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1、矿用高精度直流电法仪需求分析评审报告报告人 ：张 奇 日 期 ：2011年2月15日1 研究背景在煤炭开采过程中，由于煤层的开挖和底板的变形、破坏， 在底板中形成导水裂隙带。当裂隙带发展到含水层时，在煤层底 板中出现一条或多条导水通道，含水层中的水将沿着裂隙带涌向 采空区，发生突水灾害。随着开采深度和强度的增加，煤炭开采 环境日趋复杂，水害问题将更加突出。深入调查巷道内地质环境 ，开发含水地质的探测技术，以预防和治理突水，对于煤矿安全 生产具有积极的意义。 本项目所做研究就是以物探方法作为仪器的主要特性，采 用电法勘探技术为主要手段，勘查巷道顶、底板隔水层厚度、断 裂层、破碎带、陷落柱，尤其是
2、含水、导水破碎带，甚至潜在的 突水点等含水地质构造，为预防煤矿灾害提供有效地数据支持。 1.1 项目研究的必要性据中国矿大2008年中的一篇博士毕业论文中提到，煤矿水害 作为仅次于瓦斯的矿山五大安全灾害之一，也是世界产煤国家面 对的一个安全生产难题。我国煤田地质条件十分复杂，受水威胁 的煤炭储量占探明储量的27%，受底板岩溶水威胁的矿井高达222 处，占统配煤矿矿井总数的48%以上，其中受水威胁较严重的矿 井有171处，受水威胁的储量为6660Mt，占统配煤矿总储量的18% ，有51对矿井随时都有突水的可能。对于象徐州、淮南、枣庄、 峰峰等这样的老矿区，随着煤矿开采深度的增大，综合机械化采 煤
3、、放顶煤技术的普遍应用，水害对综合工作面生产的影响日益 突出，在已有的事故报告中由于水害造成的经济损失可达数百亿 元计。目前，北方主要矿区受水害威胁的煤炭储量占15多亿吨， 如何将这些煤炭从承压水上解放出来，实现安全高效的煤矿生产 ，及时而准确地预测、预防水害仍是函待解决的课题。1.2 项目研究的优越性高精度直流电法仪的本质是直流电阻率法的一种。它是根据 不同物质的介质电性差异，研究在人为施加电场的作用下，地下 传导电流的变化分布规律。相对传统的矿用直流电法仪，吸收市 场现有高密度电法仪的主要特点，针对煤矿巷道内的地质环境， 增加了相应的供电输出电极和测量接收电极的数量，提高一次电 极布设的数
4、据采集量，具备深度测量和剖面测量的功能。相对于 传统的矿用直流电法仪而言具有以下优势：（1）第一次将电极布设完成后即可对多个观测点进行测量，这 样就大大减少因为反复布设电极而引起的不必要的故障和干扰， 节约了数据测量所需的时间。（2）电极布设完成后，能够通过改变算法来改变电极排列方式 。通过不同算法的测量可以获得较丰富的关于地电断面结构特征 的地质信息。（3）相较于传统4极的矿用直流电法仪明显具有采集数据丰富 、反演解释详细方便、勘探能力更强的优势。 2 矿用电法仪器市场现状及其发展趋势我国的电法勘探工作始于50年代初，主要是引进前苏联的方法技 术，以直流电法为主；随后又逐渐引进、发展了电化学
5、方法，如激发 极化法；到60年代，我国科研人员开始研究以绝对测量为特点的电磁 感应类方法；至70年代，则以相对测量为主，并在80年代有较大的进 展。目前我国煤田勘探主要采用瞬变电磁法、高精度磁法、高精度重 力法、直流电法勘探（含高密度电法勘探）、地质雷达探测等，而实 际得到广泛应用的仍是直流电法勘探技术。在过去十几年里，先后有重庆煤科院、西安煤科院、中国地质大 学研究所先后做过相关方面的研究，但至今为止，唯有西安煤科院仍 保有该产品，对该产品的市场形成垄断的格局。 2.1 国内市场现状n 查看PDF文件。注风水与居家风水的理 念n风水是方位选择的艺术。n风水是环境组织学。n居家风水，选择最佳方
