龙固三维电法报告

1、新汶矿业集团龙固煤矿井下高密度三维电法勘探及超前勘探报告受新汶矿业集团龙固煤矿的委托，山东科技大学在该矿的北区 辅助运输大巷1和辅助运输大巷2进行了井下高密度三维电法勘探及 其超前探测。井下数据采集工作于2007年9月7日完成，2007年9 月11日前进行了数据处理，之后进行了资料解释及报告编制工作， 并提交该成果。勘探范井下三维勘探范围为辅1、辅2已掘大巷之间的区域，基本为一 280mx 40m的近矩形区域，面积约11200m2。井下超前探测在辅2已掘大巷中进行。二、目的与任务井下三维电法勘探任务：利用井下高密度三维电法技术，对龙固煤矿辅1、辅2已掘大 巷之间底板地层的富水性进行探测，构建底

2、板地层电阻率三维数据 体，圈定该范围内底板地层的富水区域，分析FL8断层的富水性及其 向下延伸情况，指导龙固煤矿防治水工作。超前探测任务：应用山东科技大学自主研发的井下电法超前探测技术，对龙固煤矿井下辅2两条运输大巷进行超前探测，要求探测长度不小于100 米，查明巷道掘进前方地层的富水性，指导巷道的掘进工作。三、勘探原理1、含煤地层的主要电性特征岩层与岩层之间，岩层与煤层之间的电阻率差异是在煤矿井下 巷道中开展直流电法勘探的物理前提。了解岩石和煤的电阻率及其影 响因素，对于合理布置矿井电法勘探工作、正确解释实测电阻率法资 料具有重要意义。（1）岩石的电阻率由均匀材料制成的具有一定横截面积的导体

3、,其电阻R与长度L 成正比，与横截面积S成反比，即L R = p S式中，P为比例系数，称为物体的电阻率。电阻率仅与导体材料的性质有关，它是衡量物质导电能力的物理量。不同岩石的电阻率变化范围很大，常温下可从10-8Qm变化到10i5Qm,与岩石的导电方式不同有关。岩石的导电方式大致可分为以下四种:石墨、无烟煤及大多数金属硫化物主要依靠所含的数量众多的 自由电子来传导电流，这种传导电流的方式称为电子导电。由于石墨、 无烟煤等含有大量的自由电子，故它们的导电性相当好，电阻率非常 低，一般小于。 ”，是良导电体。岩石孔隙中通常都充满水溶液，在外加电场的作用下，水溶液 中的正离子（如Na+、K+、Ca

4、2+等）和负离子（Cl-、SO 2-等）发生定向运动4而传导电流，这种导电方式称为孔隙水溶液的离子导电。沉积岩的固 体骨架一般由导电性极差的造岩矿物组成，所以沉积岩的电阻率主要 取决于孔隙水溶液的离子导电，一切影响孔隙水溶液导电性的因素都 会影响沉积岩的电阻率，如岩石的孔隙度、孔隙的结构、孔隙水溶液 的性质和浓度以及地层温度等，都对沉积岩的电阻率产生不同程度的 影响。绝大多数造岩矿物，如石英、长石、云母、方解石等，它们的 导电是矿物晶体的离子导电。这种导电性是极其微弱的，所以绝大多 数造岩矿物的电阻率都相当高（大于106Qm）。致密坚硬的火成岩、 白云岩、石灰岩等，它们几乎不含水，而其矿物晶体

5、的离子导电又十 分微弱，故它们的电阻率很高，属于劣导电体。泥质一般是指粒度小于10 口 m的颗粒，它们是细粉砂、粘土 与水的混合物。泥质颗粒对负离子具有选择吸附作用，从而在泥质颗 粒表面形成不能自由移动的紧密吸附层，在此紧密吸附层以外是可以 自由移动的正离子层。在外电场作用下正离子依次交换它们的位置， 形成电流。这种以泥质颗粒表面的正离子来传导电流的方式与水溶液 的离子导电方式不同，称为泥质颗粒的离子导电，也称为泥质颗粒的 附加导电。粘土或泥岩中泥质颗粒的离手导电占绝对优势，由于粘土 颗粒或泥质颗粒表面的电荷量基本相同，所以粘土或泥岩的导电性能 比较稳定，它们的电阻率低且变化范围小。在砂岩中，

