中关铁矿注浆工程新技术成果汇编

随着社会经济的快速发展，对各类矿产资源的需求不断扩大，深部矿山的开采逐渐得到重视，开采深度不断加大。近些年发展起来的矿山帷幕注浆技术，对地下水采取排、堵结合的方式，有效地解决了深部矿山涌水量大和保护水资源的问题，被广泛推广应用。

矿山帷幕注浆属于隐蔽工程，帷幕注浆效果直接影响到矿山开采、排水成本及其矿区地下水环境。帷幕注浆效果的传统检测方法是在注浆钻孔中进行的，此类方法对钻孔间帷幕注浆的连续性无法直接进行有效的评价，与此同时，常规的孔间物探方法又不适于检测深部帷幕的注浆效果，因此，针对矿山深部帷幕注浆效果的检测难题，需要研究一种适于检测钻孔间矿山深部帷幕注浆连续性的检测方法。

经向河北省国土资源厅申报，获得“深部注浆帷幕电阻率成像检测新技术研究”课题的立项。本课题紧密结合华勘院承担的中关矿山帷幕注浆工程施工，以对单排注浆孔帷幕检测为目标，根据国内外帷幕注浆检测现状及新兴超高密度电阻率成像技术的特点，课题研究采用超高密度电阻率成像技术来评价孔间深部帷幕注浆效果的检测方法。该研究的主要内容包括检测方法的选择、井间电阻率CT技术的引用、帷幕工程地质－地球物理模型、中关帷幕井间电阻率图像的解释等。该课题所得到的检测方法已在中关矿山帷幕注浆工程中发挥作用。

一、项目来源

针对矿山深部帷幕注浆检测现状和依托华勘院承担的河北省沙河市中关铁矿帷幕注浆工程施工实际，华勘院向河北省国土资源厅申报了“深部注浆帷幕电阻率成像检测新技术研究”课题，拟采用井间高密度电阻率成像检测技术，对深部矿山帷幕进行注浆效果检测研究，该项目已经由有关部门批准立项。受河北省国土资源厅委托，华勘院组织、实施了科研项目工作。

该项目研究依托于河北省沙河市中关铁矿帷幕注浆工程，中关铁矿是一个大型铁矿，矿体埋深在300～700m。为实现合理开采矿产资源，有效保护环境水资源，决定利用帷幕注浆治理中关铁矿地下水。为此，华勘院矿设计帷幕线3　397m，注浆孔为单排，设计注浆孔271个，孔间距12m，设计孔深300～800m，平均孔深541m，最深810m，最浅307m。这项大型注浆工程亟待一种评价深部帷幕注浆连续性效果的检测方法。

该课题研究所取得的检测方法技术可直接服务于华勘院帷幕注浆工程施工效果评价，为保障帷幕注浆工程质量起到积极作用。与此同时，中关矿山帷幕注浆工程的实施又为本课题研究提供了良好的试验平台。此外，自20世纪60年代以来，华勘院在相关地区进行了大量的水文及地质工作，为课题研究提供了丰富的相关水文、地质资料。

二、工作目的

深部注浆帷幕电阻率成像检测新技术研究的工作目的在于建立一套矿山深部注浆帷幕的井—井电阻率检测方法技术。旨在矿山单排注浆孔帷幕工程结束后，利用注浆孔实施深部电阻率成像，对帷幕注浆连续性效果进行检测，对帷幕注浆后地层透水率作出评价。矿山后期开采过程中，还可用井—井电阻率检测方法，对施工中可能遇到的较强透水带提前作出预报，为有关部门提供地下水治理的依据。主要工作任务如下。

（1）根据矿区地层岩石和水泥帷幕物性特征，针对单排注浆孔帷幕工程特点，建立中关帷幕的工程地质－地球物理模型，对帷幕工程地电模型进行数值分析和正、反演计算，研究帷幕工程井—井电阻率检测的数字模拟技术。

（2）在中关矿区帷幕工程进行井间高密度电阻率法实测，对所取得的反演成像电阻率资料进行分析解释，并对帷幕连续性进行评价。

（3）根据反演地层电阻率数值图像，建立与地层岩性、钻孔透水率、钻孔注浆量之间的关系，进行相关分析，对帷幕注浆效果进行综合评价。

一、工作区概况

中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸市53km，东距沙河市21km。地理坐标：东经114°01′，北纬36°55′。矿区距沙河—矿山村铁路的权村站6km，章村站9km，距邢—武公路4km，交通便利，见图3－1－1。

中关铁矿床为埋藏较深的隐伏矿体，赋存于闪长岩与奥陶系中统石灰岩接触带，南北长约2　000m，宽800m左右，矿床平均厚度38.0m，最大厚度193.06m，埋深300～700m，具有北浅南深及西浅东深的特征。矿体走向为北东10°～14°，倾向南东，倾角5°～15°，局部为30°～40°。矿区内已发现四个矿体，总储量9　345万t。

本区属大陆性季风气候区，四季变化显著。年降水量在430～700mm，多年平均降水量540mm，年最小降水量300mm。矿床顶板奥陶系中统灰岩厚度一般为330～450m，平均厚度352m，石灰岩裂隙岩溶发育，富水性强，为矿区主要含水层。由于矿区内石灰岩地下水系统为一半封闭的地质单元，由三个“口子”与区域石灰岩相连，1998年以前，区域地下水自西部、西南部向东及东北流入中关矿区，至矿区中部汇合，因受綦村岩体阻隔，其中一部分地下水沿綦村岩体西侧“廊道”向北流出矿区，另一部分经东北“口子”流出矿区，分别向邢台泉群运动。目前由于大量的人工排水，西南和西部的地下水都经中关矿区向东汇集于凤凰山降落漏斗区。地下水的水力坡度8‰～10‰。

