GDD激电仪的应用研究

GDD激电仪的应用研究
摘要：从煤炭行业未来的发展来看，煤炭开采长期面临着水灾害防治
问题。

目前，煤矿防治水勘查的地面电法方法主要以研究目标层/体的电阻率差
异为主，尚未开展以激发极化效应差异为基础的电法类方法。

激电法与以研究电
阻率差异为主的方法对比具有一定优势：首先，激发极化法以研究目标的极化率
的差异为基础，在辨别低阻体富水性的探测方面具有优势，可以通过对比极化率
的方法对含水地层和低阻岩层（泥岩、粉砂岩）进行区分。

GDD大功率直流激电
仪与高密度直流电法仪比较具有勘探深度大的优点；与V8瞬变电磁仪比较抗电
磁干扰能力强，在电磁干扰区域仍然能够采集到可靠的信号。

通过本文，确定GDD大功率激电仪在煤矿水文地质勘查中的有效性，选择适用的装置形式和工作
参数，为生产实践提供前期试验研究，为该仪器的生产应用提供研究基础。

本文
主要为GDD大功率激电仪应用研究，主要为得到一套GDD激电仪的野外施工流程
和数据处理解释方法，增加一种勘查煤矿水害的技术手段，互补高密度直流电法、瞬变电磁法的探测深度、抗电磁干扰等方面先天不足的确定，增强电法勘探的适
用性。

关键词：采空区；GDD激电仪；高密度直流电；瞬变电磁法
0.引言
GDD大功率直流激电仪是一种新型的勘探仪器，采用该仪器与高密度直流电法仪比较具
有勘探深度大的优点；与V8瞬变电磁仪比较抗电磁干扰能力强，在电磁干扰区域仍然能够
采集到可靠的信号。

通过本课题，确定GDD大功率激电仪在煤矿水文地质勘查中的有效性，
选择适用的装置形式和工作参数，为生产实践提供前期试验研究，为该仪器的生产应用提供
研究基础。

当前探查地下含水层富水性的工程项目中，多采用高密度直流电法、瞬变电磁法
两种方法。

在实际应用中，这些方法由于原理或仪器的限制，在探测深度、抗电磁干扰等方
面都有各自不足，实际应用中已经不能完全满足市场的需求。

如果该项目研究成功，首先。

可与现有方法组合使用，互相补充综合解释提高精度；第二，该仪器的试验性应用是日后开
展相关工程应用的基础和前提，对开展新业务具有积极意义。

第三，结合井下技术优势、为
开创超前探测新方法提供先导性研究。

1.简介
激发极化法是由Conrad Schlumberger于1913年首次提出并应用于探测法国某一矿区
的金属矿体[1]，随后1948~1953年进行了更多的开创性研究，到20世纪50年代中期，激发
极化法才作为地球物理勘探方法被广泛应用于各领域。

一个世纪以来，该方法被广泛应用于
勘探金属矿床[2-5]，我国于20世纪中后期开始研究开发该方法，主要用于深部和隐伏金属矿
的勘探；60年代末，我国物探工作者提出了激发极化半衰时的找水方法（激发极化衰减时法
找水实验研究阶段总结1969~1972），相继提出相对衰减时、衰减度、偏离度特征参数，显
著提高了找水效果。

另外，有物探工作者将激发极化法与电阻率法组合运用，在地下水资源
勘查井位布置提高了找水成功率[6-8]。

近几年，有学者采用激发极化超前预报掘进头前方的
含水构造进行了系统的研究，并在实际工程中取得了验证。

目前，该方法在煤矿水文地质勘查中的应用仍然处于试验性研究阶段，1997年，翟建
山等人将激发极化法用于煤层采空区积水的探测，测量视电阻率和激发极化参数，有效地探
测煤层采空区的积水情况，确定采空区的积水范围。

2012年，张斌等人采用激发极化法对井
筒周围地下水进行勘测，用测水结果指导井筒施工；同时，将该方法用于注浆后的质量检查，均取得了良好效果。

2017年，张艳龙（重庆院）将激发极化法与瞬变电磁法综合物探用于采
空积水区的探测，两种参数综合解释，钻探验证效果较好[9-12]。

2.勘探理论及仪器介绍
2.1勘探理论
激发极化法（简称激电法）是以不同岩、矿石激电效应的差异为物质基础，通过观测和
研究大地激电效应来探查地下地质情况的一种分支电法。

