直流电法仪器培训

矿井直流电法1简介矿井物探是在地下巷道、采场进行的以物性差异为基础，通过观测地下物理场的分布 变化规律来解决地质问题的勘探技术。矿井直流电法勘探是矿井物探的一个重要分支，苏 联首次在20世纪50年代应用于煤矿，通过测量和分析巷道附近稳定电流场的分布变化来 研究矿井的地质问题。由于断裂构造、岩石孔隙、含水量和矿化度等对岩石电性影响很大， 因此，矿井直流电法在采区构造探测和矿井突水等地质灾害的预测预报中具有良好的前 景。矿井直流电法属全空间电法勘探。它是以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建 立电场，在地下巷道中进行电法勘探，电流通过布置在巷道内的供电电极在巷道周围岩层 中建立起全空间稳定电场。矿井直流电法经常用于井下的有几种不同的装置形式（所谓装置形式就是指电法勘探 中一定的电极排列方式），不同的装置形式决定着矿井直流电法勘探的工作原理、电法勘 探的分辨能力和电性响应特征。常用的装置的形式有二极装置、三极装置、四极装置等， 可以针对各类地质问题选择适当的装置形式。另外矿井直流电法又可分为电测深和电剖面 法，这里只对电测深法进行讨论。电测深法是在同一测点上逐次增大供电电极极距，是勘探深度由小变大，于是可观测 到测点处沿深度方向上由浅到深的视电阻率变化规律，从而达到探测目的。其中影响岩石电阻率大小的因素主要包括含水性和结构的关系。一般含水越多电阻率 越低，而含水性与岩石的孔隙度、裂隙率、矿化度等密切相关。另外，电阻率的大小跟层 理关系也较为密切。下面给出某些岩石以及没的电阻率值：煤 10-1000 O * m石灰岩、砾岩 100-10000 O * m砂岩10-100 O * m火成岩、变质岩1000-100000 O * m粘土、泥岩1-10。* m总之，影响电阻率大小的因素较多，不同岩性电阻率值有可能相同，所以不能单凭某 个电阻率的值来推断该岩石的岩性或其他物性。2方法原理YDZ（A）直流电法仪可以分别根据勘探目标体空间位置等因素以三极或者四极装置进 行探测。2.1四极测深在电测深法中，最常用的是对称四极装置，装置如下图:M 0 N图2-1对称四极电测深装置图中A、B为供电电极，M、N为测量电极，它们对称与观测点。布置。工作时供电 电极距;从最小电极距eq变化到AnBn，每改变一次电极距，相应观测一次aum iaj.根据探测结果可以利用公式p = k fN（ 1）其中k为装置系数，随装置形式的改变而不同，并且装置形式一旦确定装置系数就确 定下来。P s为视电阻率值（在非均匀介质中，供电电流所分布的范围包括不同电阻率的介 质，因而利用上式计算得到的电阻率值是整个电场分布范围内各种岩石电阻率综合影响的 结果，我们称其为视电阻率值）。根据所得的视电阻率值可以推测探测目标体的各种物性等。根据一些理论推导，电流沿深度方向上分布的最大深度为：（2）h 0.71 AB但实践证明，即使最理想的地质条件下，在地面上发现地质不均匀地质体的能力都小 于AB/2。在电法勘探中把勘探深度AB/2称为理想勘探深度。通常把宽高等于AB/2,长为 AB的长方体，定为勘探体积。只有包括在这个范围内的地质体才能被观测到。对称四极电测深法可测量底板、顶板和测帮的含水、导水构造。借助改变供电电极距 大小，研究测点以上或者下深度方向上的视电阻率的变化，从而解决垂直方向上的地质构 造问题。2.2三极测深在实际工作中，对称四极装置经常会受到巷道空间的限制而无法加大极距的情况，这 时可采用三极测深法。三极测深法也是通过加大供电电极极距来达到测深的目的。三极测深装置如图：图2-3三极测深装置（测量电极，供电电极标注同上图）供电电极为A、B，测量电极为M、N，且M、N中点为0。A电极放置在巷道迎头， B电极放置在无穷远处（一般0B 30A），使其产生的电场影响可以忽略，供电装置可看 作单点供电。如下图：图2-4点电源电场井下环境当中，由地面点电源可以推得在巷道条件下，单点供电情况下，如下图，A 极电场可近似为一个球体，如下图：图2-5点电源电流场的球形分布相对于对称四极法三极测深法具有一下特点：（1）工作中只需要移动近测点的供电电极即A极，单向布置电极，受空间影响最小， 测线端的测量“盲区”最短。（2）三极测深是非对称装置，它对地下地电异常体的电性响应最强，其异常分辨率 比对称装置高，又可通过加大电极距密度，提高勘探分辨能力。（3）测量可采用固定MN方式，这样既可见效不均匀体的干扰，又能提高勘探精度。（4）由于是单点供电，所以测量信号较弱，所以供电电流比对称四极装置要大。可以根据巷道条件选择合适的测深装置。2.3三极超前探三极超前探测技术与三极测深的装置形式相似，只是工作方法有所不同。如下图:=咬图2-6、三极超前探测装置土 A与三极测深不同的是，它是将A极固定在巷道迎头一定距离，向后逐渐移动M、N两 个测量电极，测量电位差AUmn，并且以测量电极中点为记录点。理想状态下，根据对称性，电流线自A呈均匀辐射状分布，形成的是等位球面，测量 到的AUmn是通过测量电极M、N两点等位面值之差。若电流分布反内存在电性异常（如 含水地质异常体），不论异常体在巷道迎头前方还是其他方位，都会引起等位面的变化， 视电阻率也会发生变化。若是低阻异常体会引起视电阻率值降低，反之，会引起视电阻率 值增高。比如，下图是巷道迎头前方存在高阻阻异常体时，因其排斥电流而引起整个电流 场的畸变，使测量电极附近的电流密度增大，故视电阻率增大。图2-7高阻岩层对电流场的排斥作用其中由公式（1）可以推出计算公式为P广牛PMNJ0P s 视电阻率值j 在均匀介质中MN之间电流密度jMN MN间电流密度平均值p mn MN介质的真电阻率具体工作方法如下图：顶板奶一匚作面映-项% 一煤函*夕会影底板图2-8工作方法工作原理如下图:图2-9超前勘探原理示意图具体工作时，供电电极固定不动，测量电极极距固定不变，沿巷道后方移动。每移动 一次，变换A、A、总三个供电电极，分别测量以AO、AO、AO为半径测量对应与M、N123123下P点的电位。因为在以供电电极AO为半径的球体内，任何一点异常引起的等位面的变化均可以影 响到测量电极测量值，艮#在测量电极处反映有异常时，不能正确判断异常点的具体位置。 所以采取三点交替供电分别测量，则异常点在分别以AO、AO、AO为半径的等位面上均1,23有反映，因为单点供电，所以所测得电位等于巷道前方p L点电位，由三个供电电极分别供 电时三个等位球体的切点就可以确定迎头前方某异常体的位置，图2-10所示：图2-10几何交汇原理假设A、A、A间距为S，长度为R，也就是以A为圆心，A O为半径的球体半径为R，1那么以气的球心的球体半径就是R + S，以A为球心的球体半径为R + 2S。三个球体所反 映的异常交汇于迎头前方某点，可以消除顶板3、底板和后方的影响，反映巷道迎头前方的 地质异常，达到超前探测的目的。三极超前探测技术是一种比较有发展前景的物探方法，它能避免因井下钻探等探测法 揭露富水地段而大量突水的可能性，为超前探测含水断裂、判断破碎带的存在及是否富水 提供了较为可靠的依据。