多极三维偏移处理对现场采集数据量较大时能够起到较好的探测效果 ,当现场观测方式为传统的“三点电源”法时,观测数据体较少,加权平均效果不佳,同时 未考虑“探厚比”,探测精度有限,因此现场观测数据体较少时多极三维偏移法受到一定的 限制。
参考文献:
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(责任编辑:宋晓梅,范 君)