图3－1－1　中关铁矿交通位置

由于矿床埋藏深，主要含水层奥陶系中统灰岩为其围岩和顶板，厚度大、分布广、富水性强，具有丰富的动、静储量，为实现合理开采矿产资源，有效保护环境水资源，决定利用帷幕注浆治理中关铁矿地下水，确保堵水率达到80%以上，帷幕形成后矿坑疏干量平水年最大不超过2.44万t／d，丰水年最大不超过3.00万t／d。

二、工作区地质概况

矿区为一大型隐伏型矽卡岩磁铁矿，矿床的顶板和围岩为奥陶系中统石灰岩，石灰岩的裂隙岩溶发育，是矿区主要含水层。矿区西部为太行隆起带，东接华北沉降带，区内主要发育有北北东及北东向断裂构造，且以北北东向断裂构造为主。褶皱构造规模较小，岩层产状与构造方向一致，倾向东南，倾角15°～30°。主要分布地层如下。

（1）第四系：黏土砾石层，该层砾石以石英砂岩为主，硬度较大，磨圆度较好，分选性差，砾径大者可达50cm，小者仅有几厘米。黏土以粉质黏土为主，充填在砾石中间，平均厚度40m。

（2）石炭—二叠系：岩性主要以砂、页岩为主，厚度变化较大，最大厚度70.0m，平均厚度24.2m。

（3）中奥陶系：岩性以石灰岩、结晶灰岩和大理岩为主，夹有泥质灰岩，厚度224.1～589.0m，平均厚度416.17m。

（4）燕山期闪长岩：闪长岩是本区的基底，块状，主要矿石成分有角闪石、正长石等。

矿区主要含水地层为中奥陶系石灰岩，石灰岩裂隙岩溶发育，平均裂隙率7‰，岩溶裂隙发育极不均一，最大的溶洞可达9.0m。

三、注浆概况

中关铁矿设计采矿用充填采矿法，为不破坏帷幕，帷幕线在采矿边界上外扩20～30m，在平面上形成环形全封闭的帷幕，帷幕线全长3　397m，设计帷幕防渗能力q≤2Lu，设计帷幕顶板为＋100m标高，设计帷幕厚度10m，设计浆液的扩散半径8m。帷幕注浆孔必须穿透中奥陶纪灰岩及矿体进入下部闪长岩中10m，平均孔深541.52m，最深810.6m，最浅307.3m，注浆孔为单排，孔间距12m。注浆孔271个，加密孔36个，检查孔34个，观测孔30个。

帷幕注浆工程注浆材料为P·O 42.5水泥，因为水泥浆液稳定性好、可注性强、结石程度高，是最好的注浆材料。粉煤灰与水泥混合浆液可作为吸浆量较大地段注浆，尾矿砂与水泥的混合浆液可用于注浆量较大的溶洞和裂隙。

注浆效果的检测是注浆技术中的一个重要环节，注浆属于隐蔽工程，对其质量控制一直是个难题，由于以往注浆检测技术不够完善，使注浆工程带有很大的盲目性和随意性，对受注地层的裂隙发育情况、浆液的扩散范围、受注地层空隙填塞的饱满程度、注浆后结石体的稳定性、注浆结石体的不透水性和耐久性方面的判断，主要是凭借注浆资料、压水试验资料、钻探资料和施工经验。这样就不能优选施工工艺参数，控制注浆质量，合理、经济、科学地指导注浆施工。对帷幕注浆效果检测，在进行施工过程中检测的同时，需要配合物探方法对注浆效果进行检测，采用点、线、面结合的综合检测方法，才能对注浆效果进行全面、准确的评价。

一、施工过程中的注浆效果检测

在帷幕注浆施工过程中有一些方法可对注浆效果进行即时检测。

（1）每个注浆段注浆结束后，根据扫孔时冲洗液的消耗量计算注浆段单位透水率，当q≤2Lu时，表明本段注浆效果良好，当q＞2Lu时，则表明需要重新对本段进行注浆。注浆孔完成最后一段注浆后，扫孔到井底进行全孔压水试验，全孔的单位透水率q≤2Lu，全孔注浆合格，否则查找漏浆位置后重新注浆，直至达到设计要求。

（2）利用检查孔的压水试验和岩芯编录检查帷幕注浆施工质量，检查指标为检查孔压水试验的单位透水率，检查孔应达到以下标准：①检查孔各压水试验段的单位透水率小于2Lu为合格；②各压水试验段合格率应为90%以上，不合格段的透水率值不超过设计规定值的150%，且不集中；③检查孔的岩芯采取率不应小于70%；④检查孔的岩芯中应能采取到水泥浆液结石；⑤经检查达不到设计要求的地段，及时研究补救措施。

（3）帷幕注浆堵水效果最直接的检查是在注浆施工结束后进行矿坑放水，配合一定数量的观测孔，根据矿坑放水量、放水时间研究地下水流场的变化情况，分析堵水效果。

二、施工过程中注浆效果检测存在的问题

在帷幕注浆施工过程中，虽然能有一些方法对注浆效果进行即时检测，但是由于各种方法自身的不足，不能对整体注浆效果进行全面的评价。

（1）矿山帷幕注浆工程属于隐蔽工程，在施工过程中对每个注浆段、注浆孔进行注浆效果检测，只能在点、线上进行，而在两注浆孔中间不能进行有效检测。

（2）帷幕注浆工程结束后在帷幕线上布置若干检查孔，能够对两钻孔中间进行部分检测，但是检查孔布置数量一般为注浆孔数量的10%，使得检测位置非常少，在帷幕线上采样率低，在检查孔以外地段不能进行有效检测。