激发极化法（简称激电法）便是以
不同岩、矿石激电效应的差异为物质基础，通过观测和研究大地激电效应来探查地下地质情
况的一种分支电法。

电阻率法测量时，当人们在地下供入稳定的电流时，发现观测到电位差
随时间变化而变化的，并经相当一段时间后趋于稳定饱和；在断开供电电流后，测量电极电
位差在最初瞬间很快下降，而后便随时间相对缓慢的下降，并在相对长的时间后衰减接近零。

这种在充电、放电过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象称为激发极化效应，简称激电
效应。

这种变化附加场，称为“激发极化场”——二次场。

激发极化法一般有两种测量方法：一种是直流供电的时间域，一种是交流供电的频率域。

时间域采集到的数据为：极化率和电
阻率。

极化率为极化曲线上电压对于电流密度的导数，即极化曲线上电流密度值所对应的斜率。

电阻率为单位长度单位面积上的电阻值。

2.2仪器介绍
GDD Tx II 发射机是用于时间域包括极化的勘测。

它发射周期为2秒开通，2秒关断的
信号。

当然，其他的时间信号也可以实现。

GDD结实耐用，以适合于在很极端的环境下（-40°C到65°C)使用。

GDD Tx II 发射机可以直接用240V交流电源供电，比如便携式发电机。

TxII发射机在较高传导性地区可提升电流到10A，而在高阻地区满负荷3600W时，可以
提升到2400V电压。

GDD IP接收机新型的高集成低能耗的电阻率测量设备。

它的特性决定了
他可以在任何地质条件下使用，它可以被配置为多通道单极或多通道偶极接收机。

GDD接收
机使用一个PDA电脑来获取处理数据。

VGA的显示器可以可视化的显示结果。

而使用
Windows CE的操作系统可以让软件可以轻松的通过互联网来升级。

GDD大功率激电仪的特点：大功率、抗干扰能力强、探测深度大、多参数观测等特点。

（a）GDD发射机（b）GDD接收机
图1 仪器设备
3.GDD探测实验
在陕北张家峁煤矿附近开展已知小窑采空区探测试验。

已知小窑采空区埋深
约为65 m，地表沙土覆盖层，典型的风积沙丘陵地区，试验测线地表标高最大高差8m。

试验地点地形地貌详见图2。

（a）实拍地形地貌
（b）地形示意图
图2 地形地貌图
试验区位于陕北侏罗系煤田神府矿区南部，构造简单，地层产状平缓，整体构造形态为一向西倾斜的单斜构造。

地层由老到新有：侏罗系中统延安组、直罗组；新近系、第四系地层，前地表为砂层。

延安组为含煤岩系，可采煤层为3-1煤层，通过分析工区测井资料，总结由浅至深地层电性变化规律整体呈“高—低—高”的变化特征（图3所示，图中蓝色表示低阻，红色橙色表示高阻）。

原生地层条件下，地层电性纵向有固定的变化规律，横向均匀。

当目标煤层中存在采空区时，不积水则呈高于原生地层的高阻反映特征；积水且量足以达到在其埋深位置能够被分辨时，则呈低阻反映特征，打破了横向均匀性。

当此种目标体形成一定规模，且满足地面电法探测所选参数决定的探深比时，即可被探测到。

图3 试验区钻孔测井曲线数字化柱状图
主要通过改变供电、测量电极距，供电电压和最大跑极距离（OA）4组参数进行试验，具体的试验参数为：
试验1：测量电极距5m，发射电极距5m，发射电压420v，最大OA为180m；
试验2：测量电极距10m，发射电极距10m，发射电压420v，最大OA为180m；
试验3：测量电极距10m/20m，发射电极距10m，发射电压840v，最大OA为280m；
图4中（a）、（b）分别为试验1~试验2对应固定发射距时个测点电阻率、充电率曲线。

（a）为电阻率曲线图，从中可看出试验1的数据抖动数据点抖动点较多，曲线光滑度明显差于试验2对应曲线；（b）为充电率曲线图，从中可看出试验1的曲线亦光滑度亦差于试验2对应曲线。

