电法探测冻结法施工效果技术应用与研究修改.docx
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电法探测冻结法施工效果技术应用与研究修改
电法探测冻结法施工效果
技术研究与应用
中煤邯郸特殊凿井有限公司
北京科技大学
2015年4月
目录
1、项目来源1
1.1概述1
1.2国内外研究现状3
1.3电法探测研究现状3
2、研究方法及内容5
2.1研究方法5
2.2研究内容5
3、项目工程概况6
3.1井筒技术特征6
3.2井筒工程地质特征6
3.3冻结孔布置参数8
4、高密度电法的原理9
4.1岩（矿）石电阻率9
4.2均匀大地中电阻率的测定10
4.3非均匀介质中的稳定电流场及视电阻率计算12
4.4高密度电法不同装置采集方式14
4.5数据反演方法介绍20
4.6工作流程23
5、工作方案26
6、室内岩土电性测试29
7、探测数据分析32
7.1首次探测数据分析32
7.2探测数据三维分析47
7.3第四段冻结地层补充探测分析51
7.4现场实测效果检验57
8、研究成果对现场的指导57
9、经济、社会效益及应用推广前景59
9.1经济效益59
9.2社会效益59
9.3应用推广前景60
10、研究成果及技术创新62
11、科技成果查新报告64
1、项目来源
1.1课题的提出
人工地层冻结是目前广泛应用于加固软弱流动的富含水地层的加固和封水的一项土木工程技术，在我国已经经过了近70年的发展历程，应用范围和规模也不断加大，技术上也不断面临各种新的挑战。
1、地下水流动导致冻结壁不交圈是挑战之一。
按我国建井施工手册建议，地下水渗流速度小于5m/天是适宜地层冷冻技术的条件，但实际工程中时常出现流速大大超限的情况，如山东古城煤矿井筒冻结，地下水流速达到了28m/天，这类问题分别在深圳地铁施工、河北丰城煤矿井筒冻结等50多个多工程中发生。
有的导致严重的工程中断，如内蒙古建昌营矿副井冻结，经过半年多的地层处理才得以解决。
2、冻结壁局部厚度不均和不明是挑战之二
冻结壁结构需要达到设计的厚度和温度要求，是地下工程开挖砌筑前的必要保障，由于冻结器循环流量不均、地层热学特性的不均，地下水流水等复杂因素影响，导致冻结壁的发展不均衡，而冻结壁是隐蔽工程，不能直观观测到。
这样导致在施工中出现冻结壁变形过大，或者突发破坏等工程事故，例如黑龙江东荣二矿风井，在井筒冻结段下部掘进过程中，冻结壁破坏出水导致淹井事故。
3、冻结管渗流盐水导致冻结壁“透窗”是挑战之三
低温盐水循环是向地层提供冷源的保障，但是冻结管在密封上出现问题，导致了盐水渗漏到地层，降低了地层结冰温度，而且不断的渗流导致冻结壁形成薄弱洞穴，致使工程开挖中才发现冻结壁结构物存在缺陷，出现地下涌水导致施工中断。
因此，进行冻结工程中的冻结壁形成状态的全范围监测，及时发现和解决问题是提高地层冻结技术所迫切需要攻克的技术难题。
目前冻结施工效果检测无成熟可靠的手段和探测仪器，冻结过程中主要依据盐水流量、盐水温度来分析均质正常地层冻土发展，对于地层异常区域或非正常冻结区冻结壁发展目前还没有办法进行分析与判断。
为此，研究探索一种对冻结壁总体形成状态检测仪器与方法成为冻结行业一直探索的课题。
冻土和融土是地层冻结前后的突出变化，其在物理特性上的变化是掌握冻结壁结构的重要信息。
众所周知,自然界中水的电阻率只有
到
Ωm，水的矿化度愈高,其电阻率愈低。
但当气温降到O℃以下时，水结成冰时,其电阻率则急剧增大,一般可达
Ωm。
如果第四系沉积物或岩石中含有水份时,则随着水的结冰,该沉积物或岩石的电阻率也会急剧增长
倍。
由此可见，利用冻融土电阻的变化，监控冻结壁形状和厚度是一条技术途径。