（3）在帷幕注浆工程结束后进行矿坑放水，能够直接检测出帷幕注浆效果，但是需要配合若干观测孔，使得检测费用非常高，而且即使发现注浆堵水效果差，也不能确定具体的漏水位置，不能对加密孔的布置提供可靠的依据。

三、注浆效果物探检测方法选择的研究

（一）地面物探检测方法

地面物探方法（电法、地震波法）对于检测浅部（0～50m）注浆效果能够取得比较好的效果，对于深部帷幕注浆，随着深度的增加，地面物探探测精度降低，不能将注浆效果中存在的问题检测出来，因此深部帷幕注浆效果不能用地面物探方法检测，需要在钻孔中开展跨孔法井间物探检测。

（二）井间物探弹性波CT和电磁波CT检测方法

物探跨孔法是利用相邻两个或多个钻孔测定钻孔间地层的物性特征对地质体进行探测的勘探方法，也称为井间或井—井透视方法。CT成像技术是通过对被测物体施加直流电、电磁波及地震波激励，并检测其边界值的变化，利用特定数学手段逆推被测物体内部的电特性、弹性等参数分布，从而得到物体内部的分布情况的物理探测方法。井间物探最适于作井间透视的CT成像。

井间物探检测主要方法有弹性波CT检测和电磁波CT检测。最初，中关矿山帷幕注浆工程拟应用井间地震波CT检测，采用北京水电物探研究所生产的SWS工程勘探与检测系统和中科院电工研究所生产的电火花激发震源，在中关工地两钻孔（相隔30m）试验，虽经仪器厂家人员和相关专家共同努力，然而始终无法检测到有效的弹性波信号，试验失败，因此无法开展井间弹性波CT检测。此外，考虑到在裂隙发育富含水地层中电磁波衰减快，孔距稍大（超过30～50m）时不能开展井间电磁波CT检测。调研期间，还了解到费用昂贵的孔中地质雷达技术要求钻孔方位不宜铅垂，且高频电磁波衰减快，也不可能适用。因此只得另辟蹊径，选择井间电阻率CT方法到中关现场试验，初步试验成功后，又开展一系列有针对性的科学研究，确保了检测任务的完成。

（三）井间物探电阻率CT检测方法试验研究

1.井间电阻率CT检测方法的选择和试验过程

中关矿山帷幕注浆工程井间物探地震波CT检测试验失败后，葛为中教授建议采用井间电阻率CT新技术进行检测。

在20世纪90年代中期，我国就已开展井间电阻率CT成像理论的探索研究。2005年澳大利亚ZZ Resistivity Imaging研发中心留澳博士折京平等研制成功地面／地—井／井—井超高密度电阻率成像系统，属于世界上最快的电法采集系统。该研发中心聘请葛为中教授为顾问，开发电阻率成像法的应用研究。当时该系统尚未应用于帷幕注浆等工程的井间电阻率检测，葛为中教授根据实际情况制定井间电阻率成像检测试验方案，由折京平博士携仪器到中关矿试验成功。华勘院随即引进超高密度电阻率成像新技术，针对中关矿注浆工程作出井间电阻率检测设计，并组织开展井间电阻率CT检测应用研发工作。

通过中关铁矿帷幕注浆工程的井间超高密度电阻率成像试验工作，改进了系统的测试仪器装备和数据处理反演系统，扩大了该系统应用能力。

2.井间电阻率CT检测方法的试验成果

中关矿帷幕注浆混凝土帷幕的电阻率与裂隙发育含水灰岩的电阻率之间存在明显的高、低阻差异，孔中电缆电极借助地下水向孔外地层传输电流，形成地下点源电场，具备电阻率法检测的地球物理条件。

检测工程正式开展前，中关铁矿井间电阻率CT检测试验成果如下。

（1）注浆孔井间未形成帷幕的电阻率CT图像。图3－1－2为中关W6—W7井间试验资料，W6孔、W7孔在钻探过程中注浆，两钻孔间距60m，两孔之间未布设注浆孔。地下水位在－210m，其－200m以上灰岩不含水、－300m以下灰岩较致密，均呈高阻图像；－220～－290m灰岩裂隙发育，富含地下水，两孔之间未注浆，尚未形成帷幕，有大片低阻图像；W7号孔注浆较到位，有三段高阻图像。W6号孔注浆效果不够好，只见一段高阻图像。

（2）井间已注浆形成帷幕的电阻率CT图像。图3－1－3为中关W604—W701帷幕注浆后井间试验资料，两钻孔间距24m，两钻孔及中间孔已注浆成帷幕。－270m以上、－370m以下为泥质灰岩，中段裂隙发育含水灰岩，注浆后呈一片高阻，水泥帷幕连续性效果较好。

试验表明，井间电阻率CT能够检测深部帷幕注浆效果。

图3－1－2　中关W6—W7井间电阻率资料

图3－1－3　中关W604—W701井间电阻率资料

一、井间电阻率CT工作方法

根据地质和地球物理条件，选择采用井间超高密度电阻率成像法（井间电阻率CT）对注浆效果进行检测。

传统的高密度电阻率法主要应用在陆地表面，通过布置在地面的电极阵列，按某种装置排列，由单道仪器测量电压和电流取得几百至千余个视电阻率数据，进而反演解释地下电性分布情况，探测深度一般小于100m，在地下采空区、岩溶裂隙检测方面都取得过较好的效果。

