本發(fā)明涉及一種三維并行電法觀測系統(tǒng)及地質體的立體探查方法，尤其涉及一種基于多個鉆孔和地面同步布置的三維并行電法觀測系統(tǒng)及地質體探查方法。

背景技術：

地下隱伏地質體如溶洞、孤石等對各種工程項目具有較大的威脅，特別是一些小范圍的、地面測線無法布置的區(qū)域一般都會施工鉆孔進行勘查，如公路下方的巖溶空洞問題，常常會導致路面的塌陷，對人民的生命財產構成嚴重威脅；盾構過程中盾構機前方的孤石等給盾構機的掘進構成重大風險等，故如何查明這種小范圍的精細要求的地下隱伏地質體極其重要。

針對此類問題，目前的探查方法是地球物理方法和鉆探法，鉆探對于局部點位的地質情況揭露較為準確，但對于連續(xù)區(qū)域的地質情況難以揭露，具有“一孔之見”的局限性。鉆孔之外的隱患分布情況難以確定，通過鉆探能夠揭露到的地質隱患十分有限。

地球物理探查是根據(jù)地質體與周圍介質的物性差異如電阻率、極化率、介電常數(shù)、彈性波速度等，利用專用的儀器，通過天然場源或激發(fā)人工場源進行觀測?？色@取一塊區(qū)域的物性特征，突破鉆探“一孔之見”的局限性。所以利用地面的勘查鉆孔，進行鉆孔、地面物探，可獲得比鉆探更好的探測效果。但進行孔內地球物理探查也存在很多問題，有的方法雖然在理論上技術可行，但實際運用過程中并不適用。比如廣州地鐵在建設過程中受到孤石影響較大，先后選用了多達十幾種物探方法進行工程物探方法試驗和專題研究，結果表明：瞬變電磁、地面地質雷達、地震映像法都不能取得良好的探測效果，但鉆孔物探內的密度電法CT和地震波CT具有良好的探測效果，但探測范圍為二維剖面，三維探測技術尚未成熟，目前用于跨孔電法CT的觀測系統(tǒng)多為孔孔對穿，而忽略了地面布置電極與孔中電極之間的信號，從而丟失了孔地之間的地質信息，同時由于其數(shù)據(jù)采集方式為串行組合采集，采集效率低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決目前跨孔探測方法存在的不足，提出了一種三維并行電法觀測系統(tǒng)及地質體探查方法。本發(fā)明基于國家發(fā)明專利“分布式并行智能電極電位差信號采集方法”(發(fā)明專利號：ZL200410014020)的基礎上，通過在地面和鉆孔中同時布置電極構成三維觀測系統(tǒng)，加之并行電法數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢：當一個電極供電時，其他所有電極同時采集數(shù)據(jù)，這樣的采集數(shù)據(jù)量巨大。如果由于鉆孔內單條測線較短，可以在完成一組數(shù)據(jù)測試后，將鉆孔中的所有電極分幾次同時上提一定距離，再采集數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)覆蓋整個探測區(qū)域；再通過提取反演文件進行反演，獲取三維空間電性反演結果，以此達到三維空間地下隱伏地質體的探測效果。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種三維并行電法觀測系統(tǒng)，按照地面電極和孔中電極相結合的方式布置三維并行電法觀測系統(tǒng)：

孔中電極布置：每個鉆孔中布置一電極串，電極串由若干個固定間距的電極構成，其長度為L，將電極串送入相應鉆孔底部，并保證電極串中各電極之間的間距，保證鉆孔中電極在相應鉆孔內的位置；

地面電極組布置：在地面布置網格狀電極組，網格狀電極組中各電極之間的間距分別為a且網格范圍覆蓋孔中電極所在鉆孔的平面范圍；

將公共電極B放置在無窮遠處，而將公共比較電極N放置在任意位置；公共電極B、公共比較電極N、鉆孔內各電極串、地面電極組分別通過并行電法儀相連接，通過多孔與地面的同步電法觀測，查明隱伏地質異常。

