三维并行电法

关键词： 采掘 地质 工作面 煤矿

三维并行电法（精选三篇）

三维并行电法 篇1

在煤矿采掘过程中会遇到煤矿中的地质异常包括断层、褶皱、以及陷落柱等, 这些地质异常会对煤矿生产安全产生不同程度的影响, 特别是综采面富水区的存在都会影响着综采面的采掘速度和煤矿的掘进安全。因此, 矿井电法勘探探测巷道或工作面的异常, 对于综采工作面的安全生产管理和安全开采具有十分重要的意义。

并行电法是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术, 电法数据采集效率高, 工作方法准确有效, 是底板空间异常探测的有效方法。本文采用并行电法技术对山西新元煤矿3415工作面进行探测, 利用采用巷道底板直流并行电法和面内并行电法三维空间探测两种探测技术得出巷道底板下及工作面面内的富水性分布情况, 并分析了探测区内的含赋水地质构造分布范围。

2 底板直流并行电法勘探技术和面内并行三维电法勘探技术

巷道底板直流并行电法勘探技术是一种实时全电场观测技术, 将电阻率法和激电法合二为一, 在工作面两条主巷道中布置单条的直流并行电法测线, 探测工作面主巷道底板下电阻率分布情况, 从而得出巷道底板下富水区分布情况。面内并行三维电法勘探技术将观测区域划分为若干个地电单元, 根据点电源的电场分布理论, 将机巷和风巷里面的电极布置成面内对穿的观测系统, 实现面内全空间探测网 (图1) 。

3 新元并行电法工作面底板和面内并行三维电法探测工程

在2013年10月24日底板直流并行电法探测工程电法探测布置工作12站, 工作面走向长度控制约3900m。在2013年10月25日面内并行电法三维空间工程电法探测布置工作6站, 工作面走向长度控制约1900m。电法探测仪器均采用安徽惠洲地下灾害研究设计院与江苏东华测试有限技术公司自行研制的本安型防爆WBD-1型网络并行电法仪, 每站数据采集采用AM法, 每站布置64个电极, 电极间距为10.5m, 各采用0.5s和2.0s恒流供电方波采集数据一次。

4 探测结果分析

结合底板电测深电阻率结果剖面图和面内不同深度异常区水平切片空间分布图中可以发现:3415副巷巷道底板中主要存在2个相对低阻区域, 3416正巷巷道底板中存在4个相对低阻区域, 其中YC3、YC4、YC5范围较大, 阻值基本均在45Ω·m以下;图2中的异常区YC5、YC4、YC3正好与图3中的空间异常区DZ1、DZ2、DZ3重合;YC1范围较小, 且靠近测线切眼边界, 分析可能主要受到切眼附近干扰影响所致, YC2电阻率分布范围相对较低, 周边横向电阻率均一性被破坏。

综上所述: (1) 工作面底板存在五个主要相对低阻异常区, DZ1异常分布范围小, 朝底板下延伸深度为100m, 可能与底板灰岩水有一定的水力联系; (2) DZ2和DZ3异常分布范围大, 朝底板下延伸深度超过100m, 该区具有一定富水性, 为重点防治水区域; (3) YC2异常周边横向电阻率均一性被破坏;YC6异常周边横向电阻率均一性被破坏, 可能主要为X76陷落柱构造产生电阻率差异变化所致。

5 结论

本文利用巷道底板直流并行电法和面内并行电法三维空间勘探两种探测技术对新元煤矿3415工作面进行探测, 结合三维电法反演技术得到的三维反演解释结果客观地反映了工作面内底板富水区的异常分布范围, 分析出工作面底板富水情况和面内三维空间异常地质体分布范围, 为工作面的安全采掘和防治水工作提供了重要依据。

参考文献

[1]刘盛东, 吴荣新, 张平松等.三维并行电法勘探技术与矿井水害探查[J].煤炭学报, 2009, 34 (7)

[2]吴荣新, 刘盛东, 张平松.双巷并行三维电法探测煤层工作面底板富水区[J].煤炭学报, 2010, 35 (3) .

[3]吴荣新, 方良成, 周继生.采用网络并行电法仪探测采煤工作面无煤区[J].安徽理工大学学报 (自然科学版) , 2007, 5 (2) .