超高密度电阻率成像法可用于地面、地井或井间，它改变了传统高密度电阻率法的观测供电和接收模式，从单道发展为多道（60道以上），电极装置模式任意多样（泛装置），快速观测电压和电流数据量达数万个，通过快速二维反演获得“真”电阻率层析成像图件。

井间电阻率成像法可随钻孔深入地下几百米或近千米深度，两个钻孔间的孔距应小于孔深的一半，越小越好，孔径只要几厘米，能下电缆即可。孔内测量段不能有金属（导电）套管或塑胶（绝缘）套管，但可以有含筛孔的塑胶套管。孔内要充水。井间电阻率成像法使直流电法勘探进入精细物探检测行列，是直流电法勘探的一种新应用。井间电阻率可检测井间帷幕注浆效果。

我们引用澳大利亚ZZ Resistivity Imaging研发中心研制的超高密度电阻率成像法，井间电阻率CT检测时，将两根带有电极系的电缆分别放到两个钻孔中，采用跨孔或同孔的方式进行供电和接收，检测过程中固定A、B、M点电极（图3－1－4），其余电极同步测量一系列的N电极电位数据；然后移动B电极再作如上观测；最后移动A电极，再作如上观测。测量过程中每一对电极都可以任意组合作为AB供电电极和MN接收电极。采集每一个A、B、M、N点位的电流I（AB）和电位差ΔU（MN）数据。

图3－1－4为数据采集示意图，每一组测试由两根电缆组成，每根电缆有32个电极，采集系统首先对电缆上的电极进行编号，电缆一中最底端电极为1号电极，由下往上为2号电极、3号电极……最顶部为32号电极；电缆二最顶端电极为33号电极，由上往下为34号电极、35号电极……最底部为64号电极。数据采集时，工作方式是奇数号A电极对偶数号B电极进行供电，第一次供电1号电极为A电极，2号电极为B电极，M电极（为其他62个电极随机选取，一般为数据最为稳定的电极）为3号电极，N电极为其余61个电极，一次供电可以得到61个数据，见图3－1－4（a）；然后移动B电极，1号电极为A电极，4号电极为B电极，7号电极为M电极（随机选取），其他61个电极为N电极，进行供电可以测得61个数据，见图3－1－4（b）；一直到1号电极为A电极，64号电极为B电极，进行供电测量，见图3－1－4（c）；然后3号电极为A电极，2号电极为B电极，进行供电测量，见图3－1－4（d）……依次循环，一直到63号电极做A电极，64号电极做B电极，进行供电测量，见图3－1－4（e），本次数据采集结束。图3－1－4（f）和图3－1－4 （g）为数据采集过程中两种电极供电状态。

超高密度电阻率法的数据采集过程全部自动化，程序自动将每个排列的64个电极分为A奇数组32个（1、3、5、…、61、63）和B偶数组32个（2、4、6、…、62、64）两组，在一次AB通电过程中同时测量其他电极相对于某一电极M的电位差，就可得到61个电位差（MN1、MN2、MN3……MN60、MN61）数据。而奇数组32个电极和偶数组32个电极互相配对（即全排列）做供电电极，即做一个排列就有32×32＝1　024次供断电过程，每次供电可同时采集61个电位差数据，所以总的数据量应为32×32×61＝62　464个。

普通电法勘探，供电电极AB供电一次，测量一次电极MN之间的电位差，然后计算出电阻率值，完成一次数据采集。井间高密度电阻率成像法采用多通道技术，只需要在AB上通一次电，就可以同时测量n（通道数）组MN间（M1N1，M2N2，M3N3，…，MnNn）电位差数据。这种采集方式大大提高了检测效率，采集数据是常规方法的几十倍，而采集时间只有常规方法的1／30，如此大量的数据能够更多地记录地质信息。

后期采用本方法技术配备的2.5维反演软件，进行大量的数据处理，获得比普通电法勘探更可靠、精确的电阻率CT图像。

二、仪器设备

井间电阻率仪器采用的是由澳大利亚ZZ Resistivity Imaging研发中心研制的FlashRES64－61通道、超高密度直流电法勘探系统，其主要技术参数如下。

●电极数：　　　　　　　　　64个

●电压通道数：　　　　　61

●输入阻抗：　　　　　　＞107MΩ

●测量精度：　　　　　　＜0.5%

●对50Hz工频干扰压制：　＞80dB

●直流电压输出分为三档：30V，90V，250V

●测量电流范围：　　　　＜3A

●工作温度：　　　　　　－20℃—＋50℃

●工作湿度：　　　　　　95%RH

●重量：　　　　　　　　4.5kg

●体积：　　　　　　　　350mm×300mm×150mm

与其配套的设备有：两根各有800m长带有32个电极的多芯电缆、两架手动电缆绞车、12V电瓶一个、笔记本电脑1台。

野外数据采集设备照片见图3－1－5。

三、《帷幕注浆井间电阻率成像检测方法指南》的编制

在中关矿帷幕注浆工程中，井间电阻率成像法随工程进展断续几年对注浆效果作跟踪检测。然而，目前尚无有关的矿山帷幕注浆物探检测规程和井间电阻率法规程。为了规范中关矿帷幕注浆检测工作流程，统一检测资料，保证检测质量，我们制定了“技术要求”来指导帷幕注浆工程井间电阻率成像法检测工作。

