一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法。適用于檢測鉆孔 周圍存在的巖溶和地下空洞。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖溶是在工民建、公路、鐵路環(huán)境等多方面的工程地質(zhì)勘查中，常常會遇到的情 況。由于溶蝕作用使可溶巖表面石芽、溶溝叢生，參差不齊;地下溶洞又破壞了巖體完整性。 巖溶水動力條件的變化，使其上部覆蓋土層產(chǎn)生開裂、沉陷。地下巖溶常常以溶洞、地下廊 道、地下暗河的形式表現(xiàn)出來，這些都不同程度地影響著建筑物地基的穩(wěn)定性。
[0003] 在喀斯特地區(qū)和煤礦采空區(qū)，地下巖溶和采空區(qū)屬重大地質(zhì)災(zāi)害，將嚴(yán)重威脅工 程的安全，特別對軌道交通等地下工程造成極大的危害，在工程建設(shè)前和施工階段查明巖 溶發(fā)育情況和采空區(qū)的分布非常重要。目前，探測地下巖溶和采空區(qū)的方法主要有鉆探法 和探地雷達(dá)法、（地面)高密度電法、瑞雷波法、瞬變電磁法、孔間彈性波CT法、孔間電磁波CT 法等物探方法，但鉆探法是"一孔之見"，不能發(fā)現(xiàn)鉆孔周邊的巖溶或空洞，往往"擦邊而 過"；探地雷達(dá)法、（地面)高密度電法、瑞雷波法、瞬變電磁法等方法在有覆蓋層地區(qū)的探測 深度十分有限，而其極易受到環(huán)境干擾，對于多個疊加巖溶或空洞更難以分辨;孔間彈性波 CT和電磁波CT方法至少需要兩只鉆孔，而且也只能檢測處于兩只鉆孔連線上的巖溶或空 洞，容易"擦線而過"，無法查明鉆孔周邊其他方位的巖溶或空洞。
[0004] 其中，高密度電法是一種有效工程物探方法。該方法是從常規(guī)電阻率法發(fā)展而來， 其工作原理也與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)。根據(jù)其施加電 場作用下地下巖土體中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下不同電阻率的地質(zhì)體的分布情況。 高密度電法實際上就是測定地下各種巖土體的電阻率。由于所測定電阻率值是在地下存在 多種巖土體的情況下測得的，所以不是某一種巖石的真電阻率，它除受各種巖石電阻率的 綜合影響外，還與巖、礦石的分布狀態(tài)(包括一些構(gòu)造因素）、電極排列等具體情況有關(guān)，所 以稱它為視電阻率。決定視電阻率大小的因素有:①各巖層地質(zhì)體的真電阻率;②地下不同 電性體實際分布狀況(各電性體的厚度、大小和形狀、埋藏的深淺）；③供電電極和測量電極 的相互位置以及與不均勻電性層的相對位置。
[0005] 目前，現(xiàn)有的各種檢測巖溶或空洞方法的應(yīng)用效果均存在較多不足，在環(huán)境干擾 復(fù)雜的城市地下工程中更缺乏可靠、有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對上述存在問題，提供一種用鉆孔高密度電法檢 測孔周巖溶或空洞的方法，有效規(guī)避地面高密度電法易受地表覆蓋層干擾和深部探測精度 劣化的制約，可以準(zhǔn)確檢測鉆孔周邊不同深度的巖溶或空洞，有效解決鉆探法的"一孔之 見"。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方 法，其特征在于:在目的區(qū)域鉆孔，并注滿水，在鉆孔內(nèi)放入高密度電法測試電纜，該電纜為 密封防水電纜、其上帶有等距排列的銅芯電極;所述高密度電法測試電纜一端伸入至鉆孔 底部，另一端露出鉆孔并與高密度電法主機(jī)相連接，利用四極對稱溫納爾裝置模式，自動完 成全孔段的高密度電法數(shù)據(jù)采集；
[0008] 將采集的數(shù)據(jù)利用反演解釋軟件進(jìn)行處理，形成鉆孔電阻率層析色譜圖，根據(jù)空 腔的高阻特性或巖溶的低阻特性，判斷鉆孔周邊圍巖中一定范圍內(nèi)的巖溶或空洞發(fā)育，以 及所在深度位置、形態(tài)和尺寸大小。
[0009] 所述鉆孔的孔徑為56mm~90mm，孔深超過擬檢測深度5m以上。
[0010] 所述高密度電法測試電纜的電極距為：
[0011] 式中：d-一電極距;D-一鉆孔深度;N一一測試電纜的電極數(shù)量。
