直流电阻率法三维超前探测异常体位置数值模拟

刘 路, 刘盛东, 孙茂锐

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥 230088；
2.中国矿业大学，徐州 221008)

直流电阻率法[1-3]超前探测受人工施工或金属干扰少，探测时不易受交变电磁场的干扰优势，其对低阻异常反应灵敏、分辨率高，在探测含水采空区、含水断层、富水岩层及溶岩陷落柱等，对生产建设危害性极大的水文地质构造有广泛应用，在实际应用中取得了较为显著的成效，但是该方法存在较大的争议，其探测机制也尚未完善[4-5]。通过超前预测预报，能够及时、全面地了解掘进前方工程地质和水文地质情况，进而合理地安排掘进计划，有效采取预防措施，避免地质灾害的发生，同时提高掘进效率，降低生产成本。现有方法技术，在观测系统布置、数据采集、有效信息捕获以及后期数据处理等诸多方面仍存在不足，因此积极开展电阻率法超前探测技术研究具有较强的理论与实践价值[6-9]。

对三维观测系统的坐标系作出约定，以迎头掘进方向为X轴正方向，以面对掌子面方向时巷道左帮方向为Y轴正方向，以巷道顶板方向为Z轴正方向。设立如图1所示三维观测系统，分别在巷道底板与左右帮布置测线。通过三条测线与同一异常的不同空间位置变化引起的数据变化差异来对异常进行空间粗略定位，从而提高解释精度。

AGI EarthImager 3D[10]，是地球物理电法类科研与实践中很常用的三维电阻率法和激发极化法正反演软件。

图1 三维超前探测观测系统Fig.1 3D advanced prediction observation system

图2 装置类型的正演模型图(围岩电阻率100 Ω·m)Fig.2 Forward model figure of device type (surrounding rock resistivity 100Ω·m)(a)均匀介质；
(b)低阻板状体；
(c)高阻板状体

表1 装置类型的正演模型参数

2.1 装置类型

采用直流电阻率法超前探测可用的二极装置与三极装置，其中二极装置根据无穷远电极的位置(即B、N在迎头前方或后方)分为二极B正与二极B负两组，三极装置选取了最常用的单偶极跑极方式，并分为单偶极一倍极距与单偶极两倍极距两组。对以上四类装置型式进行AGI正演模拟，保持围岩性质不变，分别模拟在均质全空间、低阻板状体、高阻板状体这几类影响因素下的结果，测线为单条，有32个电极，电极距为3 m，兼顾数值模拟时间与超前数据量，选择了六点源跑极方式，计算方法为有限差分法。表1是装置类型的正演模型参数，图2是装置类型的正演模型图。

由图3可知，四种典型装置类型在均匀介质中的视电阻率特征为：二极装置与单偶极装置总体阻值均准确，但随着超前距离的增加误差逐渐增大；
二极B正的阻值随超前距离的增加极缓慢上升，二极B负则正相反，阻值随超前距离的增加极缓慢下降，且不收敛性大于二极B正；
单偶极的阻值则呈螺旋形分布，整体呈缓慢上升趋势，且单偶极一倍极距与两倍极距拟合度很高，基本无差别。综合来看，无穷远电极B的位置对正演结果有影响，二极B正较二极B负稳定度高。

图3 不同装置类型的视电阻率特征(1#电极)Fig.3 Influence of different types of device characteristics of apparent resistivity (electrode 1#)(a)均匀介质视电阻率;(b)低阻板状体视电阻率;(c)高阻板状体视电阻率

四种典型装置类型在板状体影响下的视电阻率特征为：板状体的范围为迎头前方11.7 m～17.3 m，厚度为5.6 m，板状体的位置与厚度设计遵循“探厚比”原则。二极装置与单偶极装置的视电阻率曲线均受前方板状体的影响，迅速出现极小值(低阻板状体)或极大值(高阻板状体)后，趋于背景值。低阻板状体下，二极装置的视电阻率曲线极小值出现在约21 m处，单偶极的则出现在约38 m处，即二极装置对低阻板状体的识别明显优于单偶极装置；
高阻板状体下，二极装置的视电阻率曲线极大值出现在约30 m处，单偶极的则出现在约51 m处，二极装置对高阻板状体的识别同样优于单偶极装置；
但通过对比发现，在异常体电阻率比值倍数一致的条件下，所有装置类型均对低阻更敏感，对低阻异常的识别更准确，分析可能是由于电流线服从“最小能量原理”，高阻体对电流具有排斥作用，低阻体则有吸引电流的作用；
二极B正的阻值拟合仍然优于二极B负，单偶极的阻值整体收敛性差于二极装置。

2.2 前方异常

在直流电法现场超前探测时，异常体的分布位置是值得关注的问题，也是影响探测结果的重要影响因子，保持围岩性质不变，无巷道影响，分别模拟迎头前方不同位置的低阻或高阻块状异常体的结果，并模拟在测线后方存在干扰性质的旁侧异常体时，前方目标异常体的正演效果，提出对旁侧异常的校正方法。采用三维三测线观测系统，有96个电极，电极距为3 m，装置类型为正演效果较优的二极B正(即B、N在迎头前方)，兼顾数值模拟时间与超前数据量，选择六点源跑极方式，即只有前六个电极供电，计算方法为有限差分法。表2是前方异常的正演模型参数，图4是前方异常的正演模型图。

表2 前方异常的正演模型参数

图4 前方异常的正演模型图(围岩电阻率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

由图5可知，通过三测线1#电极视电阻率曲线的不同特征，可以对前方异常体的分布位置进行初步定位，概括起来，离前方异常较近测线的视电阻率曲线具有极值更明显，幅度变化更大，尾支收敛速度更快这几个特点。