在该科研项目实施中，根据我们的研究内容和工程实例，对该方法的适用范围、工作目的、数据采集、解释方法、质量保障的技术要求加以提炼、充实，编制出《矿山深部帷幕注浆井间电阻率成像检测方法指南》，作为项目报告之附件。它分为总则、术语与符号、工作设计、仪器及设备、野外工作、内业工作、成果报告七部分（详见附件）。此方法指南有助于井间电阻率成像法的推广，可在帷幕注浆工程和其他类似工程中应用。

图3－1－5　野外采集数据设备照片

在编制过程中，首先做好术语的收集工作，术语收集的范围主要是：相关现行标准中已经肯定而且影响比较大的国内标准、样本、手册的相关术语，书籍刊物中较多出现而且比较成熟的近期发展的新技术、新产品所涉及的相关术语。在规定方法工艺时，给予了较大自由度，一般只规定工艺的重要特征。各项技术指标要求，凡能定量表示的，均规定其标称值或极限值，给标称值的同时给出允许偏差。其他方面不再赘述。

《矿山深部帷幕注浆井间电阻率成像检测方法指南》是该项目科研成果之一，由于这方面新技术的发展还不够成熟，使用还不够广泛，我们缺乏编制方法指南或规范的经验，因此，《方法指南》仅是草案，难免存在疏漏和不妥。现阶段有较大的通用参考价值，可指导帷幕注浆检测和井间电阻率法，有待改进、深化上升到方法规程。

一、帷幕工程地质－地球物理模型的物性基础

地球物理模型的物性基础在于地球物理参数，工区地层、岩石以及水泥帷幕的电性差异是开展井间电阻率检测的地球物理条件。

根据矿区地质及水文地质条件，工作区域地层以石灰岩地层为主（表3－1－1）。地下岩石的电阻率除了与此岩石的特性有关外，还与此岩石的含水量有很大的关系，特别是在石灰岩地区，由于地下水矿化度相对较高，一般来说岩石中的孔隙越大，含水量多，则这种岩石的电阻率就低，反之则电阻率就高。由于岩石的这种特性，所以在查找与水有关的地质构造时电法勘探的效果较好。一般认为完整灰岩和混凝土（水泥结石）有高电阻率特征，为注浆效果好或完整不透水地层；含水的裂隙发育区为低电阻异常体，为透水性较强而需要注浆地层：因此具备开展电阻率法的地球物理条件。

表3－1－1　中关铁矿主要地层岩性电阻率参数

为明确了解中关矿区各地层岩性电性特征，对主要矿区主要岩性400块标本进行电阻率标本测定，并结合相关电阻率测井和电阻率测深资料，统计整理出主要岩性电阻率参数表。

石灰岩、结晶灰岩、花斑状灰岩具有非常高的电阻率，电阻率值在10000～20000Ω·m；泥质灰岩、蚀变灰岩电阻率非常低，电阻率值在100～1　000Ω·m；地下水电阻率值在30～60Ω·m；水泥结石电阻率值在3　000～5　000Ω·m。各岩层间具有明显的电性差异，在裂隙发育的石灰岩中进行注浆，将裂隙中的充填水变为水泥结石，会使地层电阻率发生很大变化，因此采用电法勘探对注浆效果进行检测是可行的，具备地球物理勘探的前提条件。

为简化起见，在理论研究中，将水泥帷幕与其围岩（充水裂隙发育的石灰岩）的电阻率比值设为5～20倍。

在实测过程中，还根据检测电阻率分布、中关铁矿地层特点及其平均单位透水率、平均单位注浆量，把地层分为以下四种类型：弱透水性石灰岩地层，强透水性石灰岩地层，泥质灰岩、蚀变灰岩地层，石灰岩、泥质灰岩、蚀变灰岩互层和岩性变化较大地层。

二、井间电阻率检测帷幕工程地质－地球物理模型

根据地层岩石和水泥帷幕物性特征，针对单排注浆孔帷幕工程特点，建立工程地质－地球物理模型，将工程地质问题转化为物理数学问题，借助物理数学方法研究，通过地电模型地下点源场的解析解或数值解，分折地下深部帷幕工程井间电阻率检测问题。

地下帷幕井间电阻率检测分为垂直帷幕线检测和顺帷幕线检测两种方式：垂直帷幕线检测要在帷幕外两侧布置两个观测孔，井间检测方向与帷幕线垂直或相交；顺帷幕检测就选择注浆孔作为检测孔，两个检测孔均在帷幕线上，井间检测方向顺帷幕线，见图3－1－6。

1.直立帷幕层状介质地下点源场理论

典型的理想帷幕工程地质－地球物理模型，可简化建立为直立层状介质的地下点源场地电模型：中间是厚度有限的直立帷幕层，其两边外侧为厚度无限的围岩，则为直立三层状介质地电模型，见图3－1－6；若在两者之间还有注浆扩散过渡层，则为直立五层状介质地电模型，见图3－1－7。

2.直立层状介质地下点源场解析解

简化理想帷幕近区解析解模型及其电位，选用柱坐标系，将原点设在地下供电极A点，模型具有轴对称性，电位分布满足拉普拉斯方程：

div gradU＝▽2　U＝0

图3－1－6　垂直帷幕线检测和顺帷幕线检测示意

图3－1－7　含过渡扩散层时顺帷幕线检测示意

满足如下边界条件：电源点附近，趋于地下点电流源的正常电位；除场源点外，电位处处有限，且无穷远处电位为零；在岩层分界面处两个衔接条件——电位连续、电流密度法向分量连续（两个衔接条件方程式之比为转换函数T）。