本项目以袁大滩煤矿斜井井筒冻结法施工效果探测为背景，首次利用高密度电测法对主、副斜井冻结施工效果进行探测研究，通过对冻结地层的探测，及时掌握了冻结壁的形成状态，为今后冻结壁形成状态直观检查开辟了一条新途径，提出了新方法。
其将电法测量应用于冻结探测施工技术中，必将对冻结技术发展产生深远影响，对我国冻结法施工技术进步，保证矿井安全顺利施工具有重要意义。
1.2国内外研究现状
矿井物探技术起源于本世纪50年代，首先在金属矿山进行试验，并逐步取得成功。
70年代初，我国煤炭系统的科研单位开始开发这项技术，并且逐步摸索出一套适合我国煤矿条件的物探方法。
矿井物探技术的发展，不仅给人们提供了新的矿井地质工作手段，提高了成果资料的可靠程度，而且推动了煤矿开采技术的进一步发展。
直流电法用于井下勘探始于20世纪60年代。
前苏联在顿巴斯等煤矿进行井下直流电法的试验工作，用来探测巷道之间的小构造获得成功。
我国在1984年以后，在煤矿井下多次应用直流电法探测水文地质条件。
邯郸矿务局于1985年前后，采用以直流电法为主、配以放射性同位素测量等方法探测底板隔水层厚度、导升高度以及裂隙发育带等也获得成功。
电法测量主要应用于地质勘探与普查，而将其应用于冻结壁检查国际上还无先例。
1.3电法探测研究现状
电法勘探通常可分为两大类，即传导类电法和感应类电法。
前者以各种直流电法为主，如电阻率法、充电法、自然电场法和激发极化法；后者以交流电法为主，如大地电磁测深法、频率电磁测深法、瞬变电磁测深法。
电法勘探具有效率高、成本低、适用性广等优点，在工程地质和水文地质勘察，石油、天然气和煤田地质构造勘查，寻找金属与非金属矿产，环境监察等方面都有广泛的应用。
下表为电法勘探的分类及在地质勘探中的应用。
表1-2电法勘探分类和应用
类别
场的性质
方法名称
应用
直流电法
天然场
自然电场法
电位法
测地下水流向，地下水与地表水的补给关系；查河床、水库底渗漏点；寻找金属硫化物矿床
梯度法
人工场
电阻率法
电剖面法
填图；追索断层破碎带；确定基岩起伏，追索各种高低阻陡倾斜地电梯及接触面；查溶岩发育带
电测深法
划分近水平层位，确定含水层厚度、埋深；划分咸淡水分界面；查构造，探测基岩埋深、风化壳厚度等
高密度电法
应用同电剖面和电测深法
激发极化法
各类剖面法
寻找金属硫化物矿床；地下水勘探；石油勘探
各类测深法
充电法
电位法
追索地下暗河、充水断裂带；了解地下水流速、流向；查坝基渗漏点
梯度法
交流电法
天然场
大地电磁测深法
查区域构造，石油勘探，地壳上地幔研究
人工场
频率电磁测深法
应用同直流电测深，适用于大深度探测
瞬变电磁测深法
应用同直流电测深，适用于中大深度探测
电磁法
填图、找水
2、研究方法及内容
2.1研究方法
本项目以袁大滩煤矿斜井井筒冻结法施工效果探测为背景，采用高密度电测法对主、副斜井冻结施工效果进行探测研究，利用室内岩土体物理力学性质研究方法，研究地层中冻结区域与未冻结区域的视电阻率分布状态，判断冻结地层的施工效果，得出冻结地层的变化规律。
2.2研究内容
本项目将以现场探测数据为依据，结合室内试验研究，采用物理模拟、数值反演分析方法针对袁大滩斜井冻结施工进行相应的研究，主要研究内容：
1、对区域地质资料、工作面生产技术、冻结法施工方案等资料进行整理和分析；
2、对区域地层岩土物理力学性质进行室内试验，重点研究岩土体冻结与未冻结状态下的电性差异；
3、针对现场冻结法施工进行电法探测，探测地层中视电阻率的基础数据；
4、采用高斯一牛顿迭代法反演分析地层中视电场，分析地层视电阻率的分布状态；
5、区分地层冻结区域与未冻结区域，分析冻结深度、冻结范围、冻结壁厚度等冻结技术参数。
3、项目工程概况
3.1井筒技术特征
袁大滩井田南北宽约18.3km，东西长约15.4km，面积231.1km2，井田东距榆林市约20km，行政区划隶属榆林市榆阳区小纪汗乡、巴拉素镇及芹河乡。