6、随着岩石颗粒 的变细，附加导电所起的作用将越来越大，特别是细砂岩和粉砂岩， 附加导电对岩石的电阻率影响很大。（2）岩石电阻率与矿物成分的关系岩石电阻率与组成岩石的矿物的电阻率、矿物的含量和矿物的 分布有关。当岩石中含有良导电矿物时，矿物导电性能能否对岩石电 阻率的大小产生影响取决于良导矿物的分布状态和含量。如果岩石中 的良导矿物颗粒彼此隔离地分布着，且良导矿物的体积含量不大，那 么岩石的电阻率基本上与所含的良导矿物无关,只有当良导矿物的体 积含量较大时（大于30%），岩石的电阻率才会随良导矿物的体积含 量的增大而逐渐降低。但是，如果良导矿物的电连通性较好，即使它 们的体积含量并不大，岩石的电阻

7、率也会随良导矿物含量的增加而急 剧减小。（3）岩石电阻率与其含水性的关系沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流，因此岩层中水的导电 性质将直接影响沉积岩的电阻率。在其他条件相同的情况下，岩层电 阻率与岩层中水的电阻率成正比。影响水的导电性的主要因素是水中 离子的浓度和水的温度。煤田中常见的岩层水一般含低或中等浓度的 离子，岩层中水的含盐浓度增大，离子数量随之增多，溶液导电性将 变好。同时岩层中水的导电性还与温度有关，它的电阻率将随温度的 升高而降低。这是因为，一方面水中盐类的溶解度随温度的升高而增 大，致使溶液中离子数量增多；另一方面，温度的升高还会降低溶液 粘度，加快离子的迁移速度。（4）岩石电

8、阻率与其孔隙度和孔隙结构的关系由于地下水只充填在岩石的孔隙空间之中，因而岩石电阻率不 仅与岩石中水的电阻率有关，而且还与岩石的孔隙度和孔隙结构有 关。岩石孔隙度的大小决定着岩石中水的含量，从而决定着岩石中离 子的数量；岩石孔隙的结构（包括孔隙通道的截面积大小、弯曲程度 以及连通程度等）则影响着离子的运动速度和参加运动的离子数量。（5）岩石电阻率与岩性的关系含煤地层主要由砂、泥质岩和碳酸盐岩组成，它们的电性特征 分别讨论如下。砂、泥质岩 砂、泥质岩包括碎屑岩类和粘土岩类。碎屑岩 由碎屑颗粒、胶结物、泥质及含水孔隙组成，与碳酸盐岩相比，碎屑 岩的孔隙度较大，孔隙结构较简单、规则。一般碎屑岩的电阻率

9、随其 粒度的减小、分选性变好、泥质含量增高、胶结程度变差和孔隙中水 含盐量的增大而降低。砂岩电阻率在数十至数千欧姆米之间变化。分 选性差、颗粒粗、胶结程度高的致密砂岩电阻率高；反之，分选性好、 颗粒细、胶结程度低的疏松砂岩电阻率相对较低。胶结物不同，砂岩 电阻率也不同，钙质、硅质或铁质胶结的砂岩电阻率一般比泥质、粘 土质胶结的砂岩电阻率高。砾岩由于颗粒粗、分选性差，故常具有比 砂岩还高的电阻率。粘土、页岩、泥岩等粘土类岩石以泥质颗粒的离 子导电方式为主，因为泥质颗粒表面的电荷量基本相同，所以粘土、 泥岩、页岩等的导电性比较稳定，它们的电阻率一般在1nx 10Qm 之间变化。其中，页岩比粘土和泥