6、位，调配居家环 境物件，管理居家环境结构，提升健康 、幸福与财富指数。n居家风水的核心理念是：以人为本，借 天时与地利，追求天人合一，实现人居 和谐及成功发展。最佳住宅楼盘的选择标准n选房子就像选妻子。n男人选妻子应该坚持的原则上选选才女，中选选淑女，下选选美女。既可出厅堂，又能进厨房，更会管账房。n居家风水的评价标准n 楼盘的身材相貌景观、楼体、户型；n 楼盘的贤惠品行和谐、平安、匹配；n 楼盘的才华能力聚财、催贵、兴家。图1 YD32(A)型高分辨电法仪YD32(A)高分辨 电法仪图2 YDZ(A)型高分辨电法仪2.2 矿用电法仪发展趋势综合比较目前市场上现有产品的主要特点，我们不难看出，
7、现有的 电法仪的设计正向着以下几个方面改进：（1）多电极、多通道的采集技术将占据主导地位。这样不仅提高了 数据采集的数量和速度，还使电法仪具备了同时采集多种测量方式的 数据。（2）单台电法仪可支持对多种布极方式，相应的增加了数据反演解 释软件设计的复杂性。（3）改变了以往井下数据采集，井上计算机数据分析的作业方式， 提高了电法仪的硬件系统集成度，实现了巷道现场数据采集、存储、 解释的一体化微处理系统。（5）井下巷道的小空间勘探方法的创新应用。（4）三维高密度电法测量将得到大力发展。虽然现在三维高密度电 法测量由于种种原因还处于实验和研究的阶段，但随着技术水平的提 高，必将得到广泛的应用。3 电
8、阻率法的基本测量原理3.1 岩土介质的电阻率n 电阻率()单位是欧姆米，记作m。在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电 阻率() 。从物理学中已知，当电流垂直流过单位长度、单 位截面积的体积时，该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质 的电阻率。计算公式如下：注 煤的电阻率煤的电阻率 30-100030-1000mm 海水的电阻率海水的电阻率 0.2-1 0.2-1 mm 湿土壤的电阻率湿土壤的电阻率 1-101-10mm 泥岩的电阻率泥岩的电阻率 10-100 10-100 mm 砂岩的电阻率砂岩的电阻率 100-1000100-1000mm 灰岩的电阻率灰岩的电阻率 300-100
9、00300-10000mm 砂砾的电阻率砂砾的电阻率 600-10000600-10000mm 花岗岩的电阻率花岗岩的电阻率 -10000-10000mm 铜的电阻率铜的电阻率 0.00010.0001mm一些常见物质的阻率值3.2 影响岩、矿石电阻率的因素 岩石中水溶液的 分布状态岩层中水溶液的 电阻率大小与岩石孔隙度有明显关系与岩石孔隙度有明 显关系组成岩石的矿物成分中，在煤田电法勘探中，研究的组成岩石的矿物成分中，在煤田电法勘探中，研究的 主要对象是沉积岩。主要对象是沉积岩。 岩（矿）石电阻率与成分和结构的关系 导电矿物含量相当大(80)时， 对岩石电阻率才有明显作用。主要决定于它们的连
10、通情况， 连通者起的作用大， 孤立者起的作用小。岩、矿石的电阻率 与导电矿物的含量导电矿物对岩、矿石 整体电阻率影响（a） （b） （c）岩矿石不同结构的示意图层状结构岩石模型（a）实际岩石 （b）等效模型(b)（a）两种电阻率分别为1和2的薄层岩石交替成层，它们的总厚 度分别为h1和h2，则可按电阻并联和串联的关系，不难得到沿层理 方向和垂直层理方向的电阻率表达式： (1)(2)为了表征层状岩石的非各向同性程度和平均的导电性，定义其 非各向同性系数和平均电阻率分别为： 岩（矿）石的电阻率与所含水分的关系 地下水及其他天然水的电阻率均较低，通常小于 100.M，并且含盐分越多，电阻率值越低。岩
