一种三维并行电法观测系统及地质体探查方法

摘要

本发明公开了一种三维并行电法观测系统及地质体探查方法。三维并行电法观测系统采用在地面和多个孔中同时布置电极的方式而建立。一、孔中电极布置：每个钻孔中布置一电极串，电极串由若干个固定间距的电极构成，其长度为L。二、地面电极组布置：在地面布置网格状电极组，网格状电极组中各电极之间的间距分别为a且网格范围覆盖孔中电极所在钻孔的平面范围。三、将公共电极B放置在无穷远处，而将公共比较电极N放置在任意位置；公共电极B、公共比较电极N、钻孔内各电极串、地面电极组分别通过并行电法仪相连接，通过多孔与地面的同步电法观测，查明隐伏地质异常。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维并行电法观测系统及地质体的立体探查方法，尤其涉及一种基于多个钻孔和地面同步布置的三维并行电法观测系统及地质体探查方法。

背景技术

地下隐伏地质体如溶洞、孤石等对各种工程项目具有较大的威胁，特别是一些小范围的、地面测线无法布置的区域一般都会施工钻孔进行勘查，如公路下方的岩溶空洞问题，常常会导致路面的塌陷，对人民的生命财产构成严重威胁；盾构过程中盾构机前方的孤石等给盾构机的掘进构成重大风险等，故如何查明这种小范围的精细要求的地下隐伏地质体极其重要。

针对此类问题，目前的探查方法是地球物理方法和钻探法，钻探对于局部点位的地质情况揭露较为准确，但对于连续区域的地质情况难以揭露，具有“一孔之见”的局限性。钻孔之外的隐患分布情况难以确定，通过钻探能够揭露到的地质隐患十分有限。

地球物理探查是根据地质体与周围介质的物性差异如电阻率、极化率、介电常数、弹性波速度等，利用专用的仪器，通过天然场源或激发人工场源进行观测。可获取一块区域的物性特征，突破钻探“一孔之见”的局限性。所以利用地面的勘查钻孔，进行钻孔、地面物探，可获得比钻探更好的探测效果。但进行孔内地球物理探查也存在很多问题，有的方法虽然在理论上技术可行，但实际运用过程中并不适用。比如广州地铁在建设过程中受到孤石影响较大，先后选用了多达十几种物探方法进行工程物探方法试验和专题研究，结果表明：瞬变电磁、地面地质雷达、地震映像法都不能取得良好的探测效果，但钻孔物探内的密度电法CT和地震波CT具有良好的探测效果，但探测范围为二维剖面，三维探测技术尚未成熟，目前用于跨孔电法CT的观测系统多为孔孔对穿，而忽略了地面布置电极与孔中电极之间的信号，从而丢失了孔地之间的地质信息，同时由于其数据采集方式为串行组合采集，采集效率低。

发明内容

本发明是为了解决目前跨孔探测方法存在的不足，提出了一种三维并行电法观测系统及地质体探查方法。本发明基于国家发明专利“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”(发明专利号：ZL200410014020)的基础上，通过在地面和钻孔中同时布置电极构成三维观测系统，加之并行电法数据采集的优势：当一个电极供电时，其他所有电极同时采集数据，这样的采集数据量巨大。如果由于钻孔内单条测线较短，可以在完成一组数据测试后，将钻孔中的所有电极分几次同时上提一定距离，再采集数据，保证数据覆盖整个探测区域；再通过提取反演文件进行反演，获取三维空间电性反演结果，以此达到三维空间地下隐伏地质体的探测效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三维并行电法观测系统，按照地面电极和孔中电极相结合的方式布置三维并行电法观测系统：

孔中电极布置：每个钻孔中布置一电极串，电极串由若干个固定间距的电极构成，其长度为L，将电极串送入相应钻孔底部，并保证电极串中各电极之间的间距，保证钻孔中电极在相应钻孔内的位置；

地面电极组布置：在地面布置网格状电极组，网格状电极组中各电极之间的间距分别为a且网格范围覆盖孔中电极所在钻孔的平面范围；

将公共电极B放置在无穷远处，而将公共比较电极N放置在任意位置；公共电极B、公共比较电极N、钻孔内各电极串、地面电极组分别通过并行电法仪相连接，通过多孔与地面的同步电法观测，查明隐伏地质异常。

作为上述方案的进一步改进，在孔中电极布置时，将电极串通过坠重物或捆绑在细杆上，送入钻孔底部。

作为上述方案的进一步改进，在孔中电极布置时，若钻孔中干燥无水，需在钻孔中灌水，保证电极的接触。

作为上述方案的进一步改进，电极串中各电极之间的间距为0.2m～1m；网格状电极组中各电极之间的间距为1m～5m。

本发明还提供一种地质体探查方法，其包括以下步骤：

一、基于多个钻孔和地面布置上述任意三维并行电法观测系统；

二、利用电法测试系统采集三维并行电法观测系统中一个电极供电时的供电电流和其他各电极测量得到的电压数据体，该数据体内包含自然场、一次场和二次场的所有数据；

三、按步骤二的采集方法完成所有电极依次供电时其他各电极测量，直到完成整个探测区段的数据采集；

四、如果钻孔深度H大于相应钻孔中电极串的长度，则将所有钻孔内的测线分几次同时上提一定距离S，但S<L，保证两条测线有一定的重叠区域，直至测线全部覆盖探测区间，按步骤二、三完成数据采集；