作為上述方案的進一步改進，在孔中電極布置時，將電極串通過墜重物或捆綁在細桿上，送入鉆孔底部。

作為上述方案的進一步改進，在孔中電極布置時，若鉆孔中干燥無水，需在鉆孔中灌水，保證電極的接觸。

作為上述方案的進一步改進，電極串中各電極之間的間距為0.2m～1m；網格狀電極組中各電極之間的間距為1m～5m。

本發(fā)明還提供一種地質體探查方法，其包括以下步驟：

一、基于多個鉆孔和地面布置上述任意三維并行電法觀測系統(tǒng)；

二、利用電法測試系統(tǒng)采集三維并行電法觀測系統(tǒng)中一個電極供電時的供電電流和其他各電極測量得到的電壓數(shù)據(jù)體，該數(shù)據(jù)體內包含自然場、一次場和二次場的所有數(shù)據(jù)；

三、按步驟二的采集方法完成所有電極依次供電時其他各電極測量，直到完成整個探測區(qū)段的數(shù)據(jù)采集；

四、如果鉆孔深度H大于相應鉆孔中電極串的長度，則將所有鉆孔內的測線分幾次同時上提一定距離S，但S<L，保證兩條測線有一定的重疊區(qū)域，直至測線全部覆蓋探測區(qū)間，按步驟二、三完成數(shù)據(jù)采集；

五、將采集到的數(shù)據(jù)體解編后按照實際電極坐標進行處理，提取反演文件進行反演處理，最終獲取整個探測區(qū)段內的電性三維數(shù)據(jù)體；

六、將電性三維數(shù)據(jù)體進行相關處理成圖，并結合實際地質情況，進行相關地質解釋。

作為上述方案的進一步改進，在步驟二中，所述并行電法測試系統(tǒng)采用AM法采集數(shù)據(jù)：即其中一個電極在作為供電電極供電時，其他所有電極同步觀測電位數(shù)據(jù)；用兩種供電周期組合供電方式供電，即每個供電周期內包含兩個不同周期的脈沖直流電；在一個供電周期內獲取自然電場數(shù)據(jù)、一次場電壓數(shù)據(jù)和二次場電壓數(shù)據(jù)。

作為上述方案的進一步改進，在步驟三中，若鉆孔深度H較大，沿鉆孔探測距離較長時，由于鉆孔內單一測線長度的限制，先將電極從鉆孔最底部向上布置，在完成一個觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后，將所有鉆孔內的測線同時上提一定距離S，但S<L，保證兩條測線有一定的重疊區(qū)域，再采集完數(shù)據(jù)后再按照此步驟同時上提各鉆孔內的電極串，直至完成整個探測區(qū)段的數(shù)據(jù)采集。

作為上述方案的進一步改進，在布置三維并行電法觀測系統(tǒng)前，在施工地質勘查孔時，對已經完成的勘查孔進行相關處理，以最大程度的利用現(xiàn)場鉆孔，節(jié)約勘查成本。

進一步地，在施工地質勘查孔時，對已經完成的勘查孔進行加非金屬套管處理，套管選用篩管，若無篩管的情況下，將套管外按20cm的間距布置若干排小孔用以替代篩管。

作為上述方案的進一步改進，電法測試系統(tǒng)采用并行電法儀、或高密度電法儀。

本發(fā)明的有益效果如下：

1.本發(fā)明提出了在進行前期工程勘查時，對勘查孔進行防塌孔處理，合理利用工程勘查孔，節(jié)約了成本；

2.本發(fā)明中由于并行電法獨特的數(shù)據(jù)采集方式，突破了傳統(tǒng)高密度電法儀單個電極或兩個電極供電時，兩個電極接收的限制，其為單點供電，所有電極全部采集電位信息，采集數(shù)據(jù)量巨大，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集效率高；

3.由于并行電法儀的可擴展性，本發(fā)明可同時對多孔進行三維跨孔電法CT探測，并結合地面網格狀布置電極，形成地面和孔中的全三維觀測系統(tǒng)，覆蓋范圍更大，所獲數(shù)據(jù)量巨大；

4.獲取參數(shù)多：每個供電周期內可以獲取自然場、一次場、二次場的電位數(shù)據(jù)，同時通過每個供電周期供電時間長短可以獲取不同頻率的一次場電位響應，獲取探測區(qū)域的極化率參數(shù)，在特殊項目中可進行相關參數(shù)提取分析；