主斜井：
井筒中心坐标X=4245548.000m，Y=37367550.000m，Z=+1212.90（底板），井筒倾角14°，①-②明槽开挖，斜长82671mm。
②-③冻结法施工，冻结起始位置与井口平距80.215m，冻结段总斜长377m，水平长度365.8m，井筒冻结垂深20m～111.208m，冻结深度起算标高+1212.90m。
2-2剖面：
井筒荒断面高度5950mm，荒宽6300mm，井壁厚度350+300mm。
副斜井：
井筒中心坐标X=4245631.000m，Y=37367493.000m，Z=+1213.100（底板），冻结段内井筒倾角6°，暂定冻结深度为80m，斜长611m。
支护方式：
①-③明槽开挖段采用钢筋混凝土砌碹支护；③-④段采用冻结法施工，支护方式为工字钢棚+钢筋砼砌碹双层井壁加反拱。
井筒冻结垂深16.127m～85.178m，冻结深度起算标高+1213.100m。
3.2井筒工程地质特征
根据主、副斜井招标图中基岩线，主斜井穿过的表土厚度97.325m；副斜井穿过表土厚度69.166m。
主斜井地层结构表见F1号钻孔岩芯鉴定表。
副斜井地层结构表见F1号钻孔岩芯鉴定表。
表3-1F1号钻孔岩芯鉴定表
地层
层号
累计深度（米）
层厚（米）
岩石名称
Q4eol
1
7.60
7.60
粉沙
Q3s
2
16.83
9.23
细沙
Q3s
3
25.30
8.47
中沙
Q3s
4
33.60
8.30
粉沙
Q3s
5
72.20
38.60
细沙
Q3s
6
79.10
6.90
粉沙
Q3s
7
97.60
18.50
细沙
Q2l
8
98.90
1.30
黄土
J2a
9
110.33
11.43
砂质泥岩
J2a
10
112.30
1.97
中粒砂岩
表3-2S1号钻孔岩芯鉴定表
地层
层号
累计深度（米）
层厚（米）
岩石名称
Q4eol
1
7.40
7.40
细沙
Q3s
2
14.60
7.20
细沙
Q3s
3
23.90
9.30
淤泥
Q3s
4
54.63
30.73
中沙
Q3s
5
57.63
3.00
粉沙土
Q3s
6
64.80
7.17
细沙
J2a
7
67.60
2.80
砂质泥岩
J2a
8
73.00
5.40
细粒砂岩
J2a
9
76.00
3.00
砂质泥岩
3.3冻结孔布置参数
表3-3副斜井部分冻结孔布置参数表
段号
项目
1
2
3
4
冻结段水平长度（m）
39.781
39.781
39.781
39.781
冻结段倾斜长度（m）
40
40
40
40
井筒净断面底板垂深（m）
16.127～20.308
20.308～24.490
24.490～28.671
28.671～32.852
冻结部位
顶、帮、底、
顶、帮、底
顶、帮、底
顶、帮、底
冻结壁厚度（m）
6.0、2.6、4.0
6.0、2.6、4.0
6.0、2.8、4.0
6.0、2.8、4.0
冻结孔排数（排）
5
5
5
5
冻结孔排距（m）
2.350
2.350
2.400
2.400
冻结
孔间距
（m）
左排
1.593
1.593
1.659
1.659
左中排
1.896
1.896
2.212
2.212
中排
1.896
1.896
2.212
2.212
右中排
1.896
1.896
2.212
2.212
右排
1.593
1.593
1.659
1.659
冻结孔孔数
（个）
左排
24
24
23
23
左中排
20
20
17
17
中排
20
20
17
17
右中排
20
20
17
17
右排
24
24
23
23
冻结孔深度（m）
左排
21.808～25.827
25.990～30.008
