王 程

(中煤科工集團 西安研究院有限公司, 西安 710077)

0 引言

據統(tǒng)計,在過去的20多年里,我國煤礦水害造成的直接經濟損失列煤礦各類事故之首,而且由于水害造成的群死群傷人數也僅次于瓦斯,列為煤礦“四大災害”之一。我國在交通、水利水電和礦產資源開發(fā)領域具有很多的超長、特長隧道,很多隧道面臨著復雜的水文地質條件,其中突(涌)水、突(涌)泥災害是隧道施工中的主要地質災害之一[1]?？梢娡凰疄暮樗?巷)道等隱秘工程的重大安全隱患,查明隱伏的強富水區(qū)域成為亟需研究和解決的重要工程科技問題。

目前通常采用地面地球物理勘探和水文地質勘探的方式查明地下強富水的區(qū)域,當構造和水文地質條件較為復雜,則需要在隱蔽開挖的地下隧(巷)道中,開展超前水文地質預報工程。目前國內超前水文地質預報工程主要采用的方法有:鉆探、物探和巷探,其中物探方法具有高效快捷、無損探查、成本低廉等優(yōu)勢,在工程和礦產領域得到廣泛地研究和應用。物探的方法主要有:地震反射法、瑞雷波法、槽波超前、直流電法、瞬變電磁法等。近年來許多學者針對綜合物探方法聯(lián)合超前探、設備的抗干擾性和精度提高,數據處理與高精度反演方面作出了深入研究,特別是在影響礦井安全生產的含水構造探測方面,取得了許多成果:劉青雯[2]提出了三點-三極超前探測方法突出巷道前方的地質異常;程久龍[3]等對以直流三極法為基礎的兩點三極電阻率法超前探測數據采集與處理方法進行了系統(tǒng)論述;韓德品[4]等提出了基于幾何交匯原理的七電極系超前探測系統(tǒng),探測巷道掘進前方100 m范圍的含水構造;黃俊革等[5-6]在直流電法超前探的數據處理和反演技術進行了較為系統(tǒng)的研究,提高了探測精度,但反演結果只能確定異常體的厚度和電阻率的組合值;于景邨[7]推導出全空間瞬變電磁視電阻率計算公式和視電阻率-深度曲線的數學模型,開發(fā)了煤礦礦井瞬變電磁法探查含水構造。在此基礎上,國內眾多學者開展了礦井瞬變電磁法全空間三維正反演研究,許新剛等[8]對礦井瞬變電磁法電阻率公示等問題進行了討論解決;孫懷鳳等[9]對瞬變電磁法三維正演和探測方式進行了完善;陳丁等[10]對全空間下的瞬變場進行研究;程久龍等[11]對全空間下的瞬變電磁法的反演方法進行了研究;邢修舉等[12]將瞬變電磁法的數據進行了三維成像的研究;范濤等[13]將瞬變電磁法工藝與鉆孔相結合,實現(xiàn)了巷瞬變電磁法。雖然直流電法和瞬變電磁法均能探測含水構造和相對富水區(qū)的異?？臻g位置,但是難以預測異常區(qū)的富水量,無法為后期放水工程提供水量依據。

針對預測水量的難題,筆者基于謝明魁[14]所提出“二次時差”法原理,采用巖樣電化學測試和物理模擬實驗的手段,從電阻率、極化率和半衰時參數著手,分析不同巖性、孔隙度條件下各參數變化的規(guī)律,研究基于“二次時差”法的巷(隧)道超前探測在不同含水構造下的響應特征,探討激電半衰時用于預測水量的可行性。

1 “二次時差”基本原理

激發(fā)極化效應(激電效應)是在外電流場作用下,巖、礦石與周圍的水溶液產生物理-電化學反應,引起地質介質中出現(xiàn)電荷分離,產生附加“過電位”的一種物理化學現(xiàn)象。極化體被極化是一個先快后慢的過程,經過Ts秒后趨于飽和狀態(tài)。斷電后,ΔU1已不存在,但極化引起的電位差ΔU2(t)先快后慢的逐漸減小,直至消失。如圖 1 所示,ΔU(t)為充電曲線,ΔU2(t)為放電曲線[15]。常用的參數是視極化率ηs,計算公式為式(1)。

(1)

根據在含水層中隨激發(fā)電流的增大,衰減時也相應增大,非含水層中隨激發(fā)電流的增大基本不變或逐漸減小的原理,在某一極距上按一定的電流制式與時間,先后向地下供入大、小兩種激發(fā)電流,斷電后用穩(wěn)定可靠的儀器將二次電位的放電過程記錄下來,測量大、小兩種電流激發(fā)出來的二次電位,由斷電后的最大值衰減到一半所需要的時間即半衰時的差值,稱二次時差值[16]sc。

sc=std-stx

(2)

式中:std、stx分別為采用大、小電流激發(fā)測得的半衰時[17]。

在同一水文地質單元內,有一個或兩個已知井作參數時,可根據含水因素推算其他未知點的單位涌水量[17],在無已知井時,可根據含水因素即各測點時差正異常面積大小相對比較水量大小,這種探測方法稱二次時差法[18-19]。

