激發(fā)極化超前探測(cè)在祥和隧道地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用

劉振國 于海洋 李相輝

摘要：采用自主研發(fā)的激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)儀器，對(duì)祥和隧道進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)。通過對(duì)激發(fā)極化法中極化率、電阻率以及半衰時(shí)之差等參數(shù)進(jìn)行分析和反演，可以得到掌子面前方巖體的電阻率、極化率結(jié)構(gòu)，為進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：激發(fā)極化法；超前探測(cè)；地質(zhì)勘測(cè)

1.引言

目前，國內(nèi)外地質(zhì)勘探的主要方法為鉆探。但是，該種方法無法勘探埋深較大的地層。近年來逐漸興起的電法勘探具有現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、勘探深度較高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

電法勘探是通過研究和觀測(cè)電流的變化來探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件的。劉盛東等人進(jìn)行了三維并行電法勘探技術(shù)在礦井水害探查中應(yīng)用的研究，通過多個(gè)礦井工作面的探采對(duì)比客觀地反映了隱伏水源的空間位置[1]；賀檢橋進(jìn)行了電法勘探在湖南煤田勘探中的應(yīng)用研究，提高了地質(zhì)填圖工作精度，并為地質(zhì)預(yù)算煤炭儲(chǔ)量提供了計(jì)算依據(jù)[2]。

本文自主研發(fā)了一種新型電法勘探——激發(fā)極化法勘探，并將其應(yīng)用于祥和隧道地質(zhì)勘測(cè)中。

2.工程概況

廣通至大理改建鐵路項(xiàng)目祥和隧道位于祥云南至大理東區(qū)間，穿越大理市五里坡、馬廠箐、蕎麥地、小三家村及黑土山頂?shù)却迓?，于迎風(fēng)村附近出洞，全長10220米，最大埋深約720米。

隧址區(qū)地表上覆第四系全新統(tǒng)堆積層粉質(zhì)粘土，沖積層粉質(zhì)粘土，坡殘積粉質(zhì)粘土；下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)青山組灰?guī)r、康郎組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。

3.激發(fā)極化法超前預(yù)報(bào)原理

激發(fā)極化法（Induced Polarization，簡(jiǎn)稱IP）方法是電法勘探的一個(gè)重要分支，在進(jìn)行電阻率法勘探時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象：在向地下供入穩(wěn)定電流的情況下，測(cè)量電極之間的電位差并非瞬間達(dá)到飽和值，而是隨時(shí)間而變化，經(jīng)過一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定的飽和值；而斷開供電電流后，電位差也并非瞬間衰減為零，而是在最初的一瞬間很快下降，而后隨時(shí)間緩慢下降并趨于零。這種發(fā)生在地質(zhì)介質(zhì)中因外電流激發(fā)而引起介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電荷分離，由于電化學(xué)作用引起附加電場(chǎng)的物理化學(xué)現(xiàn)象，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。圖1為時(shí)間域激發(fā)極化現(xiàn)象的示意圖。

通過對(duì)激發(fā)極化法中極化率、電阻率以及半衰時(shí)之差等參數(shù)進(jìn)行分析和反演，可以得到掌子面前方巖體的電阻率、極化率結(jié)構(gòu)，為進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供重要的參考。

4.極化法測(cè)線布置

本次測(cè)量采用自主研發(fā)的激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)儀器，主要采集了電阻率、半衰時(shí)差等參數(shù)，激發(fā)極化的測(cè)量電極布置為：掌子面布置2排測(cè)量電極，上下間距1.5m，左右間距1m，每排5個(gè)，共計(jì)10個(gè)。供電電極布置為：邊墻布置供電電極環(huán)，每環(huán)電極4個(gè)（A1、A2、A3、A4），共5環(huán)，共計(jì)20個(gè)電極，電極環(huán)分別與掌子面距離為0m、2m、10m、20m與30m。

5.激發(fā)極化法探測(cè)結(jié)果

本次探測(cè)的激發(fā)極化三維成像圖如圖3與圖4所示，其中X方向表示豎直方向，Y方向表示掌子面寬度方向，Z方向表示開挖方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為掌子面中心位置，反演區(qū)域?yàn)閅（-9m，9m）、X（-11m，11m），掌子面坐標(biāo)為Y（-4.05m，4.05m）、X（-3.7m，3.7m），圖中掌子面洞徑范圍外部分僅供參考，綜合分析如下：

（1） PDK152+630—PDK152+645段落：三維反演圖像中掌子面范圍掌子面左右兩側(cè)電阻率值較低，尤其是掌子面右側(cè)出現(xiàn)低電阻率區(qū)域，結(jié)合掌子面地質(zhì)分析，且二電流半衰時(shí)之差為正值，推斷掌子面左側(cè)及右側(cè)圍巖破碎富水，發(fā)育導(dǎo)水構(gòu)造，開挖易出現(xiàn)股狀涌水。

（2） PDK152+645—PDK152+660段落：三維反演圖像中該段落電阻率相對(duì)較低，且二電流半衰時(shí)之差為正值，結(jié)合地質(zhì)情況，可推斷該段落圍巖較破碎，裂隙發(fā)育且富水，富水情況較上一段落減弱或變化不大。

綜合地質(zhì)分析與二電流半衰時(shí)之差信息，推斷探測(cè)范圍內(nèi)水量約為1500m3。

6.結(jié)論

采用激發(fā)極化法對(duì)祥和隧道進(jìn)行地質(zhì)測(cè)量，通過對(duì)電阻率以及半衰時(shí)之差等參數(shù)進(jìn)行分析和反演，可得出以下結(jié)論：

（1）PDK152+630—PDK152+645段落掌子面左側(cè)及右側(cè)圍巖破碎富水，開挖易出現(xiàn)股狀涌水；

（2）PDK152+645—PDK152+660段落圍巖較破碎，裂隙發(fā)育且富水。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉盛東，吳榮新，張平松. 三維并行電法勘探技術(shù)與礦井水害探查[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（7）：927-932.

[2]賀檢橋. 電法勘探在湖南煤田勘探中的應(yīng)用研究[J]. 中國煤田地質(zhì)，2001，13（1）：67-70.