10、岩更致密，故其电阻率稍高。当砂岩或 砾岩含有泥质时，由于增添了泥质的附加导电性，其电阻率也会降低。砂、泥质岩石电阻率由小到大的顺序是：泥岩或粘土 一页岩一细砂岩 或粉砂岩中砂岩粗砂岩砾岩。碳酸盐岩 碳酸盐岩主要是以纯化学方式沉淀生成的。这类 岩石的颗粒极细，粒间几乎没有孔隙，故其电阻率通常很高，可达！ X103104Qm。然而，当碳酸盐岩在外因作用下形成的裂隙或溶 洞充水时，其电阻率将会明显降低。此外，如果碳酸盐岩中含有泥质 时，它的电阻率也会有所下降。岩石电阻率与层理的关系层理构造是大多数沉积岩和变质岩的典型特征，如砂岩、泥岩、 片岩、板岩以及煤层等，它们均由很多薄层相互交替组成。这种岩石

11、的电阻率具有明显的方向性，即沿层理方向和垂直层理方向岩石的导 电性不同，称为岩石电阻率的各向异性。岩石电阻率的各向异性可 用各向异性系数入来表示，定义为人=，n Pt式中，Pn代表垂直层理方向上的平均电阻率，称为横向电阻率； P t代表沿层理方向的平均电阻率，称为纵向电阻率(图1)。由于岩层 横向电阻率始终大于纵向电阻率，所以岩石的各向异性系数入总大于 1。特别地，当入=1时，则为各向同性介质。组成煤系的常见岩层中， 石墨、碳质页岩和无烟煤互层时各向异性最明显，烟煤或粘土质页岩 次之，其他岩层更次之。一般地，岩层与夹层的导电性差异越大，互 层越频繁，岩石的各向异性越明显。图1层状结构岩石模型岩

12、石电阻率与温度的关系岩石电阻率随温度的变化遵循导电理论的有关定理。电介质中 离子的能动性随温度升高而增大，其运动能量积累到一定值时，很容 易脱离晶格，因此导电性增强。半导体的温度升高时，导电区电子浓 度增大，导电性也相应增大。如前所述，在低温条件下，含水岩石中 水溶液的导电性随温度的升高而增大，这是由于温度升高导致水溶液 浓度增大和粘滞度降低，水溶液中离子数量增多、活动性增强的缘故； 当温度继续升高时，因水分蒸发，岩石电阻率略有增加，只有温度继 续升高时，电阻率才开始减小。例如，对油页岩进行加温实验时，温 度升高到50100C时，试样的电阻率减小；温度继续升高至200C 时，试样电阻率增大；温

13、度继续升高超过200C时，试样电阻率急剧 下降；当温度超过600C后，试样电阻率又呈回升趋势。烟煤(褐煤、 肥煤、气煤)电阻率与温度间的关系与上述情形类似。岩石电阻率与压力的关系岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根 据压力特征，这种破坏可能是岩石的压实，孔隙收缩，颗粒接触面积 的增大，形成裂隙组，或是个别区域之间粘结性减小等等。静水压力对岩石的压实作用最大，在静水压力作用下，岩石内 出现残余变形，从而使孔隙度降低。此时压力对岩石电阻率的影响与 岩石内液体和气体的含量有关，往往随压力的增大，干燥或者稍许含 水岩石的电阻率减小，这是由于孔隙度降低、颗粒间接触良好的原因。 除此之外