五、将采集到的数据体解编后按照实际电极坐标进行处理，提取反演文件进行反演处理，最终获取整个探测区段内的电性三维数据体；

六、将电性三维数据体进行相关处理成图，并结合实际地质情况，进行相关地质解释。

作为上述方案的进一步改进，在步骤二中，所述并行电法测试系统采用AM法采集数据：即其中一个电极在作为供电电极供电时，其他所有电极同步观测电位数据；用两种供电周期组合供电方式供电，即每个供电周期内包含两个不同周期的脉冲直流电；在一个供电周期内获取自然电场数据、一次场电压数据和二次场电压数据。

作为上述方案的进一步改进，在步骤三中，若钻孔深度H较大，沿钻孔探测距离较长时，由于钻孔内单一测线长度的限制，先将电极从钻孔最底部向上布置，在完成一个观测系统数据采集后，将所有钻孔内的测线同时上提一定距离S，但S<L，保证两条测线有一定的重叠区域，再采集完数据后再按照此步骤同时上提各钻孔内的电极串，直至完成整个探测区段的数据采集。

作为上述方案的进一步改进，在布置三维并行电法观测系统前，在施工地质勘查孔时，对已经完成的勘查孔进行相关处理，以最大程度的利用现场钻孔，节约勘查成本。

进一步地，在施工地质勘查孔时，对已经完成的勘查孔进行加非金属套管处理，套管选用筛管，若无筛管的情况下，将套管外按20cm的间距布置若干排小孔用以替代筛管。

作为上述方案的进一步改进，电法测试系统采用并行电法仪、或高密度电法仪。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提出了在进行前期工程勘查时，对勘查孔进行防塌孔处理，合理利用工程勘查孔，节约了成本；

2.本发明中由于并行电法独特的数据采集方式，突破了传统高密度电法仪单个电极或两个电极供电时，两个电极接收的限制，其为单点供电，所有电极全部采集电位信息，采集数据量巨大，现场数据采集效率高；

3.由于并行电法仪的可扩展性，本发明可同时对多孔进行三维跨孔电法CT探测，并结合地面网格状布置电极，形成地面和孔中的全三维观测系统，覆盖范围更大，所获数据量巨大；

4.获取参数多：每个供电周期内可以获取自然场、一次场、二次场的电位数据，同时通过每个供电周期供电时间长短可以获取不同频率的一次场电位响应，获取探测区域的极化率参数，在特殊项目中可进行相关参数提取分析；

5.全三维空间电阻率反演，结果更加直观，同时还可通过软件提取三维数据体中任意两个钻孔之间的剖面。

附图说明

图1是本发明三维并行电法观测系统的平面布置示意图；

图2是图1中三维并行电法观测系统的立体结构示意图；

图3是图2中发射电极与接收电极关系示意图；

图4是利用本发明一种三维并行电法观测系统及地质体探查方法的现场探测示意图；

图5是实际现场探测三维立体结果图；

图中：1-钻孔中电极；2-地面电极；3-钻孔；4-供电电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种地质体探查方法主要包括以下步骤。

一、在施工地质勘查孔时，对已经完成的勘查孔进行相关处理，以最大程度的利用现场钻孔，节约勘查成本。

当然这步的工作可以省略，直接进入第二个步骤。在施工地质勘查孔时，对已经完成的勘查孔进行加非金属套管(如PVC套管)处理，套管选用筛管，若无筛管的情况下，将套管外按20cm的间距布置若干排小孔用以替代筛管。

二、基于多个钻孔和地面布置三维并行电法观测系统。

采用基于多个钻孔和地面布置的三维并行电法观测系统：按照地面电极和孔中电极相结合的方式布置三维并行电法观测系统，具体如下。

(1)孔中电极布置：每个钻孔中布置一电极串，电极串由若干个固定间距的电极构成，其长度为L，将电法电极串送入相应钻孔底部，并保证电极串中各电极之间的间距，保证钻孔中电极在相应钻孔内的位置；

(2)地面电极组布置：在地面布置网格状电极组，网格状电极组中各电极之间的间距分别为a且网格范围覆盖孔中电极所在钻孔的平面范围。

(3)将公共电极B放置在无穷远处，而将公共比较电极N放置在任意位置；公共电极B、公共比较电极N、钻孔中各电极串、地面电极组分别通过并行电法仪相连接，通过多孔与地面的同步电法观测，查明隐伏地质异常。