土壤污染特征并行电法测试试验研究 篇2

摘要：土壤介质被渗滤液污染后，其电学性质发生变化，可为电法探测介质的污染范围、程度及扩散动态提供地球物理探查基础。通过构建土壤污染介质模型条件，采用并行电法探测技术进行探查模拟试验，进一步分析污染介质的电性反应及其特征。试验结果表明，污染土壤导电性差异增大，电阻率测试方法可有效判识其影响范围及特征，为地下介质污染评价提供技术支撑。

关键词：土壤污染；并行电法；探查；试验

随着人们环境保护意识的不断增强，空气、水和土壤等环境污染问题越来越受到重视。同时，与人们生活息息相关的垃圾填埋、工业污水等所造成的土壤污染问题也越来越多，圈定它们的污染边界、跟踪其扩散动态，以及进行定性评价到定量诊断，也是一项重要的研究课题。以垃圾填埋场地下介质为例，其垃圾渗滤液是一种来源于垃圾与内外界水体发生物理化学等变化所生成的产物，是一种成分多样、水质复杂、污染性很强的高浓度废水。如若对此处理不善，将会对周边土壤环境造成二次污染的严重后果，因此需要对垃圾场地周边土壤介质进行测试与监测，及时掌握地下介质的污染状况。目前，应用于地下介质间接测试的地球物理类方法较多，其中同位素示踪法、地温法、地震波法、测井法、瞬变电磁法、探地雷达和电阻率法等较为常见。电阻率法是环境检测和城市垃圾调查中一种重要的物探方法，其应用面广泛，在发展过程中经历了常规电法、高密度电法和并行电法等不同阶段。目前，采用拟地震化数据采集的并行电法技术，可以获得地下介质的全空间电场数据，对介质体的探查分辨精度高。文章结合土壤介质的污染特征进行模拟试验研究，所取得的技术参数及认识可为野外环境评价探查应用提供基础。

1土壤污染并行电法测试技术

1.1测试地球物理基础

土壤污染是由于人类的活动将各种污染物带人土壤中，致使土壤重金属等含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。随着工业化的发展，土壤污染日益加剧，其污染来源主要有垃圾填埋渗漏、大气重金属沉降、污水灌溉、肥料和农业、采矿和冶炼等，这些污染物在土壤中移动性差，滞留时间长，大多数微生物降解缓慢，因此确定其影响的空间范围可为后续技术处理提供依据。电法勘探过程是依据土壤介质电学性质发生变化为基础，查找异常体的位置、形态、深度及大小等空间参数。对于城市生活垃圾集中填埋场的渗滤液，主要成分以阴、阳离子形式存在的无机物质，电化学性质比较活泼，易与土壤发生复杂的系列反应，打破了原有土壤在垂向和横向上电性的稳定性、规律性和渐变性，与周围原土体的电学性差异明显，具体表现为电阻率相对降低。渗滤液中含量相对较少的有机物，电学性质较多变，其中难溶于水的表现出成层现象，互溶具有活性有机物质也可引起土壤电学性质发生改变。受污染后的介质与正常介质间电性变化显著，这是进行电法探查的前提条件和物质基础。

1.2并行电法探测技术

并行电法是在高密度电法数据采集技术基础上的改进，它能完成传统电法的各种测量装置数据采集，而且能极大地提高野外勘探效率，高效丰富的数据采集与处理是系统的核心。根据并行电法数据采集方式的差异，可分为ABM法和AM法两种。AM法所采集的电位为单点电源供电下的电场，ABM法采集数据所反映的是偶极子供电情况，测线上两点A和B为供电电源，现场把布设公用N极作为电位的参照标准，其他电极为测量电极M，测试过程中没有空闲电极存在，一次测量结束后可实现高密度电法的各类装置数据需求，减小了数据采集时的系统误差。

采用并行电法探测系统，可进行试验现场的立体化布置，采集不同时刻渗漏液的电阻率影响值，进一步反演其三维立体电阻率值，实现对渗漏液流动变化范围的追踪。其中电法三维反演数据的表达式为

△d=G△m

式中：G表示Jacobi矩阵，△d是观测数据d和正演理论计算值d之间的残差向量，△m为初始模型m的修改向量。并行电法采集的数据为电场空间综合作用的参数值，也即是获得各个电极的供电电流值，自然电场、一次场、二次场测量值的大小，可通过三维电法反演软件反映地质体三维电阻率的空间分布，利于全方位观测地下介质污染状况。