14、，岩石中孤立的含水孔隙在压力作用下闭合并形成连续的导 电通路，也会使其电阻率减小。对于大多数岩石，当单轴压力由10Mpa 增加到60Mpa时，可观测到岩石电阻率的剧烈变化。但是，某些粘土 在压力作用下，由于孔隙中的水分被挤出，含水孔隙通道的截面缩小， 从而使其电阻率增大。对于非常潮湿煤，压力增大时，电阻率也增大。相反，在应力弱化作用下，岩石颗粒之间内部粘结性降低，致 使岩石强度变小，岩石可碎性增强。当岩石内部裂隙发育但裂隙不充 水时，岩石电阻率会增大，若裂隙充水，岩石电阻率会显著减小。（9）煤的电阻率煤的电阻率与煤化程度、煤岩组分、矿物杂质含量以及水分等 因素有关。煤化程度很低的褐煤，常含有较

15、高的水分和溶于水的腐植酸离 子，故其电阻率较低，一般仅为数十至数百欧姆米。随着煤化程度的 加深，褐煤中水分和溶于水的腐植酸离子含量将显著减少，因而褐煤 的离子导电性减弱，其电阻率明显增高。烟煤常具有较高的电阻率， 但随煤变质程度的加深，电阻率减小，过渡至无烟煤，电阻率急剧下 降。烟煤电阻率的变化范围为数十至数千欧姆米，无烟煤常常具有良 好的电子导电性，因而其电阻率很低，一般在1Qm以下。煤中矿物杂质的电阻率通常低于褐煤或烟煤中有机质的电阻率，而高于无烟煤中有机质的电阻率。因此，褐煤或烟煤的电阻率随 矿物杂质含量的增高而降低，而无烟煤的电阻率则随矿物杂质含量的 增高而增大。但当无烟煤层中含有大量

16、黄铁矿时，由于黄铁矿的电阻 率很低，也会使无烟煤的电阻率降低。煤的湿度分为内部湿度和外部湿度。煤的内部湿度是煤的电阻 率随其变质程度变化的主要因素之一。煤的外部湿度取决于煤田的水 文地质条件，外部部湿度一般较大，所以氧化带的电阻率往往比深部煤的电阻率低。各种煤岩组分中，丝炭的电阻率比镜煤低。综上所述，电阻率是表征岩石和煤性质的重要物理参数，岩石 和煤的电阻率不同程度地依赖于它们的成分、结构、所含水分等因素， 随着影响因素的改变而在较大范围内变化。2、矿井直流电法勘探的工作原理直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电 极把电流供入大地，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率

17、所必需的电位或电位差信息。对于矿井直流电法勘探而言,供电、测 量电极通常布置在巷道顶底板或巷道侧帮上，从不同角度去观测巷道 周围稳恒电流场的分布、变化规律，藉以了解巷道顶底板或所在岩层 内的地质情况是矿井直流电法勘探的主要任务。巷道周围稳恒电流场的基本性质在巷道周围导电介质内的任意一点上，电流场具有以下特征：电流密度与电场强度的正比性电流密度矢量j与电场强度矢量E在数量上成正比，比例因子是该点岩石的电导率。，即E j = bE =P电流的连续性稳恒电流场中，源点除外的任何一点处电流密度的散度均等于零，即divj = o电流的势场性从上述性质可知，稳恒电流场在空间的分布是稳定的，即不随时间变化，

18、它与静电场一样均为势场，故电场强度与电位有以下关系E = 一 gradU对于均匀或分区均 匀的无源介质空间，上述方程可归结为Laplace方程的形式V 2U = 0对于均匀或分区均 匀的有源介质空间，上述方程可归结为Poisson方程的形式V 2U（P, A ）= - Ip 5（P 一 A ）式中，P为考察点，A为供电点电源的位置。（2）巷道周围稳恒电流场的边界条件第一类边界条件.一也,当源点位于巷道顶底板时当源点位于导电介质内时第二类边界条件即在巷道顶底板或巷道帮上电流密度的法向分量等于零。第三类边界条件当界面两侧介质电阻率为有限值时，在该界面上以下连续条件成立jin=j2n 或上兽X 土U