30.171～34.181
34.352～38.362
左中排
21.808～25.794
25.990～29.975
30.171～34.123
34.352～38.304
中排
21.808～25.794
25.990～29.975
30.171～34.123
34.352～38.304
右中排
21.808～25.794
25.990～29.975
30.171～34.123
34.352～38.304
右排
21.808～25.827
25.990～30.008
30.171～34.181
34.352～38.362
左/右排
冻结孔最大孔间距（m）
1.80
1.80
2.00
2.00
左中/中/右中排
冻结孔最大孔间距（m）
3.10
3.10
3.60
3.60
测温孔（孔数/深度）
1/21.808
3/23.985
3/28.166
3/32.263
3/36.444
封头孔（个/m）
6/21.808
6/25.990
6/30.171
6/34.352
冻结孔工程量（m）
2712.186
3188.826
3310.535
3741.178
钻孔总工程量（m）
2805.949
3273.324
3407.324
3850.51
袁大滩副井第三段冻结施工时发生部分冻结孔盐水渗漏，造成部分冻结壁融化，改变了地层特性，使冻结壁形成状况不能按正常分析判断，不同位置深度冻结壁形成状况无法确定，井筒安全无法保证，为解决上述难题，我们与北京科技大学经过多次研究，决定采用电法对冻结施工效果进行检测，取得了很好的效果。
通过探测使漏盐区及冻结壁未交圈区域一目了然。
有力地保证了工程安全，也为冻结现状检查开辟了新途径，创新了新思路，找到了新方法，随着其技术的不断完善，必将推动冻结技术的进一步提高。
4、高密度电法的原理
4.1岩（矿）石电阻率
高密度电阻率法是以不同岩（矿）石之间导电性能差异为基础，通过观测和研究人工电场的地下分布规律和特点，实现解决各类地质问题的一种勘探方法。
高密度电阻率法实质是通过接地电极在地下建立电场，以电测仪器观测因不同导电地质体存在时地表电场的变化，从而推断和解释地下地质体的赋存状态，达到解决地质问题的目的。
众所周知，电阻率
是描述物质导电性能优劣的一个电性参数。
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，该体积的物质所呈现的电阻值即为该物质的电阻率，并用下式计算其数值大小：
（4-1）
显然，物质电阻率越低，电导率越大，其导电性越好；反之，其导电性就越差。
天然岩（矿）石都是由矿物组成的，按导电机理而论，固体矿物可分为3类，即金属导电类矿物，半导体类导电矿物、固体离子类导电矿物。
金属类导电矿物包含各种天然金属，如自然金、银、铜、镍等，它们的电阻率值很低，有很好的导电性能；半导体类导电矿物几乎包括了所有的金属硫化物和金属氧化物，它们的电阻率变化范围较大，常被称为中等导电性矿物；固体离子类导电矿物包括绝大多数造岩矿物，如石英、长石、云母、方解石、辉石等，这类矿物都属于固体电解质，它们的电阻率值都很高，称为劣导电性矿物，在干燥的状态下几乎是绝缘体。
由上述可知，不同的天然岩（矿）石有不同的电阻率，同种岩（矿）石因赋存条件不同也会表现出不同的电阻率。
因此岩（矿）石所组成的地质体的不同电阻率是高密度电阻率法勘探、推断和解释地下地质体的一个基本的条件。
4.2均匀大地中电阻率的测定
高密度电阻率法是利用人工在地下建立稳定电流场的方法来揭示地下不同岩（矿）石分布规律的，由电场理论可知，稳定电流场遵循欧姆定律和克希霍夫第一定律。
稳定电流场与静电场一样，也是势场，用公式表达为：
（4-2）
（4-3）
（4-4）