2 巖樣電化學測試

目前激電半衰時的研究理論尚不成熟,以往的研究多以物理模擬實驗和工程應用主導。筆者采用巖石電化學測試[20]衰減二次場為研究半衰時提供分析資料。

首批巖石樣品50個,以砂巖和灰?guī)r為主,根據初測結果選取了13個樣品,根據孔隙度大小,添加了4組巖樣,17組巖樣孔隙度介于2.9%～22.8%。測試采用主要設備:智能LCR測量儀 ZL5(01-1796、01-1684),電導率儀 HI4321(A0006314),電子天平 XS205DU(B231179629),檢測環(huán)境溫度 (℃):20℃～23℃,檢測環(huán)境濕度(%RH):25～41。采用8 000 mg/L的NaCl溶液作為飽和溶液,測試以上巖樣在不同飽和度條件下電阻的變化率(圖2),可以看出隨著飽和溶液充填巖石孔隙,電阻逐漸降低。

重點分析電阻率、極化率和半衰時跟孔隙度含水量的關系(圖3):整體上電阻率與孔隙度含水量為正比線性關系。當巖石孔隙度含水量<4%時(灰?guī)r),電阻率值較大;當孔隙度含水量介于4%～14%之間時(砂巖),電阻率值介于30 Ω·m ～50 Ω·m;當孔隙度含水量>15%之后(砂巖),電阻率值降低至10 Ω·m左右,并且穩(wěn)定下來,與圖1測試趨勢一致。

圖1 激發(fā)極化現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic diagram of excited polarization phenomenon

圖2 電阻增大率I與含水飽和度Sw關系圖Fig.2 Relationship between resistivity increment I and water saturation Sw

圖3 電阻率、極化率和半衰時與孔隙度的關系Fig.3 The relationship between resistivity, polarization and half decline and porosity

極化率和半衰時與孔隙度含水量的關系并非正比關系,類似于“正態(tài)曲線”關系,孔隙度含水量<9%和>15%時,極化率低于20‰,半衰時低于100 ms;當孔隙度含水量介于9%～15%,極化率高于20‰,半衰時高于300 ms,這是區(qū)別電阻率較為明顯的特征,說明極化率和半衰時與孔隙度含水量等關系不大。

為研究“二次時差”法原理中,最關鍵的半衰時隨著電流的變化規(guī)律,選取三個具有代表性的孔隙度巖石,供以不同電流大小分析半衰時的變化規(guī)律(圖4)?？紫抖群?20%的巖石半衰時與電流基本成正線性關系,孔隙度<15%的2塊巖石半衰時隨著電流增加不變或者變化不明顯?？梢酝茰y,在含水層富水性較強的區(qū)域中測試二次時差>0,富水性較弱的區(qū)域則可能≤0。

圖4 電阻率和極化率隨孔隙度變化的關系Fig.4 The relationship between resistivity and polarization with porosity

3 物理模擬實驗

設計物理模型為:巷道開挖長度為10 m左右,最大埋深約6 m,掌子面前方約1 m打鉆6個,孔徑為15 cm,水平孔間距為50 cm,垂直孔間距為30 cm,具體模型尺寸如圖5所示,利用6個鉆孔,可模擬實現(xiàn)采空區(qū)、陷落柱和斷層構造。

圖5 巷道和鉆孔工程參數Fig.5 Tunnel and drilling engineering parameters

首先測試的數據是在背景場條件下,半衰時隨電流變化的過程見圖6。物理模擬得到,半衰時隨著電流的增加近似于線性增大。

圖6 背景場多電流實驗Fig.6 Background field multi-current experiment

在無承重墻體,無鉆孔,干燥坑道的情況測試背景場,采用直流電法三極裝置,A位于掌子面,掌子面離鉆孔模型1 m遠,AM=2 m,MN=0.5 m,電流大小為144 mA和73 mA。實驗得到大小電流的二次時差和視電阻率對比(圖7),可以看到電流大小對視電阻率值幾乎沒有影響;電流大小對半衰時有影響,得到二次時差在小極距時基本為0,當極距AO>5 m后,二次時差趨勢>0。

圖7 背景場下的參數特征Fig.7 Parameter characteristics in the background field

將各個鉆孔等量分次注入水,測量不同水量情況下二次時差的規(guī)律,得到曲線震蕩且無規(guī)律。因此為分析二次時差曲線與橫坐標軸的包絡面積與含水量之間關系,將不同注水量的二次時差特征值與背景值作比值,獲取二次時差比值隨極距變化的特征(圖8(a))。可以看到極距較小時數據失真,因此選用極距為2 m以后的數據,可以看到不同注水量半衰時之差比值曲線相對于y=1的直線包絡面積有增大趨勢,同樣將y=1之上正幅度與y=1值下負幅度進行累加,來反映不同測線對含水量的響應綜合,獲取含水量與幅度之和的關系(圖8(b))。

圖8 不同注水量的二次時差比值關系Fig.8 Ratio relationship of quadratic time difference of different water injection volumes

4 結論

1)通過巖石電化學測試得到:①電阻率與巖石孔隙度含水量基本成正線性相關;②極化率和半衰時與孔隙度含水量的關系并非正比關系,類似于“正態(tài)曲線”關系;③當孔隙度含水量>20%的巖石半衰時與電流基本成正線性關系,當孔隙度含水量<15%的巖石半衰時隨著電流增加不變或者變化不明顯。

2)通過物理模擬實驗得到:①全空間條件下,半衰時與電流成近似正線性相關;②模擬斷層模型在不同含水量情況,二次時差曲線變化復雜且無規(guī)律,通過二次時差與背景場的比值,分析得到二次時差與橫軸包絡面積與含水量存在一定線性關系。

3)二次時差與含水量之間關系復雜,需具有較多已知條件下方可用于估算水量,離實際應用還需進一步研究分析,可作為探水輔助手段。