19、1=U2p a n p a n12E = E 或 j p = j p1l211l 121 2求解巷道周围电流场的分布，就是求解一定边界条件下方程的边值问题。三维空间内的稳恒电流场根据场论可知，当三维空间内充满均匀各向同性介质时，介质内部A点供电时M点处的电位值为4兀rAM式中，rAM为A、M点间的距离；为介质电阻率；I为供电电流强 度。显然，其等位面是以A为中心的同心、球面。电场强度为4兀r2AM电力线E垂直于等位面，这些电力线是从供电点发出的一束辐射线，电流线的方向与电力线的方向一致(图2),电流密度为Ij =4兀r2AM当介质内部双异极性点电源。A(+I)和 B(-I)同时供电时，测量电极

20、M、N间的电位差AUmn为 UAM1111-+rrrrAMANBNBMIP4兀图2三维空间中的点电源场全空间视电阻率与矿井直流电法勘探的物理实质4 UP = MNI由上式可得- + -1-= K A U mnr r r rIAM AN BN BM式中，K为装置系数，其值由下式确定rAMrANrBNrBM因此，若采用图3所示的装置测得供电回路A、B中的电流强度I和电位差UMN，则不论A、B, M, N的相对位置如何，都计算出介质的电阻率值。图3大地电阻率的测定装置然而，当全空间内介质电性非均匀时，计算的结果不再是某种介质的真电阻率，而是三维空间某一体积范围内电性变化的一种综合 反映，称为全空间视

21、电阻率，用Ps表示p = K 田 ms I仿照地面电阻率法的做法，可以导出全空间视电阻率的微分表达 式P = MN p s j MN式中，Pmn为M、N间介质的真电阻率；jMN为M、N间的实际电流密度； jo为全空间内充满均匀介质时的电流密度。该式进一步说明，视电阻 率是导电介质内部电流场分布状态的外在表现。如图3所示，当测量 电极M、N附近存在高阻异常体时，因高阻异常体对电流有排斥作用， 所以jMN j,故PsPo；当测量电极M、N附近存在低阻异常体时， 由于低常体对电流有吸收作用，所以j j，故PP。因此，MN0s0通过测量、分析全空间视电阻率的相对变化可以推断介质电性变化情况。这就是矿井

22、直流电法勘探的物理实质。3、高密度电阻率层析成象探测技术高密度电阻率法是二十世纪八十年代才发展起来的一种新型阵 列勘探方法，是基于静电场理论，以探测目标体的电性差异为前提进 行的。该方法采集数据信息量大，可进行层析成象计算，成图直观， 可视性强，采集装置种类多，仪器轻便。该方法在不同领域受到广泛 的应用。传统电法勘探中的电测深方法是反映某一点的纵向电性的分布 情况，如果布设的测深点没有和采空区相交，就不能实现对其的探测。 电阻率剖面方法虽然能够实现扫面工作，找到采空区的分布位置，但 是装置固定的电剖面法只能反映电性在某一深度横向上的变化不能 确定地下采空区的规模。目前能同时具备这两种功能并能实

23、现数据采 集的方法只有高密度电阻率法。高密度电阻率法综合了电剖面法和电测深法的优点，解决了常 规电阻率法由于其观测方式的限制，不仅测点密度较稀，而且也很难 从电极排列的某中组合上去研究地电断面的结构和分布等不足。它通 过用电测深法来获取地质信息，再用电剖面法对地质信息进行统计处 理，绘制电阻率断面图。这样可以更有效的利用地质信息，提高电阻 率法的勘探能力，使其在水文、工程、与环境地质调查中发挥更大的 社会经济效益。在国内外关于高密度电阻率法研究的基础上，通过理 论和实际相结合来介绍一些高密度电阻率法的原理及相关知识。高密度电阻率法是日本地质计测株氏会社提出来的，原理上属 于电阻率法的范畴，但与

