直流電阻率法三維超前探測異常體位置數值模擬

劉 路, 劉盛東, 孫茂銳

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，合肥 230088；2.中國礦業大學，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勢，其對低阻異常反應靈敏、分辨率高，在探測含水采空區、含水斷層、富水巖層及溶巖陷落柱等，對生產建設危害性極大的水文地質構造有廣泛應用，在實際應用中取得了較為顯著的成效，但是該方法存在較大的爭議，其探測機制也尚未完善[4-5]。通過超前預測預報，能夠及時、全面地了解掘進前方工程地質和水文地質情況，進而合理地安排掘進計劃，有效采取預防措施，避免地質災害的發生，同時提高掘進效率，降低生產成本。現有方法技術，在觀測系統布置、數據采集、有效信息捕獲以及后期數據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研究具有較強的理論與實踐價值[6-9]。

1 三維觀測系統

對三維觀測系統的坐標系作出約定，以迎頭掘進方向為X軸正方向，以面對掌子面方向時巷道左幫方向為Y軸正方向，以巷道頂板方向為Z軸正方向。設立如圖1所示三維觀測系統，分別在巷道底板與左右幫布置測線。通過三條測線與同一異常的不同空間位置變化引起的數據變化差異來對異常進行空間粗略定位，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踐中很常用的三維電阻率法和激發極化法正反演軟件。

圖1 三維超前探測觀測系統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；(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

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，其中二極裝置根據無窮遠電極的位置(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行AGI正演模擬，保持圍巖性質不變，分別模擬在均質全空間、低阻板狀體、高阻板狀體這幾類影響因素下的結果，測線為單條，有32個電極，電極距為3 m，兼顧數值模擬時間與超前數據量，選擇了六點源跑極方式，計算方法為有限差分法。表1是裝置類型的正演模型參數，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，無窮遠電極B的位置對正演結果有影響，二極B正較二極B負穩定度高。

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在約21 m處，單偶極的則出現在約38 m處，即二極裝置對低阻板狀體的識別明顯優于單偶極裝置；高阻板狀體下，二極裝置的視電阻率曲線極大值出現在約30 m處，單偶極的則出現在約51 m處，二極裝置對高阻板狀體的識別同樣優于單偶極裝置；但通過對比發現，在異常體電阻率比值倍數一致的條件下，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于二極B負，單偶極的阻值整體收斂性差于二極裝置。

2.2 前方異常

在直流電法現場超前探測時，異常體的分布位置是值得關注的問題，也是影響探測結果的重要影響因子，保持圍巖性質不變，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果，并模擬在測線后方存在干擾性質的旁側異常體時，前方目標異常體的正演效果，提出對旁側異常的校正方法。采用三維三測線觀測系統，有96個電極，電極距為3 m，裝置類型為正演效果較優的二極B正(即B、N在迎頭前方)，兼顧數值模擬時間與超前數據量，選擇六點源跑極方式，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，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

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。

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#電極提取數據，當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大多會壓倒性地掩蓋離迎頭更遠的塊狀體的異常響應，使后者無法準確識別；即使當更后方的塊狀體尺寸遠遠大于更前方的時，也只能使更后方的異常響應增強，仍然不能準確定位。

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 旁側異常

關于旁側異常，以低阻塊狀異常作為主要研究對象，表3是旁側異常的正演模型參數，圖7是旁側異常的正演模型圖。

表3 旁側異常的正演模型參數

圖7 旁側異常的正演模型圖(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，可以對旁側異常體的分布位置進行初步定位，其規律與前方異常類似。另有，相同尺寸與阻值的異常體，在測線范圍內的響應要強于迎頭前方，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)旁側異常-左;(b)旁側異常-右;(c)旁側異常-上;(c)旁側異常-下

以“旁側異常-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， 可知旁側異常體在六點源提取的視電阻率曲線上有顯著不同的反應，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，測線范圍內的干擾異常體經過數據提取超前到迎頭前方時，極值點出現的節點出現了與電極距相當的偏移，從而可以有效識別出視電阻率曲線上反應的極值到底為前方的真實目標異常或是旁側干擾異常。

圖9 旁側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異常的視電阻率曲線特征進行研究后，以前方低阻異常-左與旁側低阻異常-下這一類情況為例，研究同時存在前方異常與旁側異常的曲線特征，通過三測線可對異常的方位進行推測，再選取其中一條測線提取前六個電極的信息，進行超前顯示。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的旁側異常大小相同，但旁側異常的響應依然強于前方異常，且在其低阻值影響下，前方異常的極小值點被掩蓋，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行推測。旁側異常超前到迎頭前方時，極值點出現的節點出現了與電極距相當的偏移，而前方異常定位穩定，從而可以區分有效異常與干擾異常。

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

3 AGI反演模擬

選取典型的幾類異常體位置地電模型，對正演得到的數據進行反演并成像，從而進一步驗證超前探測系統的效果，三維顯示的方式也更為直觀。表4是反演地電模型參數，圖11是地電模型的正演模型圖。

表4 反演地電模型參數

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。對于前方與旁側塊狀異常體，反演結果定位均較準確，且相同尺寸與阻值的塊狀異常體，旁側的響應遠大于前方。同存在前方與旁側低阻異常時，旁側異常響應強烈，很容易定位，前方異常雖有響應，對區域阻值造成影響，但準確定位較難。

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 結論與展望

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

1)關于異常體位置，三維觀測系統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。

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

3)相同尺寸與阻值的異常體，在測線范圍內的異常響應要強于迎頭前方異常。

4)通過多點源參與處理，可有效排除旁側異常。

5)目前只是針對相對理想的條件進行了數值模擬，背景值均考慮為各向同性的均勻介質，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，三維觀測系統只能提供推測性的異常空間分布，仍不足以捕捉更細微的差異。