式（4-2）为欧姆定律的微分形式，该式对任何一点都是成立的，故适用于任何形状的不均匀导电介质和电流密度不均匀分布的条件。
式（4-3）为克希霍夫定律的微分形式。
该式表达了导电介质中，稳定电流场除场源外任何一点的电流密度的散度恒等于零。
其物理意义为：
外源头任何处不会有电荷堆积，电流线总是连续的，不会在场中无源处消失，也不会无源而生。
将（4-2）代入（4-3）中便可以得出：
（4-5）
在均匀介质中，
为常数，故应满足：
（4-6）
此式为拉普拉斯方程，是均匀导电介质中求解稳定电流场的基本公式，也就是稳定电流场在任意一点的点位方程。
为在地面下建立稳定的电流场，通常是用两个接地电极将电源两端接地，从而使电流通过导电的大地与电源构成回路。
在测定均匀大地的电阻率时，除需要建立各类电流源的电源、供电极外，还需要测量极，如图4-1所示：
A、B为供电极，M、N为测量极。
利用电测仪器测定MN电极间的电位差和AB回路的供电电流，来达到测定电阻率的目的。
根据拉普拉斯方程，AB电极供电时，MN电极之间的电位差是：
（4-7）
从而可以导出电阻率的表达式为：
（4-8）
令
（4-9）
式中
称为电极排列系数（或装置系数），是一个仅与各电极间空间位置有关的量。
在实际工作中，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，
值便可以计算出来。
图4-1测量极电路图
4.3非均匀介质中的稳定电流场及视电阻率计算
实际上，均匀的大地是不存在的。
（4-8）式应用的条件是：
地面为无限大的水平面，地下充满均匀各向同性的导电介质，满足这些条件得出的才是大地的电阻率。
然而，实际中常常不能满足这些条件，地形有高有低，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵横交错等等。
这种条件下得出的电阻率值是地下半空间体的综合响应，我们称之为视电阻率
：
（4-10）
视电阻率虽然不是岩（矿）石的真实电阻率，但却是地下电性不均匀体和地形起伏的一种综合反映。
故可以利用其变化规律以发现和探查地下介质的分布状况，已达到解决地质问题的目的。
在计算视电阻率中，需要将电阻率与电场的分布联系起来，（4-10）式的电位差可表示为：
（4-11）
式中
和
为测量电极间任意点沿MN方向的电场强度分量和电流密度分量；
为测量电极间任意点的岩石电阻率；
为测量电极间任意点沿MN方向的长度单元。
将（4-10）式带入（4-9）式可得出：
（4-12）
由（4-11）式可以看出，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，而地表电流密度分布即受地表电阻率分布影响，也受到地下电性不均匀体的影响。
因此在电极排列一定的条件下，视电阻率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，（4-12）式可以简化为：
（4-13）
为与正常电场相比较，设地面水平，地下均匀各向同性岩石的电阻率为
，MN间电流密度为
，此时（4-13）式可写为：
（4-14）
因讨论的是均匀介质，故
应等于
，于是有：
（4-15）
将（4-15）式代入（4-13）式中可以得出：
（4-16）
此式为视电阻率的微分方式，是测量过程中获取的数据，也是反演分析的基础数据，根据此数据利用其变化规律以发现和探查地下介质的分布状况，已达到解决地质问题的目的。
4.4高密度电法不同装置采集方式
根据供电电极和测量电极的空间位置关系，归纳出几种装置型式：
二极装置、单边三极装置、温纳装置、偶极装置和斯龙贝格装置等等。
这些方法具有各自的优缺点以及相应的限制条件，因此在实际工作应该根据具体解决实际问题情况、测试场地的地电条件和地形条件，选择比较合理的装置形式进行。