11、、矿石中 所含水分的多少(或湿度大小)对其电阻率值有较大影响。 一般含水量大的岩石电阻率较低，而含水量小或干燥岩石的电阻率较高。岩石含水量的大小，主要决定于岩石 本身的孔隙度及当地的水文地质条件。在潜水面以下，岩 石孔隙通常被地下水所充满，此时，岩石的湿度便等于其 孔隙度。 (3) 岩（矿）石电阻率与温度的关系 岩石电阻率与温度的关系 -40 -20 0 20 40 t/C100101电子导体矿物、矿石的电 阻率随温度增高而变大离子导电岩石的电阻率却 随温度的增高而变小地面水平， 地下为均匀、 无限、 各向同性介质。 ABNM则地表任意两测量电极则地表任意两测量电极M M和和N N的的电位电位
12、U U的表达式为的表达式为: : 3.3 均匀大地电阻率的测定电阻率计算公式的推导由电场叠加原理，则M，N间的电位差为：A极在地面测量电极M和N处的电位分别为：同理，B极在地面测量电极M和N处的电位分别为：只要该电位差不为零，便可得到用点电极测量均匀大地 电阻率的表达式：式中K称为电极排列系数(或装置系数)，其单位为米，是一个 仅与各电极间空间位置有关的量。式中，K为装置系数，其表达式为：K值的实际计算电极形式可多种多样，但电极的 排列形式和电极距一经确定，K值便 可计算出来。 在实际工作中3.3 视电阻率的概念及分析方法地面水平， 地下为均匀、 无限、 各向同性介质。 实际工作中常常不能满足
13、这些条件，地形往往起伏不 平，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵 横交错，或者有矿体充填其中。视电阻率 虽然不是岩石的真电阻率，但却是地下电 性不均匀体和地形起伏的一种综合反映。 在地下介质的电性分布不均匀或者地面不水平 时，仍用四极法测量，所得的电阻率不再是地下某一 岩层的真电阻率，而称之为视电阻率，用脚码s表示 。 电阻率法就是根据所测视电阻率的变化特点及规律去发现和了解 地下的电性分布情况，以达到找矿或探查地质构造的目的。那么，如果在电阻率均匀的围岩中存在电阻率不同的地质体，在 地面上观测的视电阻率具有什么样的变化特点和规律呢？视电阻率在不均匀体和地形起伏的 分布示意图 在地
14、形起伏、存在 不均匀地质体，且测量 电极的间距很小时，用分别表示 MN处的电场强度、电 流密度和电阻率。由电位差可表示为: 欧姆定律的微分形式 上式对任何布极形式和电极间距离以及地下任何不 均匀情况均适用。它清楚地表明，视电阻率在数值上与 MN间沿地表的电流密度和电阻率的分布有关，而地表 电流密度的分布，既受地表电阻率分布也受地下电性不 均匀体的影响。因此，在电极排列一定的条件下， 的 变化由地表及地下电阻率分布所决定。当MN很小时，可将MN范围内的电场强度视为不变，上式 可化为 如果在均匀半无限介质的条件下， ， 且此时所测得的 ，故有：即：于是，我们可得地形起伏且存在不均匀体时视电阻率的
15、微分形式：在分析一些理论计算、模型实验及野 外地面观测结果时，经常要用到它。 当地面 水平时电阻率不均匀时地下电流分布示意图 从上图中可以看出，在左边无矿地段jMN=j0,所以S=1。在高阻体顶上,矿 体向外排斥电流,使得测量电极M、N间的电流密度jMNj0,故S1,在高阻体 顶上出现大于正常背景的极大值;在高阻体两侧,虽然MN=1,但jMNj0,使 S1,所以在低阻矿体两侧出现大于正常背景的不明显的极大值。由上述分 析可见,利用视电阻率的微分形式分析S曲线的变化规律简单、清楚。A(+I)B(-I)X(a)(b)M NV分析：v当地下只有一种岩石时，两式是相同的，故按视 电阻率的计算式算得的s值等于岩石真电阻率 值。s剖面曲线乃为一条数值等于的直线。视电阻率的计算 公式视电阻率的分析 公式4 电测剖面法的应用n n方法特点：方法特点：研究地电断面横向变化的一类 方法采用固定的电极距，沿剖面移动 电极装置，观测一定深度范围内视电阻率 沿剖面的变化。n n解决主要地质问题：解决主要地质问题：探测产