2探查模拟试验与分析

2.1数值模拟试验

以重金属污染物为例，分别进行二维和三维模拟实验。其中金属污染核心区介质电阻率取1Ω·m，背景场介质电阻率取150Ω·m，多层介质设置时相互间有一定的区分度，具体设置情况依据效果作适当调整。）果层介质设置时相互要图1为不同个数污染源条件下模拟的反演电阻率剖面，图1（a）为单一污染源层状地层反演结果图，利用单极一偶极装置模拟污染源，可见低阻效应明显且收敛性较好；图1（b）为两个污染源处于多层相对高阻地层条件下的反演结果，其位置与形状收敛效果良好，反应特征与初设情况相符；图1（c）为两个污染源处于多层相对低阻地层条件下的反演结果。模拟结果表明，电法探查所设定的污染体在介质中低阻效应明显，且收敛性好，相对于周边介质易于区别。

图2为单一污染源三维污染场反演模拟结果图，污染源位于模型中心。通过三维效果，可以更加直观的看出污染源的低阻区域范围，其在不同层位的低阻异常特征有一定差别，表征利用电阻率方法进行介质污染探查具有良好的适用性。

2.2物理模拟试验

在尺寸为4.0mx2.0mx2.0m的地下沙槽进行模拟试验，其介质骨料由细沙和腐殖土构成，场地的均一性良好。根据沙土介质受到污染物渗透后引起介质物性差异，在沙土表层布置测试电极，建立平面和立体相结合的观测系统，探查和反演介质内部电性变化特征。

图3为模型场地的电极布置图，围绕着污染物注溶池共布置3条测线，其中，CX1为环形测线，呈长方形围绕在注溶液池四周，布置了64个电极，电极间距0.03 m，其中1#电极，16#，33#，48#电极分别位于长方形的四个角处，该测线为环形电透视序列；CX2跨过污染物注溶池，位于长方形对角线上，1#电极与CXl线16#电极重合，电极间距为0.03m，共布置24个电极；CX3为平行测线，与污染物注溶池侧边平行布置，电极间距0.02m，共有40个电极，利于形成立体电法测试系统。

试验前对三条测线的地电数据进行背景测量，此结果作为测区未受污染的基准值。随着硫酸铜溶液的加入，测量的结果与背景对比可确定污染液扩散过程及影响范围。数据采集时分别对三条测线进行并行电法数据，建立统一的空间坐标系进行地电场反演。图4为注液前后探测空间的三维电阻率分布图。该图以CX1测线的1#电极为系统坐标原点，向东为x正方向，向北为y正方向，竖直向下为z轴深度延展方向。图（a）表示背景测量值，表征沙槽介质环境，场地的电阻率基本上在150Ω·m以上，测量范围内沙土介质均匀；图（b）为自注溶池注入400mL硫酸铜溶液后的测试结果，其中心位置处存在相对低阻区域，且在0.18m和0.27m切片上低阻显现明显，0.18m处切片的低阻区域较大，反映出重金属离子溶液的扩散范围，但在深度和平面方向上影响范围程度存在一定的差异，呈晕状分布，分析为注入池中的重金属溶液在向外界扩散过程中与周围介质接触，降低了离子的浓度值，其导电差异突现。通过多个阶段电阻率图像的连续观测，可实时反映重金属离子溶液的扩散动态。根据电阻率变化情况，以20Ω·m以下阻值为重金属离子污染区域，确定在x方向上0.18～0.22m，z深度-0.10m以上为溶液扩散区域。

图5为污染物注入后两组不同扩散范围的电阻率分布图，该切片沿CX2线进行切片。图5（a）为注入少量溶液后测试结果，图5（b）为注入400mL溶液后的图像。污染物的扩散在横向0.23～0.47m、深度-0.18m以上电阻率值低于20Ω·m，这部分区域受到重金属离子溶液的渗透。据此可以观测硫酸铜溶液沿着测线平面内不同方向的运移特征，其探查效果良好。

3结论

1）数值和物理模拟结果表明，并行电法测试技术可对垃圾渗滤液污染进行有效检测，其试验效果良好，既有常规电法圈定污染场空间位置的能力，也可进行多状态跟踪探查，可用于现场实地探测与推广应用。

2）三维立体成像及电极电流时间变化结合使用，可进行渗滤液浸润面上和垂向扩散特征分辨，具有时空控制的全面性。但其判识的电阻率具体标准需结合不同场地的介质特性进行试验加以确定。

三维并行电法 篇3

基于此, 本文尝试利用直流电法和瞬变电磁技术对某一工作面进行联合物探, 以期提高异常体的准确位置并减少假异常, 从而提高物探的质量。

1、并行直流电法

直流电法主要对地下储水的情况进行探测, 主要包括:地质构造特点、含水层范围、厚度以及深度的分布、基岩构造裂隙发育、煤层顶板砂岩局部富水区等。为提高探测效率, 在传统电法基础上又发展出并行直流电法。