本发明的关键点：通过地面和钻孔同时布置电极阵列，形成地面和孔中的全三维观测系统，覆盖范围更大，所获数据量巨大。获取参数多：每个供电周期内可以获取自然场、一次场、二次场的电位数据，同时通过供电时间长短可以获取不同频率的一次场电位响应，获取探测区域的极化率参数，在特殊项目中可提取使用。

其中，在孔中电极布置中，可将电极串通过坠重物或捆绑在细杆上，送入钻孔底部。若钻孔中干燥无水，需在钻孔中灌水，保证电极的接触。电极串中各电极之间的间距为0.2m～1m；网格状电极组中各电极之间的间距为1m～5m。

三、利用并行电法仪采集三维并行电法观测系统中各个电极供电时的供电电流和其他电极采集到的电压数据。

所述测试系统采用AM法采集数据：采用其中一个电极作为供电电极供电时，其他所有电极同步观测电位数据；即其中一个电极作为供电电极，其在供电时，其他所有电极同步观测电位数据；用两种供电周期组合供电方式供电，即每个供电周期内包含两个不同周期的脉冲直流电；在一个供电周期内可以获取自然电场数据、一次场电压数据和二次场电压数据，可提取自然电位、电阻率、极化率等电性参数。

四、完成整个探测区段的数据采集。

若钻孔深度H较大，沿钻孔探测距离较长时，由于钻孔内单一测线长度的限制，先将电极从钻孔最底部布置，在完成一个观测系统数据采集后，将所有钻孔内的测线全部上提一定距离S，但S<L，保证两条测线有一定的重叠区域，再采集完一组数后再按照此步骤上提各钻孔内的电极串，直至完成整个探测区段的数据采集。

五、将采集到的数据解编后按照实际电极坐标进行处理，提取反演文件进行反演处理，最终获取整个探测区段内的三维电性数据体。

六、将三维数据体进行相关处理成图，并结合实际地质情况，进行相关地质解释。步骤六也可以省略。电法测试系统可采用并行电法仪、或高密度电法仪。

为了更清楚的介绍本发明，在本实施例中，以四个钻孔为例，四个钻孔深度都为16m，钻孔直径为90mm，钻孔间距20m，对本发明进行解释。

一、在施工地质勘查孔时，对已经完成的勘查孔进行加套管处理，套管选用PVC筛管，筛管直径75mm，若无PVC筛管的情况下，用手电钻将PVC管外按20cm的间距布置5排小孔用以替代筛管，目的是保证PVC管内外电场的连通。

二、按照地面电极和孔中电极相结合的方式布置三维并行电法观测系统，请结合图1及图2，具体为：

孔中电极1布置：每个钻孔3中电极串共16个电极1，电极1间距40cm，则每条电极串长度为6m；将电极串通过坠重物或捆绑在细杆上，送入钻孔3底部；

地面电极2布置：在地面布置网格状电极组，电极2间距4m，范围覆盖电极1所在钻孔3的平面范围。

三、观测系统布置好后，若钻孔3内无水，则需向钻孔3内灌水，至淹没最上部电极1位置后连接测试系统，对测试系统进行参数设置。请结合图3及图4，采用AM法采集数据，用0.1s和1s两种供电周期组合供电方式供电，即每个电极1的每个供电周期内包含两个不同周期0.1s和1s的脉冲直流电。采用其中一个电极1为供电电极4供电时，所有电极1同步观测电位数据，获取测区电性情况。

步骤三中，具体为每个钻孔3布置16个电极，地面布置36个电极。设第一个钻孔3中的电极分别为A1、A2……A16，第二个钻孔中电极分别为B1、B2……B16，第三个钻孔中电极分别为C1、C2……C16，第四个钻孔中电极分别为D1、D2……D16，地面电极为1、2、……36，形成电极阵列。在进行AM测量时，电极的发射和接收分别为：A1供电，A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16，1～36同时接收电位数据，A2供电，A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16，1～36同时接收电位数据，直至A16供电，A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16，1～36同时接收电位数据；以此方式类推，直至四个钻孔内的每个电极依次供电；地面电极1#供电时，1～36、A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16同时采集数据，2#供电时，1～36、A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16同时采集数据，直至36#电极供电，1～36，A1～A16，B1～B16、C1～C16、D1～D16同时采集数据。至此，完成一个观测系统所有数据的采集工作。

四、由于每条电极串长度远远小于钻孔3深度，先将电极1从钻孔3最底部布置，在完成一个观测系统数据采集后，将所有钻孔3内的测线全部上提5m，与上条测线重叠1m，再采集一组数据；采集完数据后再将钻孔内所有电极3同时上提5m，与上次观测系统又重叠1m后，采集数据，至此完成整个探测区段的数据采集。

五、将采集到的数据按照实际电极坐标进行处理，提取反演文件进行反演处理，最终获取整个测区范围内的三维数据体，数据体内包括自然电位、电阻率、极化率等参数。

六、将三维数据体进行相关处理成图，并结合实际地质情况，进行相关地质解释，如图4中阴影区域为异常区域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。