24、常规的电阻率法相比设置了较高的测点密 度，在测量方法上采取了一些有效的设计，使得数据采集系统有较高 的精度和较强的抗干扰能力，并可获得较为丰富的地电信息。高密度 电阻率法及提供地下地质体某一深度沿水平方向岩性的变化情况，也 能反映铅垂方向岩性变化情况，一次可完成纵、横二维的探测过程, 所以观测精度高，采集的数据可靠，在岩体工程探测方面有着广泛的 应用前景。(1)基本原理高密度电阻率法的基本原理与传统的电阻率法完全相同，是电 剖面法和电测深法的组合，因此它仍然是以岩土体的导电性差异为基 础的一类电探方法，研究在施加电场的作用下，地中传导电流的分布 规律。高密度电阻率勘探系统，包括数据的收录和资料

25、的处理两部分。 现场测量时，只须将全部的电极设置在一定间隔的测点上，然后用多 芯电缆将其连接到程控式电极转换开关。程控式电极转换开关是一种 由微电机控制的电极自动换接装置，转换开关在步进电极的带动下, 由程序控制而动作，从而实现电极排列方式、极距和测点的快速转换。测量信号由转换开关送入微机工程电测仪，并将测量结果依次 存入随机存储器或收录在磁带上。将数据回放并送入微机，便可根据 需要按给定程序对原始资料进行处理并给出相应的图示结果。这样就 可利用高密度电阻率法在现场准确与快速的采集大量数据，以及对采 集的数据进行各种处理及结果图示。(2 ) 三电位电极系为了使高密度电阻率法能够获得关于地电断面

26、结构特征的丰富信息，在电极装置的选择上，一般采用了三电位电极系。这样就可获 得三种常用电极装置的视电阻率参数，以绘制等值线断面图以及不同 极距的剖面图；而且当将三种电极系列的测量结果作某种组合时，还 可获得视电阻率异常的几种比值断面图。三电位电极系是将温纳四极(AMNB)、偶极(ABMN)及微分(AMBN) 装置按一定方式组合后所构成的一种统一测量系统，该系统在实际测 量时利用电极转换开关将每四个相邻电极进行一次组合，从而在一个 测点上便可获得多种电极排列的测量参数。点距设为x时，三电位系统的电极距a = n x (n= 1,2,3)。上述三种电极排列形式依次称为a排列、0排列及y排列。显然，

27、这 里对某一测点上的四个电极按规定作了三次组合。各种装置测量视电 阻率的计算公式分别为：p ： = 2兀 a u a /1p P = 6兀 a u P /1p 丫 = 3 兀 a u y /1s具体测量方法为：首先以固定点距沿井下巷道测线布置一系列 电极，电极通过多芯电缆经转换开关接到仪器上，通过转换开关改变 装置类型，一次完成该测点上各种装置形式的观测，一个测点观测完 后，通过开关转换到下一相邻测点对应的电极，以相同方法进行该点 观测，直到某一电极间距的整条剖面观测完为止。改变电极间距重复以下观测，直到有所不同电极间距的剖面观测完为止。点距的选择主要依据探测精度要求，精度要求越高应越小。最

28、大电极距大小，决定于预期探测深度，探测深度越深，要求越大，但 一般隔离系数最大值不超过15为好，当然，由于一条剖面测点总数 是固定的，因此当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减 少。（3） 主要特点高密度电阻率法相对于常规电阻率法而言，它将有以下特点：电极布设是一次完成的，测量过程中无须更换电极，因而可 以防止因电极设置而引起的故障和干扰。能有效地进行多种电极排列方式的参数测定，因而可以获得 较丰富的关于地电结构的信息。数据的采集和收录实现了自动化（或半自动化）不仅采集速 度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误。可以实现资料的现场适时处理或脱机处理。根据需要自动绘 制和打印各种