1.1 并行直流电法探测条件

并行直流电法是根据地质体中岩石电性差异和空间电场分布来推断岩石分布和性质的一种地球物理勘探方法, 其超前探测距离 (勘探深度) 与测量装置的布设长度密切相关[9]。对于不同岩性岩层的分布, 灰岩电阻率最高, 砂岩次之, 粘土岩类最低, 而一般煤层电阻率值相对较高。若岩层间存在构造破碎带时, 如果构造不含水, 则其导电性较差, 局部电阻率值增高;反之, 则其导电性增强。因此, 利用这种变化规律可以完成电磁法的物探。

1.2 并行直流电法探测过程

并行直流电法一般采用智能电极完成探测, 各电极通过网络协议与主机实时保持联系。接受供电状态命令时, 电极采样模块断开, 此时处于供电状态, 否则一直处于在电压采样状态, 并通过通讯系统实时将测量数据送回主机。根据这种供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样, 采样过程没有空闲电极出现。所采集的数据可进行自然电位、视电阻率和激发极化参数等数据处理。根据电极观测装置的不同, 并行电法数据采集方式分为两种:AM法和ABM法[10]。

AM法中, 若某个电极接收到供电命令, 则该电极通过电子开关与供电档相连, 其他所有电极开关置向测量档 (M极) , 并通过网络节点方式与N电极相连。在A供电过程中, 所有的M电极同时测量与N电极的电位差Uij, Uij值分为供电前、中、后3段内容, 分别对应于自然电位、一次场电位和二次场电位值。这样对阵列电极的n个电极顺次供电, 其余电极进行测量, 就完成了整个测线的数据采集。

ABM法则通过电子开关控制阵列电极, 测线上布置两个供电电极, 其余为测量电极, 并通过网络节点方式与电极相连。在第一轮供电测量时, 将1号电极作为供电A极, 2号电极首先为供电B极, 其余电极同时测量电位, 然后, 1号电极仍为供电A极, B极移至3号电极, 其余电极同时测量电位, 这样顺次移动, 便完成了第一轮的AB供电扫描测量。第二轮测量时则将A极移到另一位置, 然后再顺次移动B极位置。这样依次测量直到A极移到n-1号电极, B极移到n号电极, 便完成一条测线的测量。

1.3 并行直流电法的特点

根据文献[9], 直流电法因其理论成熟, 现在的仪器不仅操作简单、携带方便、成本低廉等优点, 而且能以较小的误差确定顺层超前探测掘进巷道前方80m范围内的含导水地质构造的位置。然而直流电法勘探仍然存在着一些不足, 例如, 直流电法的数据反演是基于视电阻率相对值, 而这个相对值是掘进头前方某一段探测范围内的视电阻率相对值大小, 与富水性的大小存在一定必然关系, 但不是绝对比例关系, 并且有时还会出现一定数量的“虚假”含水体。

2、瞬变电磁探测法

瞬变电磁法 (TEM) 作为一种重要电磁勘探方法, 它通过瞬变电磁脉冲感应产生涡流场的运动学特性来反应地质体的结构情况。

2.1 瞬变电磁探测法原理

瞬变电磁法通过给发送回线提供一个电流脉冲方波, 在方波下降沿瞬间, 会产生一个向回线法线方向传播的一次磁场, 于是在一次磁场的激励下, 地质体将产生涡流, 其大小取决于地质体的导电程度, 在一次场消失后, 该涡流将有一个缓慢衰减过程直至消失 (图1) 。

涡流在消失过程又会产生衰减的二次场向掌子面传播, 该二次场由接收回线接收, 它的变化就反映出地质体的电性分布情况[11]。如测量二次感生电动势V (t) 的延迟时间不同, 就会得到二次磁场随时间衰减的特性曲线。若无良导体存在, 过渡衰减过程将很快结束;反之, 在电源切断的一瞬间, 导体内部将产生涡流以维持一次场的切断, 过渡衰减过程将变慢, 据此可判断导体的存在。瞬变电磁场在大地中的传播扩散形式类似于“烟圈” (图2) , 扩散过程中, 电磁能量直接在导电介质中传播而消耗, 由于趋肤效应, 高频部分主要集中在地表附近, 且其分布范围是源下面的局部, 较低频部分传播到深处, 且分布范围逐渐扩大。