用分离变量法求解，推导出电位的积分公式，再计算相应电位（葛为中，1990—1994年）。

适应上述两种检测方式，电位通解的积分公式为：

式中：J0（λr）为零阶贝塞尔公式；λ为积分变量；F（λ，z）为核函数，由已知各层介质的电阻率、厚度参数，通过一系列T函数递推公式求出。

电位积分的计算：①若供电极和测量极在同一层面，可采用线性滤波方法计算，适用于顺帷幕线检测方式的供电极、测量极在同孔和跨孔检测情况，也适用于垂幕检测方式的供电极、测量极在同孔检测情况；若供电极和测量极不在同一介质，如垂幕检测方式中供电极、测量极跨孔检测情况，可采用高斯－拉盖尔求积公式计算，而直立三层可用镜像法计算电位值。

3.顺幕检测旁侧影响及其改正

垂直帷幕线的井间检测方式需要配合大量观测孔，这种观测孔布置在帷幕外两侧。观测孔的施工费工、费时，导致检测费用非常高。

中关矿帷幕工程?用顺幕线的井间检测方式。在矿山帷幕线上单排注浆孔帷幕工程结束后，利用帷幕线上终孔的注浆孔作为检测孔，在帷幕线排列的注浆孔之间作顺幕方向的井间电阻率（四极泛装置）测量，经过反演计算成像。根据井间电阻率图像，结合地层地质资料，分析地层裂隙发育程度、断层、裂隙发育区的位置、深度，对两孔之间的帷幕注浆效果和帷幕连续性进行评价，为加密孔的布置提供依据。

顺幕线的井间检测方式能节省工时，减少大量钻探经费。

然而，我们在顺幕检测方式实测资料异常中发现，孔距较大情况下，顺幕检测井间电阻率图像中部会有较明显的低阻异常区，呈“哑铃状”异常形态。分析认为，井间电阻率顺幕检测结果会受到旁侧低阻围岩的影响。

如图3－1－7所示，高电阻率的直立水泥帷幕层厚度较小（10～12m），中等电阻率的水泥扩散层厚度也仅几米，如6m，而两侧围岩是低电阻率的富含水裂隙发育灰岩。帷幕线所在平面到围岩界面的距离10m左右（即为帷幕层半厚度加扩散层厚度）。顺幕检测井间电极系位于帷幕线所在平面上，同孔检测的极距（AM）变化范围6～186m（31×6m）；跨孔检测的极距（AM）变化范围为孔距（最小24m、最大96m）至200m。

当电极距超过帷幕线至围岩界面的距离后，开始受旁侧围岩低阻的影响，电极距越大，影响越明显。

借助前述数学物理解析理论，可以建立顺幕检测旁侧影响的工程地质－地球物理模型。

设帷幕层半厚度、扩散层厚度均为10m，其旁侧影响曲线见图3－1－8，围岩电阻率为帷幕电阻率的1／2、1／5、1／10、1／20，进而可得到顺幕检测旁侧影响的改正曲线，见图3－1－9。

顺幕检测旁侧影响及其改正曲线可用于对实测井间电阻率图像中旁侧影响的分析及其改正。

图3－1－10为中关矿帷幕工程顺幕线上K34—J4实测资料。两钻孔相距90m，这两孔及其两孔之间的8个孔已完成注浆。在两钻孔深部－240～－430m之间布设电极系（图中红点）供电或测量，实测电位数据反演得井间电阻率图像。按照电阻率情况把地层分成两段，第一段－270～－370m，地层为石灰岩、结晶灰岩；第二段－370～－430m，地层为结晶灰岩、泥质灰岩、蚀变灰岩。实测电阻率图像在井间中部出现较明显的低阻异常区，如－270～－370m呈“哑铃状”异常形态。可能误判为两孔之间第3～5个孔注浆效果不佳。

借助图3－1－9之系列3、系列4，考虑幕帷幕半厚度和半极距，对实测电阻率图像作顺幕检测旁侧影响的改正，得图3－1－11。改正后电阻率图像中部已没有明显的低阻异常区，说明两孔之间第3～5个孔注浆效果较好。

图3－1－8　顺幕检测的旁侧影响曲线

图3－1－9　顺幕检测的旁侧影响改正曲线

图3－1－10实测的井间电阻率图像

图3－1－11　旁侧影响改正后电阻率图像

实际上，第一段岩性较完整透水性差，平均透水率0.25Lu，地层电阻率4　000～7　000Ω·m，分布均匀。第二段未发现明显过水通道，注浆效果能够达到设计要求，透水性差，平均透水率0.41，地层电阻率500～1　000Ω·m，分布均匀，注浆效果能够达到设计要求。

经过这个实例的分析，我们认为实测电阻率图像在井间中部出现呈似“哑铃状”异常形态的低阻异常可能属旁侧影响，不必改正亦可分析判断。

直立层状介质正演计算可用解析解，而稍复杂模型的正、反演要用数值模拟。

三、帷幕工程二维理论模型的正、反演模拟

（一）二维点源场正、反演基本原理

采用数学模拟计算的方法，对模型进行正、反演计算，以了解在理想二维状态中地层反映电阻率的分布状态。首先根据矿区地层情况建立二维模型，对模型进行正演计算，计算公式如下。