1）、二极装置
高密度电阻率法二极装置电极排列的采集原则是将一个供电电极B极和测量电极N极置于“无穷远”，然后A电极供电，M电极依次进行电位测量。
二极装置的装置形式的工作示意图见图4-2。
图4-2二极装置工作示意图
装置系数
，其中
为电极间距，
为隔离系数，
。
每次测量的数据点放在供电电极A和测量电极M的正中间。
在实践中，理想的二极装置中的无穷远是不存在的。
为了近似做到二极装置，供电电极B和测量电极N必须放置到大于20倍的AM最大距离之外的地方，这样才能保证误差小于5%。
因此如果在地形复杂的场地布置测线，远极的位置有时很难满足。
另外远极的影响程度同AM与BM距离的比值近似成比例，因此这种装置型式的另一个缺点是由于两个测量电极之间距离过大，会接收到大量的地电干扰，导致分辨率降低，大大降低测量的质量。
因此这种装置形式主要用在小极距（小于10m）的勘探中。
虽然二极装置的分辨率低，但用该种装置探测时水平有效宽度最大，有效探测深度也最深。
二极装置对横向范围大的异常体采集效果好，适用于探测岩性分界面，对于呈层状地质体和洞室形异常体探测也可满足。
采用二极装置型式探测时，测试深度应是目的物异常体尺寸的2～3倍。
2）、三极装置
在野外工作时，需要设置一个无穷远极B（A三极）或者A（B三极），然后用一组测量电极M,N测量距离供电电极不同距离的电位差，实现对地下地质体的探测。
其采集形式见图4-3。
图4-3三极装置工作示意图
装置系数
，其中
为电极间距，
为隔离系数，
，
。
三极装置探测时数据水平宽度较大，信号强度比偶极装置强，抗干扰能力比二极装置好。
与其它装置形式不同，三极极装置是不对称的，因此原本对称的结构体在测量中得到的视电阻率异常也是不对称的。
在某些情况下，这种视电阻率的不对称性会影响到反演后得到的模型。
为了消除这种不对称性，通常还要进行反向测量，通过正向和反向的测量即可消除这种不对称性。
A三极装置的远极B极必须放置在距离测线足够远的地方，B极的影响程度近似与AM同NB距离的平方成比例。
因此，三极装置远极的影响比起二极装置远极的影响要轻一些。
如果B极距测线的距离大于5倍的AM的最大距离，由忽视B极的影响带来的误差将小于5%（确切的误差也依赖于N极的位置和地下的电阻率分布）。
由于有效探测宽度较大，这是一种很有效的装置形式，它的信号强度比温纳装置和温纳斯龙贝格装置要弱，但比偶极装置要强。
在考虑地形因素的条件下，该装置信号强度更强（相对于偶极装置），误差更低（相对于温纳装置和温纳斯龙贝格装置），使得这种装置成为一种有效的选择。
三极装置的信号强度随着隔离系数“n”的平方的增长而降低。
虽然这种规律不像偶极装置那样明显，但“n”值的选取最好不要大于8～10。
除此以外，MN之间的间距“a”应适度增大以获得更强的信号。
当采用三极装置型式探测时，测试深度应该是目的物异常体的尺寸的4倍及更大。
3）、温纳装置
图4-4温纳装置工作示意图
温纳装置工作示意图见图4-4。
装置系数
，其中
为电极间距，
，测量时将MN范围内测得的视电阻率标在MN中点下。
温纳装置对整个排列中间部分的地下垂直电阻率变化有较强的敏感性，对地表以下的横向电阻率变化就不怎么敏感了。
通常，温纳装置探测垂直变化的结构（如水平层状结构）较为适用，对水平变化的结构（如较窄的垂直结构）能力稍差。
用温纳装置探测的中间深度大约是0.5倍的“a”值，相对于其它装置形式来说，这个深度比较适中。
温纳装置的信号强度同装置系数成反比例。
温纳装置的装置系数是
，这比其它装置的装置系数都要小。
在常用的几种装置形式中，温纳装置
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