综上，测量电极距较大时，更利于压制噪声或压制浅部不均匀体影响，保证数据质量。

（a）视电阻曲线
（b）充电率曲线
图4固定发射距曲线特征
图5中（a）、（b）、（c）和（d）分别为试验1~试验4视电阻率-深度拟断面图。

分析试验结果：
由图可知，断面图中纵向电性表现为“高—低—高—低”的变化特征，与实际地层电性相吻合，在已知采空区位置有明显的低阻异常分布，推断为小煤窑采空区积水的电性反映。

相比较试验1及试验2断面，试验1断面的数据跳变及“挂面条”特征较明显，压制噪声及不均匀体影响能力明显较差。

试验3中增大收发距AO时，断面深部电阻率未有明显的变化；试验4中加密供电极距，浅部高阻层反映特征有明显的差异，断面中、深部未有明显差异，说明加密供电极距可提高浅地表地层分辨能力，对深度效果不明显。

综上所述，勘查100m以浅地质目标体，接收极距MN不宜过小，若目标体为小煤窑采空区，取MN=10m；若目标体更大时，适当增大极距MN，保证接收信号质量。

加密供电极距，可有效提高浅部地层的分别率。

（a）试验1（b）试验2
（c ）试验3（d ）试验
4 （e ）视电阻率填充色标
图5 试验数据视电阻率-深度拟断面图
图6中（a ）、（b ）、（c ）和（d ）分别为试验1~试验4充电率-深度拟断面图。

分析试验结果：
由图可知，断面图中由浅至深充电率表现为“高—低—高”变化特征，在已知采空区位置呈低充电率异常（异常中心与电阻率断面发生偏移），推断为小煤窑采空积水所引起。

相比较试验1及试验2断面，试验1断面的数据跳变现象较明显，压制噪声影响能力较差。

试验3中增大收发距AO 时，断面充电率变化特征未有明显变化；试验4中加密供电极距，差异亦不明显。

综上所述，采空积水区呈明显的低充电率异常，另外，为保证数据质量，接收极距MN 不宜过小。

（a）试验
1 （b）试验2
（c）试验3 （d）试验4（d）充电率填充色标
图6试验数据充电率-深度拟断面图
实测资料是地下多个不同电性层的综合反映，在原始视电阻率断面图纵向上只能看出多套地层的综合电性变化趋势，而要通过实测资料解译出真实地层或最接近真实地层及地质异常体的分布情况，就需要对实测资料进行反演计算。

本项目采用技术上相对比较成熟的反演处理技术，采用专用处理软件对试验2数据进行反演处理。

由图7可知，反演后在已知采空区位置有明显的低阻异常区分布，推断为小煤窑采空区积水的电性反映。

图7 反演断面成果图
实验总结如下：1.GDD激电仪采集的电阻率和充电率均对小煤窑采空积水区有明显反映；
2.对比多种组合施工参数采集数据成果，得出较优勘查浅埋深目标体的施工参数；
3.GDD施
工时人工跑极施工效率较低，且高压工作存在很大的安全隐患。

4.结论
煤炭企业每年都投入大量资金用于矿井的水文地质条件探查工作，电法勘探技术作为主
要勘探手段之一，在煤矿防治水安全生产中发挥着愈来愈重要的作用，电法勘探手段必须朝
着针对各种地质条件下选择具有适宜性和多样性，以提高解决当前面对问题的能力。

本文的
研究成果在存在水患威胁的矿区，有着巨大的市场需求前景，可望形成一个新的产业生长点。

GDD具有以下效益：1.激发极化法在煤矿水害体勘查领域，使用国际上最为先进的GDD激电
仪设备，取得了较好的效果；2.该方法同时观测电阻率及充电率两种参数予以综合解释，较
以往直流电阻率法有明显优势。

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作者简介：杨延鹏（1989.12-），男，陕西延安人，汉族，本科，一号煤矿地质测量部工程技术人员，主要从事煤矿地质防治水管理工作。

祝师杰（1999.01-），男，陕西汉中人，汉族，本科，一号煤矿地质测量部工程技术人员，主要从事煤矿地质防治水管理工作。