式中：

根据正演所得到的数据，再进行反演计算，反演计算公式如下。

式中：Φd（m）＝‖Wd（d0－d（m））‖2；Φm（m）＝‖Wm（m－m0）‖2。

（二）帷幕工程二维理论模型的反演电阻率图像

通过反演计算可以得到模型反演地电断面，再和之前的二维模型进行对比，分析模型和反演图形之间的关系。

根据矿区地质地层情况，共做了20组二维模型进行分析，下面选取其中最具代表性的5组模型进行分析说明。其中模型两钻孔间距48m，探测深度120～306m。

1.水平低阻层状模型

图3－1－12为水平低阻层状模型，图3－1－12（a）为地电模型，中间低阻异常电阻率为100Ω· m，厚24m，上、下围岩电阻率为5　000Ω·m。图3－1－12（b）为模型反演断面图像，从图中可以很明显看出地质体中低阻异常的存在，其电阻率值小于1　000Ω·m，异常位置在－195～－220m，与模型异常位置基本一致。

2.水平高阻层状模型

图3－1－13为水平高阻层状模型，图3－1－13（a）为模型，中间低阻异常电阻率为5　000Ω·m，厚24m，上、下围岩电阻率为100Ω·m。图3－1－13（b）为模型反演地电断面，从图中可以很明显看出地质体中高阻异常的存在，其电阻率值800～1　200Ω·m，异常位置在－195～－220m，与模型异常位置基本一致。由于围岩电阻率非常低，使异常电阻率值绝对值相较于模型较低，但其相对于围岩仍较高，反映明显。

3.水平互层模型

图3－1－14为水平互层模型，图3－1－14（a）为模型，为高、低阻互层，每一层厚36m，其中低阻异常电阻率值100Ω·m，高阻异常电阻率值5　000Ω·m。图3－1－14（b）为模型反演地电断面，从图中可以很明显看出各高、低阻地层的分布规模、位置，并和模型各高低阻层一一对应。

图3－1－12　水平低阻层状模型

图3－1－13　水平高阻层状模型

图3－1－14　水平互层模型

4.垂直高阻模型

图3－1－15为垂直高阻模型，图3－1－15（a）为模型，中间垂直高阻异常电阻率为5　000Ω·m，厚度12m，左、右围岩电阻率为100Ω·m。图3－1－15（b）为模型反演地电断面，从图中可以很明显看出地质体中高阻异常的存在，其电阻率值在400～600Ω·m，异常位置40～50m，与模型异常位置基本一致。由于围岩电阻率非常低，使异常电阻率值绝对值相较于模型较低，但其相对于围岩仍较高，反映明显。

5.垂直低阻模型

图3－1－16为垂直低阻模型，图3－1－16（a）为模型，中间垂直低阻异常电阻率为100Ω·m，厚度36m，左、右围岩电阻率为5　000Ω·m。图3－1－16（b）为模型反演地电断面，从图中可以很明显看出地质体中低阻异常的存在，其电阻率值在200～1　000Ω·m，异常位置40～60m，与模型异常位置基本一致。由于围岩电阻率非常高，使异常电阻率值绝对值相较于模型较高，但其相对于围岩仍较低，反映明显。

通过以上二维模型分析：二维反演地层电阻率是各地层电阻率的相对值，能够基本分辨出地层的高、低阻分布状态，最佳孔间距36～72m，最小分辨率为电极距一半，二维模型的建立能够指导对帷幕注浆效果的解释。

图3－1－15　垂直高阻模型

四、帷幕工程井间电阻率法三维正演模拟

帷幕工程井间法属三维地球物理问题，但井间电阻率三维反演软件尚未研究成功，目前只能正演三维电场模型，分析异常特征。

（一）三维点源场基本原理

在三维稳定电流场中，若电流密度j，电场强度E，电位u和介质的电导率σ存在如下的关系。

井间电阻率检测的电源放置于地下井中，若在地下A（xA，yA，zA）点存在电流强度为I的点电源，电流密度为j，在空间作任意闭合面Γs，Ω是Γ所围的区域。如图3－1－17所示，根据高斯通量定律，流过闭合面Γ的电流总量可以表示如下：

图3－1－16　垂直低阻模型

图3－1－17　点源电场示意

根据高斯定理，式（3－2）中矢量的面积分可转换成矢量的散度积分，并根据狄拉克δ函数的积分性质，在直角坐标系中得到：

式（3－3）便是三维构造中点电源电场的电位所应满足的微分方程。(www.xing528.com)

（二）三维点源场有限单元法正演计算

1.边值和变分问题

点电源场除了满足式（3－3）外，还应满足以下条件。

式（3－4）和式（3－5）分别为总电位和异常电位满足的微分方程。其中，Γs为区域Ω的地面边界，Γ∞为区域Ω的地下边界，n为边界外法向方向，σ为介质电导率，u为总电位，ωA是A点对地下区域Ω张的立体角。V0是正常电位，V为异常电位，σ′＝σ－σ0为异常电导率。

与式（3－4）和式（3－5）等价的变分问题为：

2.插值

下面，以总电位法为例，电场计算推导如下：将方程（3－6）中对区域Ω和边界Γ∞的积分分解为对各四面体单元e和Γe的积分之和。设四面体单元e的四个角点编号为1、2、3、4，如图3－1－18所示，ui（i＝1，2，3，4）是单元中四个节点的电位值，则四面体单元e内任一点p（x，y，z）电位用这四个角点的电位进行线性插值近似得到：