29、成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度。与传统的电阻率法相比，成本低，效率高，信息丰富，解释 方便，勘探能力显著提高。高密度三维电法勘探是在二维电法勘探的基础上发展起来的， 它采集数据大，数据体信息丰富，可运用切片技术进行高精度的数据 解释，有二维电法勘探所不能比拟的优点。4、井下电法超前探技术井下电法超前探测技术是山东科技大学自主研发的一项新技术， 主要是用来探测井下巷道掘进前方地层的地质情况，因此，该项技术 仍然属于矿井直流电法勘探的范畴。在井下掘进巷道中通过接地电极进行供电，建立了全空间稳定直 流电场，该电场的空间分布与巷道周围的地层岩性、结构以及构造等 地质因素有关，也就是说，巷道周

30、围的地层岩性、结构以及构造等地 质因素决定了全空间稳定直流电场的空间分布，同时也决定了掘进巷 道内的电场分布，这种电分布形态包含了掘进巷道前方的地质信息。井下电法超前探测技术就是通过观测在掘进巷道范围内的电场 分布形态，进行反演解释巷道掘进前方的地质信息。含煤地层为沉积岩地层，地层横向稳定，呈层性较好，因此，其 电阻率值也比较稳定，如果地层富水，由于地层水矿化度较高，导电 离子丰富，使地层的导电性能大大降低，电阻率值大大减小，远远低 于正常不富水地层，这是井下利用电法勘探地层富水性的主要物理基 础。龙固煤矿井下地层温度较高，地层水温可为8oC，导致导电离子 活动性加强，进一步降低了富水地层的电

31、阻率，加大了与正常地层的 电阻率差异，因此本次井下电法勘探的地球物理条件良好。五、数据采集数据采集进行解释的基础，数据采集工作的好坏直接影响到解释成果的准确性。本次井下高密度三维电法勘探及超前探测数据采集使用的是WJDJ-3型高密度电阻率系统。三维电法勘探采用两极装置的三维电法采集方法，其采集参数如 下：开设道数：50道测量层数：40测量方式：滚动道 距：10米工作方法：两极供电电压：180伏本次井下高密度三维电法勘探数据采集在辅1、辅2运输大巷 进行，以10米间距布设电极，共布设电极50个，长度490米，采集 时停止了工作面内的所有电源，保证了数据采集质量，每个电极采集 数据40个，共采集有

32、效数据2000个。本次井下超前探测数据采集在辅2运输大巷中进行，沿巷道两侧 对称布设电极，电极间距10米，采用电位测量技术（两极，N、B极 置于无穷远）观测巷道内的电场分布，布设了 30个电极，采集数据 点600个。电法勘探受环境条件影响，井下影响最大的是供电系统。本次 数据采集过程中，施工巷道周围停止了供电，因此不受供电系统影响。 为保证数据采集质量，数据采集时每次都进行了 2次以上的重复采 集。因此，本次勘探数据质量较高。七、数据处理本次高密度井下三维电法勘探数据处理主要包括以下几个步骤：1、突变点的剔除在数据采集过程中，由于某一电极接地不好，或受采集现场干扰 因素的影响，会出现一些数据突

33、变点，为了不造成对解释结果的影 响，对数剧突变点进行剔除。2、数据的光滑平均在数据采集过程中，有时会受到一些随机噪声的影响，为了消除 这些随机噪声，采用光滑平均的方法对数据进行处理，但平滑幅度不 能过大，以免平滑掉有用信息，降低分辨率。3、建立反演模型图4标准三维模型三维模型是测区范围地下半空间沿水平面和X、Y方向的铅垂面 划分的许多矩形短柱体的组合（图4）。地面的相邻的四个电极位置 作为小柱体在地面的角点，即柱体的长度、宽度都等于单位电极距。 顶层柱体的厚度为0.6倍单位电极距，下伏的模型层柱体厚度按10% 的比例逐层递增。为了提高反演精度，三维模型还有两种细分的变种。 一种是将近地表数个模