2.2 瞬变电磁法视电阻率

在瞬变电磁探测中, 瞬变电磁测量装置接收回线中的感应电位一般为其周围空间有效探测范围内所有岩层导电性的综合响应[12]。因此, 瞬变电磁视电阻率可以看做是全空间岩层导电性的综合反映, 其计算公式为

式中, C为全空间响应系数;S为接收回线线圈面积;N为线圈匝数;t为二次场衰减时间;V/I为归一化二次场电位值。

2.3 视电阻率-深度曲线数学模型

根据图2地下感应电流的分布以及电磁场的传播理论, 对于地下半空间为不均匀分布的导电介质或任意导电介质分布情况下, 电磁波在地下传播也要满足麦克斯韦方程组, 其发射回线中心电磁场垂直扩散速度与均匀介质情况扩散速度满足一定比例关系[13,14], 即任意导电介质分布情况下电磁场垂直扩散速度vs和深度D为

对实际测量的视电阻率-时间曲线, 通过式 (2) 和式 (3) 的换算可得到视电阻率-深度曲线, 根据导电介质的电性分布确定相应的深度。

2.4 瞬变电磁探测特点

在实际应用过程中, 瞬变电磁法对低阻的反应灵敏, 其优点是具有较强的方向性、体积效应小、探测深度相对较大。但瞬变电磁法同时也易受电磁干扰影响, 例如地面勘探时的高压线、信号塔等, 井中勘探时的支护、掘进设备等。同时瞬变电磁的理论发展相对不完善, 所测异常范围比较大, 异常的位置定位一般不准确[15]。

3、探测实例

为检查某煤矿对岩溶塌陷区注浆的效果, 分别进行了地面瞬变电磁及电法探测工作。探测使用的瞬变仪器和并行电法仪器分别为福州华虹智能科技开发有限公司研制的YCS256和YDZ16 (B) , 该仪器对低阻充水区域反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高, 且具有施工方便、快捷、效率高等优点, 既可以用于煤矿掘进头前方超前探测, 也可以用于侧帮、煤层顶、底板等探测, 为煤矿企业在生产过程中可能存在的水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。

3.1 瞬变电磁现场勘探

根据现场探测目的及要求, 本次测线覆盖了90×30m2的岩溶塌陷区, 共布置4条140m长的测线, 相邻测线间隔为10m, 测线上测点间隔也为10m, 每个测线垂直向下探测一个数据, 具体测网布置示意图如下。

测量完成后, 根据式 (2) -式 (5) 可得出探测范围内的视电阻率剖面图 (图4) , 其中横坐标表示测线长度, 纵坐标表示测量深度, 图中不同的色调表示不同的视电阻率值, 并且遵循色调从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高的规律。

通过联合瞬变电磁勘探线1、2、3和4的结果, 可以反演出不同深度上的视电阻率值水平分布情况, 如图5所示。然后根据整个立体视电阻率的情况, 找出异常区在平面上的位置, 如图6所示。

以测线1的起点为原点, 以东82°为X轴的正方向, 以北向为Y轴正向建立坐标系, 通过本次瞬变电磁探测结果可以看出, 在整个测区出现两个视电阻率异常区域, 分别在整个测区P (x, y) 的 (55m~70m, 10m-30m) 和 (85m~100m, 10m-30m) 范围内。

3.2 直流电法现场勘探

对该注浆区进行瞬变电磁勘探后, 为了进一步提高勘探质量, 我们用并行直流电法仪进行了现场勘探。现场共布置三条测线, 如图8所示。数据采集后经软件分析处理得到探测范围内三条测线的视电阻率剖面图 (图7) 。与瞬变电磁一致, 图中不同的色调表示不同的视电阻率值, 并且色调从冷色调到暖色调也表示视电阻率值不断升高的规律。综合3条直流电法勘探线可以得出, 该区域地表第四系覆盖层相对稳定, 厚度在10m左右。

参考

从图8可以看出, 利用直流电法探测出一个异常区, 位于工作平面 (60m-90m, 5m-20m) 范围。

3.3 综合数据分析

从3.1和3.2分别可以得知, 利用瞬变电磁和直流电法都能探测出注浆区存在着异常, 但两种探测手段探测出来的区域都较为粗糙, 利用瞬变电磁探测出2个异常区, 而利用直流电法则探出一个异常区。但瞬变电磁异常区1和直流电法的异常区存在着部分重叠, 其重叠部分在 (60m-70m, 10m-20m) 处 (图9) 。结合现场条件可把此块区域为综合探测的重点异常区域, 分析为岩溶裂隙发育区域, 从而反映出综合物探比单一物探更能确定重点异常区的精确位置。

4、结论