5.全三維空間電阻率反演，結果更加直觀，同時還可通過軟件提取三維數(shù)據(jù)體中任意兩個鉆孔之間的剖面。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三維并行電法觀測系統(tǒng)的平面布置示意圖；

圖2是圖1中三維并行電法觀測系統(tǒng)的立體結構示意圖；

圖3是圖2中發(fā)射電極與接收電極關系示意圖；

圖4是利用本發(fā)明一種三維并行電法觀測系統(tǒng)及地質體探查方法的現(xiàn)場探測示意圖；

圖5是實際現(xiàn)場探測三維立體結果圖；

圖中：1-鉆孔中電極；2-地面電極；3-鉆孔；4-供電電極。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的一種地質體探查方法主要包括以下步驟。

一、在施工地質勘查孔時，對已經完成的勘查孔進行相關處理，以最大程度的利用現(xiàn)場鉆孔，節(jié)約勘查成本。

當然這步的工作可以省略，直接進入第二個步驟。在施工地質勘查孔時，對已經完成的勘查孔進行加非金屬套管(如PVC套管)處理，套管選用篩管，若無篩管的情況下，將套管外按20cm的間距布置若干排小孔用以替代篩管。

二、基于多個鉆孔和地面布置三維并行電法觀測系統(tǒng)。

采用基于多個鉆孔和地面布置的三維并行電法觀測系統(tǒng)：按照地面電極和孔中電極相結合的方式布置三維并行電法觀測系統(tǒng)，具體如下。

(1)孔中電極布置：每個鉆孔中布置一電極串，電極串由若干個固定間距的電極構成，其長度為L，將電法電極串送入相應鉆孔底部，并保證電極串中各電極之間的間距，保證鉆孔中電極在相應鉆孔內的位置；

(2)地面電極組布置：在地面布置網格狀電極組，網格狀電極組中各電極之間的間距分別為a且網格范圍覆蓋孔中電極所在鉆孔的平面范圍。

(3)將公共電極B放置在無窮遠處，而將公共比較電極N放置在任意位置；公共電極B、公共比較電極N、鉆孔中各電極串、地面電極組分別通過并行電法儀相連接，通過多孔與地面的同步電法觀測，查明隱伏地質異常。

本發(fā)明的關鍵點：通過地面和鉆孔同時布置電極陣列，形成地面和孔中的全三維觀測系統(tǒng)，覆蓋范圍更大，所獲數(shù)據(jù)量巨大。獲取參數(shù)多：每個供電周期內可以獲取自然場、一次場、二次場的電位數(shù)據(jù)，同時通過供電時間長短可以獲取不同頻率的一次場電位響應，獲取探測區(qū)域的極化率參數(shù)，在特殊項目中可提取使用。

其中，在孔中電極布置中，可將電極串通過墜重物或捆綁在細桿上，送入鉆孔底部。若鉆孔中干燥無水，需在鉆孔中灌水，保證電極的接觸。電極串中各電極之間的間距為0.2m～1m；網格狀電極組中各電極之間的間距為1m～5m。

三、利用并行電法儀采集三維并行電法觀測系統(tǒng)中各個電極供電時的供電電流和其他電極采集到的電壓數(shù)據(jù)。

所述測試系統(tǒng)采用AM法采集數(shù)據(jù)：采用其中一個電極作為供電電極供電時，其他所有電極同步觀測電位數(shù)據(jù)；即其中一個電極作為供電電極，其在供電時，其他所有電極同步觀測電位數(shù)據(jù)；用兩種供電周期組合供電方式供電，即每個供電周期內包含兩個不同周期的脈沖直流電；在一個供電周期內可以獲取自然電場數(shù)據(jù)、一次場電壓數(shù)據(jù)和二次場電壓數(shù)據(jù)，可提取自然電位、電阻率、極化率等電性參數(shù)。

四、完成整個探測區(qū)段的數(shù)據(jù)采集。

若鉆孔深度H較大，沿鉆孔探測距離較長時，由于鉆孔內單一測線長度的限制，先將電極從鉆孔最底部布置，在完成一個觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后，將所有鉆孔內的測線全部上提一定距離S，但S<L，保證兩條測線有一定的重疊區(qū)域，再采集完一組數(shù)后再按照此步驟上提各鉆孔內的電極串，直至完成整個探測區(qū)段的數(shù)據(jù)采集。