图5 不同位置前方异常的视电阻率特征(1#电极)Fig.5 Apparent resistivity characteristics of front anomalies in different positions (electrode 1#)(a)前方异常-左;(b);前方异常-右;(c)前方异常-上;(d)前方异常-下

由图6可知，两组块状体组合后的视电阻率特征为：依旧从1#电极提取数据，当两组块状体呈前后排列时，不论离迎头更近的块状体是高阻还是低阻，较近的块状体的异常响应大多会压倒性地掩盖离迎头更远的块状体的异常响应，使后者无法准确识别；
即使当更后方的块状体尺寸远远大于更前方的时，也只能使更后方的异常响应增强，仍然不能准确定位。

图6 两组不同位置前方异常的视电阻率特征(1#电极)Fig.6 Apparent resistivity characteristics of front anomalies in two different positions (electrode 1#)(a)两组异常体(低阻);(b)两组异常体(高阻+低阻)

2.3 旁侧异常

关于旁侧异常，以低阻块状异常作为主要研究对象，表3是旁侧异常的正演模型参数，图7是旁侧异常的正演模型图。

表3 旁侧异常的正演模型参数

图7 旁侧异常的正演模型图(围岩电阻率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

由图8可知，通过三测线1#电极视电阻率曲线的不同特征，可以对旁侧异常体的分布位置进行初步定位，其规律与前方异常类似。另有，相同尺寸与阻值的异常体，在测线范围内的响应要强于迎头前方，带来的阻值变化更大。

图8 不同位置前方异常的视电阻率特征(1#电极)Fig.8 Apparent resistivity characteristics of anomalies in different positions(electrode 1#)(a)旁侧异常-左;(b)旁侧异常-右;(c)旁侧异常-上;(c)旁侧异常-下

以“旁侧异常-左”为例，提取左帮测线前六个电极的视电阻率信息，如图9所示， 可知旁侧异常体在六点源提取的视电阻率曲线上有显著不同的反应，与六条视电阻率曲线对前方异常体定位位置相同或相近不同，测线范围内的干扰异常体经过数据提取超前到迎头前方时，极值点出现的节点出现了与电极距相当的偏移，从而可以有效识别出视电阻率曲线上反应的极值到底为前方的真实目标异常或是旁侧干扰异常。

图9 旁侧异常的视电阻率特征(六电极)Fig.9 Apparent resistivity characteristics of flanking anomaly (6 electrodes)

在对不同位置前方异常与旁侧异常的视电阻率曲线特征进行研究后，以前方低阻异常-左与旁侧低阻异常-下这一类情况为例，研究同时存在前方异常与旁侧异常的曲线特征，通过三测线可对异常的方位进行推测，再选取其中一条测线提取前六个电极的信息，进行超前显示。由图10可知，异常体电阻率比值u1=100的前方异常与异常体电阻率比值u2=10的旁侧异常大小相同，但旁侧异常的响应依然强于前方异常，且在其低阻值影响下，前方异常的极小值点被掩盖，定位困难，但可以通过不同位置三测线的曲线特征对异常的方位进行推测。旁侧异常超前到迎头前方时，极值点出现的节点出现了与电极距相当的偏移，而前方异常定位稳定，从而可以区分有效异常与干扰异常。

图10 同时存在前方与旁侧异常的视电阻率特征Fig.10 Apparent resistivity characteristics of front and flanking anomalies(a)前方+旁侧异常(低阻);(b)底板测线前方+旁侧异常(低阻)

选取典型的几类异常体位置地电模型，对正演得到的数据进行反演并成像，从而进一步验证超前探测系统的效果，三维显示的方式也更为直观。表4是反演地电模型参数，图11是地电模型的正演模型图。

表4 反演地电模型参数

图11 地电模型的正演模型图 (围岩电阻率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

图12为部分典型地电模型的三维反演成果图。对于前方与旁侧块状异常体，反演结果定位均较准确，且相同尺寸与阻值的块状异常体，旁侧的响应远大于前方。同存在前方与旁侧低阻异常时，旁侧异常响应强烈，很容易定位，前方异常虽有响应，对区域阻值造成影响，但准确定位较难。

图12 地电模型的三维反演成果图Fig.12 3D inversion results of electric models(a)左前-低阻；
(b)右-低阻；
(c)左前+下-低阻

笔者提出了一种三维超前探测系统，利用直流电法正反演软件AGI(Earth Imager 3D)的正演数值模拟，提取电性参数，分析异常体位置与超前探测结果的相关关系，研究了其对直流电法三维超前探测结果的影响，并对典型地电模型进行三维反演，分析其效果，得出如下结论与展望。

1)关于异常体位置，三维观测系统可以对不同位置的异常作出识别，离异常较近测线的视电阻率曲线具有极值更明显，幅度变化更大，尾支收敛速度更快的特点。

2)两组前方异常前后排列，较近的异常响应会压倒性地掩盖离迎头更远的异常响应，使后者无法准确识别。

3)相同尺寸与阻值的异常体，在测线范围内的异常响应要强于迎头前方异常。

4)通过多点源参与处理，可有效排除旁侧异常。

5)目前只是针对相对理想的条件进行了数值模拟，背景值均考虑为各向同性的均匀介质，对于电阻率的矢量性只简单考虑了其空间分布的不均一性，三维观测系统只能提供推测性的异常空间分布，仍不足以捕捉更细微的差异。