[0012] 采用若干個交會鉆設(shè)的鉆孔來確定鉆孔周邊巖溶或空洞的位置。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用的方法是依據(jù)巖體電阻率與巖溶或空洞電阻率 之間存在差異的原理來設(shè)計的，并且在鉆孔中檢測；利用高密度電法儀器自動采集各電極 距的視電阻率并進(jìn)行反演擬合成像分析，形成以鉆孔為中心圓柱體的電阻率圖像，通過分 析巖溶或空洞與鉆孔周邊圍巖的電阻率差異，查明鉆孔周邊一定范圍內(nèi)的巖溶或空洞發(fā) 育，擴(kuò)大了鉆孔的探測范圍；本發(fā)明有效規(guī)避了地面高密度電法易受地表覆蓋層干擾和深 部探測精度劣化的制約，可以準(zhǔn)確檢測鉆孔周邊不同深度的巖溶或空洞，有效解決了鉆探 法的"一孔之見"。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明中四極對稱溫納爾裝置模式圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明中鉆孔高密度電法測試裝置圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明中鉆孔高密度電法反演電阻率色譜圖。
【具體實施方式】
[0017] 如圖1 一3所示，本發(fā)明的工作原理是：空洞具有高阻特性，而巖溶具有低阻特性， 與鉆孔周邊圍巖電阻率具有較大的差異，在電阻率成像圖中呈高阻或低阻異常區(qū)，由此可 判斷鉆孔周邊是否存在巖溶或空洞，并推測為巖溶或空洞。具體是依據(jù)(地面)高密度電法 原理，將原本布設(shè)在地面的電纜改裝后防水電纜后放入鉆孔1內(nèi)，將打入地下的桿狀電極改 用銅芯電極2-1，銅芯電極一般有60個，電極距為d;以鉆孔1中的水作為耦合劑，利用高密 度電法儀器自動采集各電極距的視電阻率并進(jìn)行反演擬合成像分析，形成以鉆孔為中心圓 柱體的電阻率圖像，通過分析巖溶或空洞與鉆孔1周邊圍巖的電阻率差異，查明鉆孔1周邊 一定范圍內(nèi)的巖溶或空洞的發(fā)育，擴(kuò)大鉆孔的探測范圍；但單只鉆孔1檢測結(jié)果無法判定該 巖溶或空洞在鉆孔周邊的方位位置，可利用三只及以上鉆孔交會確定其位置。
[0018] 本實施例為一種用鉆孔高密度電法檢測鉆孔周邊巖溶或空洞的方法，首先在預(yù)定 位置交會的鉆設(shè)3只鉆孔1，鉆孔1的孔徑約為56mm~90mm，孔內(nèi)注滿水，孔深超過擬檢測深 度不少于5m，將高密度電法測試電纜2(經(jīng)改裝的防水電纜和銅芯電極2-1)放入鉆孔，一端 至孔底，另一端露出鉆孔并與高密度電法主機(jī)4(如DUK-2高密度電法儀)相連接，采用四極 對稱溫納爾裝置模式(如圖1)，自動完成全孔段的高密度電法數(shù)據(jù)采集(如圖2)。
[0019] 現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)使用反演解釋軟件(如瑞典Res2dinV高密度電法反演解釋軟件） 進(jìn)行處理，得到高密度電法反演電阻率層析色譜圖（色譜圖以顏色表示電阻率的高低，如紅 色5表示高阻，藍(lán)色6表示低阻）。如圖3所示，色譜圖中間部位顯示的藍(lán)色區(qū)域即為低阻區(qū)， 分析為充填水或泥等低阻物體的巖溶。
[0020] 本實施例中，高密度電法測試電纜2的各電極通過電纜連接高密度電法采集系統(tǒng)， 采用四極等距對稱的溫納裝置采集方式，自動采集不同極距的電位差和供電電流。
[0021] 根據(jù)電法勘探原理，鉆孔內(nèi)全無限空間介質(zhì)的視電阻率p計算公式如下：
[0023] 式中：ps--視電阻率;V--測量電極間的電位差；I--供電回路的電流強(qiáng)度； K一一裝置系數(shù)，與供電和測量電極間距有關(guān)。
[0024]將各極距實測視電阻率與模型正演計算得到的理論值進(jìn)行比較，利用最小二乘法 構(gòu)造一個目標(biāo)函數(shù)：
[0026] 式中：Δ d-一實測視電阻率與模型計算理論值的殘差矢量；Am-一模型參數(shù)的 改正向量;A--偏導(dǎo)數(shù)矩陣。