五、將采集到的數(shù)據(jù)解編后按照實際電極坐標進行處理，提取反演文件進行反演處理，最終獲取整個探測區(qū)段內的三維電性數(shù)據(jù)體。

六、將三維數(shù)據(jù)體進行相關處理成圖，并結合實際地質情況，進行相關地質解釋。步驟六也可以省略。電法測試系統(tǒng)可采用并行電法儀、或高密度電法儀。

為了更清楚的介紹本發(fā)明，在本實施例中，以四個鉆孔為例，四個鉆孔深度都為16m，鉆孔直徑為90mm，鉆孔間距20m，對本發(fā)明進行解釋。

一、在施工地質勘查孔時，對已經完成的勘查孔進行加套管處理，套管選用PVC篩管，篩管直徑75mm，若無PVC篩管的情況下，用手電鉆將PVC管外按20cm的間距布置5排小孔用以替代篩管，目的是保證PVC管內外電場的連通。

二、按照地面電極和孔中電極相結合的方式布置三維并行電法觀測系統(tǒng)，請結合圖1及圖2，具體為：

孔中電極1布置：每個鉆孔3中電極串共16個電極1，電極1間距40cm，則每條電極串長度為6m；將電極串通過墜重物或捆綁在細桿上，送入鉆孔3底部；

地面電極2布置：在地面布置網格狀電極組，電極2間距4m，范圍覆蓋電極1所在鉆孔3的平面范圍。

三、觀測系統(tǒng)布置好后，若鉆孔3內無水，則需向鉆孔3內灌水，至淹沒最上部電極1位置后連接測試系統(tǒng)，對測試系統(tǒng)進行參數(shù)設置。請結合圖3及圖4，采用AM法采集數(shù)據(jù)，用0.1s和1s兩種供電周期組合供電方式供電，即每個電極1的每個供電周期內包含兩個不同周期0.1s和1s的脈沖直流電。采用其中一個電極1為供電電極4供電時，所有電極1同步觀測電位數(shù)據(jù)，獲取測區(qū)電性情況。

步驟三中，具體為每個鉆孔3布置16個電極，地面布置36個電極。設第一個鉆孔3中的電極分別為A1、A2……A16，第二個鉆孔中電極分別為B1、B2……B16，第三個鉆孔中電極分別為C1、C2……C16，第四個鉆孔中電極分別為D1、D2……D16，地面電極為1、2、……36，形成電極陣列。在進行AM測量時，電極的發(fā)射和接收分別為：A1供電，A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16，1～36同時接收電位數(shù)據(jù)，A2供電，A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16，1～36同時接收電位數(shù)據(jù)，直至A16供電，A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16，1～36同時接收電位數(shù)據(jù)；以此方式類推，直至四個鉆孔內的每個電極依次供電；地面電極1#供電時，1～36、A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16同時采集數(shù)據(jù)，2#供電時，1～36、A1～A16、B1～B16、C1～C16、D1～D16同時采集數(shù)據(jù)，直至36#電極供電，1～36，A1～A16，B1～B16、C1～C16、D1～D16同時采集數(shù)據(jù)。至此，完成一個觀測系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的采集工作。

四、由于每條電極串長度遠遠小于鉆孔3深度，先將電極1從鉆孔3最底部布置，在完成一個觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后，將所有鉆孔3內的測線全部上提5m，與上條測線重疊1m，再采集一組數(shù)據(jù)；采集完數(shù)據(jù)后再將鉆孔內所有電極3同時上提5m，與上次觀測系統(tǒng)又重疊1m后，采集數(shù)據(jù)，至此完成整個探測區(qū)段的數(shù)據(jù)采集。

五、將采集到的數(shù)據(jù)按照實際電極坐標進行處理，提取反演文件進行反演處理，最終獲取整個測區(qū)范圍內的三維數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)體內包括自然電位、電阻率、極化率等參數(shù)。

六、將三維數(shù)據(jù)體進行相關處理成圖，并結合實際地質情況，進行相關地質解釋，如圖4中陰影區(qū)域為異常區(qū)域。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。