34、型层的棱柱体再沿水平面和垂直面均分，即每 个棱柱体再剖分成8个相同规格小棱柱体的浅层细分模型（图5）； 另一种是将近地表的数个模型层的棱柱体仅再沿垂直面剖分，即每个 棱柱体再分割成四个小棱柱体的浅层垂直细分模型（图6）。由于电 法勘探的分辨率随深度的增加而急剧下降，试算结果表明：有效的细 分模型层不超过两层。一般情况下，使用一层细分模型即可。由于细 分模型的棱柱体数量较多，反演耗时亦相应明显增大。图5浅层细分三维模型图6浅层垂直细分三维模型4、进行数据反演三维高密度电法反演系统使用的反演方法为圆滑约束最小二乘 反演方法，最小二乘反演方法是一种比较成熟的最优化反演方法，在 物探资料的反演中已经得

35、到广泛的应用。程序使用了基于准牛顿最优 化非线性最小二乘新算法(Loke and Barker 1996a)，使得大数据量 下的计算速度较常规最小二乘法快10倍以上且占用内存较少，而且 可以调节阻尼系数和圆滑滤波器以适应不同类型的资料。圆滑约束最小二乘反演最优化方法主要靠调节模型条块的电阻 率来减小正演值与实测视电阻率值的差异。首先根据实测的视电阻率 值初步给定模型各个子块的电阻率，使用有限元法或有限差分法作正 演计算，得出初步模型的地面视电阻率异常值。程序将正演计算值与 实测值进行比较，根据比较的结果调整模型各个子块的电阻率，使用 调整后的模型重新作正演计算。如此多次循环迭代，使模型正演计算

36、 结果与实测值的差异逐渐减小。这种差异用均方误差(RMS)来衡量。 一般选取迭代后均方误差不再明显改变的模型作为反演成果,这通常 在第三和第五次迭代之中出现。圆滑约束最小二乘法的法方程为：(JtJ+uF ) d = JTg其中 F = ffxT+ 八 fzTfx =水平圆滑滤波系数矩阵fz =垂直圆滑滤波系数矩阵J =雅可比偏导数矩阵Jt = J的转置矩阵u =阻尼系数d =模型参数修改矢量g =残差矢量圆滑滤波系数f用于约束模型参数（如电阻率），使模型参数保 持在某一个常数范围。阻尼系数用于改善方程求解条件的数值选取与 资料的随机噪声有关，当资料的随机噪声较大时，应选取较大的值， 反之则取较

37、小值。反演程序也可以使用常规高斯-牛顿法，在每次迭 代后重新计算偏导数的雅克比（Jacobian）矩阵。它的反演速度比准 牛顿法慢得多，但在电阻率差异大于10:1的高电阻率差异地区，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 -牛顿法，然后使用准牛顿法，在许多情况下，这是了一种最佳的折 衷选择。本次三维电法勘探数据处理后得到了辅1、辅2运输大巷之间 底板地层电阻率三维数据体，数据体长280米、宽40米、高280米。本次井下超前探测数据处理主要包括以下几个步骤：1、建立数据文件整理、编辑采集到的数据，添加上所需的坐标，建立起符合反演 要求的数据文件。2、建立反演模型建立反演

38、模型，要求模型宽度40米，超前长度100米，后方长度为电极布设长度，形成一 10米X10米的网格模型。3、数据反演应用圆滑约束最小二乘反演方法，调入反演数据文件，反演迭代 出反演模型内每一个网格电阻率值。4、绘制成果图应用Surfer绘图软件，对反演出的反演数据进行成图，得到超 前探测电阻率色谱平面图。数据处理后，得到辅2运输大巷的超前探测电阻率色谱平面图。八、资料解释三维电法勘探:数据处理后得到了辅1、辅2运输大巷之间底板地层电阻率三 维数据体（图7），为便于解释应用，应用切片技术，分别进行了水 平及垂直切片。1、坐标系统辅1、辅2运输大巷之间底板地层电阻率三维数据体的坐标原 点在辅2运输大巷的起点处，沿辅2运输大巷向里（长度、垂直