[0027]通過不斷修正模型參數(shù)使目標(biāo)函數(shù)取得最小值，此時修正后的模型就是介質(zhì)的地 電參數(shù)，也就是電阻率層析圖。目前，基于最小二乘法理論的高密度電法反演擬合計算方法 較多，目前商用高密度電法反演解釋軟件已十分普及，其中瑞典Res2dinv高密度電法反演 解釋軟件就是其中之一。
[0028] 由反演解釋得到的鉆孔電阻率層析圖，依據(jù)空腔的高阻特性或巖溶的低阻特性， 可判斷鉆孔1周邊圍巖中是否存在巖溶或空洞，以及所在深度位置、形態(tài)和尺寸大小。判別 方法如下：
[0029] 在鉆孔1基巖段，若鉆孔電阻率圖像中有高阻或低阻區(qū)，則該圖形所在深度位置的 基巖中存在巖溶或空洞，高阻為空腔，低阻為水或泥充填;高阻或低阻區(qū)的邊緣與鉆孔的距 離即為巖溶或空洞與鉆孔的距離，高阻區(qū)或低阻區(qū)的大小基本等同于巖溶或空洞剖面尺 寸，但單只鉆孔檢測結(jié)果無法判定該巖溶或空洞在鉆孔周邊的方位位置，可利用三只及以 上鉆孔交會確定其位置。
[0030] 高密度電法測試電纜2的電極距和電纜長度根據(jù)鉆孔深度和探測半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)， 鉆孔周邊有效探測距離(探測半徑)與測試電纜長度有關(guān)，一般為電纜長度的1/6~1/10。該 測試電纜電極距按下式計算：
[0032] 式中：d-一電極距;D-一鉆孔深度;N-一測試電纜的電極數(shù)量，一般為60。
【主權(quán)項】
1. 一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法，其特征在于：在目的區(qū)域鉆孔 (1)，并注滿水，在鉆孔(1)內(nèi)放入高密度電法測試電纜(2)，該電纜為密封防水電纜、其上帶 有等距排列的銅芯電極(2-1);所述高密度電法測試電纜(2)-端伸入至鉆孔底部，另一端 露出鉆孔并與高密度電法主機(jī)(4)相連接，利用四極對稱溫納爾裝置模式，自動完成全孔段 的高密度電法數(shù)據(jù)采集； 將采集的數(shù)據(jù)利用反演解釋軟件進(jìn)行處理，形成鉆孔電阻率層析色譜圖，根據(jù)空腔的 高阻特性或巖溶的低阻特性，判斷鉆孔（1)周邊圍巖中一定范圍內(nèi)的巖溶或空洞發(fā)育，以及 所在深度位置、形態(tài)和尺寸大小。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法，其特征 在于:所述鉆孔(1)的孔徑為56mm~90mm，孔深超過擬檢測深度5m以上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法，其特 征在于:所述高密度電法測試電纜(2)的電極距為： N --1 式中：d-一電極距;D-一鉆孔深度;N一一測試電纜的電極數(shù)量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法，其特征 在于:采用若干個交會鉆設(shè)的鉆孔(1)來確定鉆孔周邊巖溶或空洞的位置。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用鉆孔高密度電法檢測孔周巖溶或空洞的方法。本發(fā)明的目的是有效規(guī)避地面高密度電法易受地表覆蓋層干擾和深部探測精度劣化的制約，準(zhǔn)確檢測鉆孔周邊不同深度的巖溶或空洞，有效解決鉆探法的“一孔之見”。本發(fā)明的技術(shù)方案是：在目的區(qū)域鉆孔，并注滿水，在鉆孔內(nèi)放入高密度電法測試電纜，該電纜為密封防水電纜、其上帶有等距排列的銅芯電極；所述高密度電法測試電纜一端伸入至鉆孔底部，另一端露出鉆孔并與高密度電法主機(jī)相連接，利用四極對稱溫納爾裝置模式，自動完成全孔段的高密度電法數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明適用于檢測鉆孔周圍存在的巖溶和地下空洞。<!-- 2 -->
【IPC分類】G01V3/00
【公開號】CN105607130
【申請?zhí)枴緾N201510563070
【發(fā)明人】黃世強(qiáng)
【申請人】浙江華東工程安全技術(shù)有限公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年9月8日