式中：Ni是形函数，它是x，y，z的线性函数：

这里，V是四面体单元体积，Vi是插值点p（x，y，z）与四面体其他三个角点（j＝1，2，3，4，j≠i）所组成的四面体体积（图3－1－18），ai、bi、ci、di（i＝1，2，3，4）是与四面体单元顶点坐标有关的常数。下面以Vp234（V1）为例，推导各系数的显性表达式。

图3－1－18　四面体单元

3.单元分析

式（3－6）第一项单元积分

其中：　K1e＝（k1ij），k1ij＝k1ji；ue＝（ui）Τ，i，j＝1，2，3，4。

将式（3－8）、式（3－9）代入式（3－10），得出

式（3－6）第二项积分

只与电源点的uA有关。

4.边界积分

方程（3－6）的第三项是对Γ∞的边界积分，若单元e的一个面

落在无穷远边界上，由于无穷远边界离点源较远，可将看做常数，提至积分号之外，所以式（3－6）第三项的边界积分为

其中：

Δ为单元e在Γ∞上的三角面面积。

5.总体合成

将对式（3－6）各项单元积分后所得结果相加，再扩展成由全体节点组成的矩阵，进而全部单元相加，得：

其中：u是全部节点的u组成的列向量；Ke＝σ（K1e＋K2e）是Ke的扩展矩阵，K＝∑；

p＝（0…IA…0）Τ，p中只有与点源点（A）所在节点相对应的元为IA，其余均为零。

令式（3－16）的变分为0，得线性方程组：

解方程组，得到各节点的电位。

异常电位的计算过程与总电位计算相似，最后也归结为求解大型方程组得到异常电位，异常电位和正常电位相加得到总电位。

（三）井间三维模型正演视电阻率算例

1.模型一

模型一参照实测简化帷幕模型（图3－1－19），帷幕两侧有供电孔和观测孔，两孔的第一电极距地面102m，向下依次布设24个点极，电极间距6m，两孔距离48m。假定注浆完好，帷幕厚度为12m，两边扩散层厚度为2m；假定围岩单一，围岩电阻率100Ω·m，扩散层电阻率500Ω ·m，中心层电阻率为1　000Ω·m。具体测量是分别在供电孔多个点供电，在供电孔除供电点之外的所有点上观测，又在观测孔中的所有电极点观测，进而计算视电阻率。

图3－1－20为供电孔从上到下六个不同点供电，供电孔和观测孔测视电阻率曲线，图3－1－20（a）相当于单孔供电观测，图3－1－20（b）相当于井间透视观测。对于该模型，可以看到：

（1）单孔供电观测视电阻率受极距的影响大，当极距较小时，主要是靠井的低阻围岩影响，视电阻率值较低；当极距逐渐增大，视电阻率值也逐渐增大，这主要是受中间高阻层的影响增大了，且极距增大到一定程度，视电阻率值也趋于稳定值；单一供电点的观测视电阻率曲线近似于地面观测的单点测深曲线，可借鉴地面的方法进行解释。

（2）对于井间透视观测，由于对测的极距最小，受中间高阻层的影响也最小，所以视电阻率较低，越往外极距越大，受中间高阻层的影响也最大，所以视电阻率也逐渐增大，但从视电阻率曲线特征不易解释。

图3－1－19　井—井观测模型一示意

2.模型二

模型二参照实测模型简化（图3－1－21），井间距和电极布设与模型一相同，不同的是地电模型为一典型三维模型，整体上参照实际情况设置为层状模型，在层状模型基础上，有两个注浆段并假设注浆效果良好，为两个高阻隔墙。具体模型参数如表3－1－2。

表3－1－2　模型二参数一览

参照地面高密度电法成图方式，考虑到观测视电阻率受供电点位置附近电阻率影响较大，对图形作旋转，图3－1－22为供电孔和观测孔视电阻率断面图，图3－1－22（a）相当于单孔供电观测，图3－1－22（b）相当于井间透视观测。该模型计算结果表明：

（1）单孔供电观测的最小极距为6m，因此能观测到供电井旁测的信息；视电阻率断面图基本反映了各地层电性变化特征，基本示出了中间高阻隔墙。

（2）对于井间透视观测，由于最小极距为48m（两个井的间距），视电阻率的曲线特征大致与单孔供电观测时的情况类似，且受供电井旁测的影响小。

图3－1－20模型一井—井观测视电阻率曲线

图3－1－21　井—井观测模型二示意

图3－1－22　模型二井间观测视电阻率断面

为了进一步说明井间透视的观测结果，把点对点井间对测视电阻率绘制曲线（图3－1－23），可以清晰地看到，井间对测结果能很好地进行分层。因此，通过综合分析视电阻率断面图和井间对测视电阻率曲线结果，可基本判断注浆效果。

图3－1－23　模型二井间对测视电阻率曲线

（四）三维模拟的评价

通过以上三维正演模拟和模型算例分析可知，井间电法是探测帷幕工程注浆质量行之有效的方法，由于该方法在两个井中同时观测，保证了观测数据量，提高了分析解释的可靠性。

目前，井间电法探测三维反演技术尚不成熟，利用三维正演模拟，并借助于地面高密度成像思路，可以定性分层解释；利用点对点井间对测的视电阻率曲线也可分析解释。通过综合分析视电阻率断面图和井间对测视电阻率曲线结果可基本判断注浆效果。

井间电法探测三维反演软件是亟待研究的实用课题。

应该指出的是，运用技术手段判定帷幕工程注浆效果仍然是一项技术难题，井间电法探测作为一种间接探测解释技术，一方面没有太多的经验可借鉴，另一方面，三维解释技术、如何显示视电阻率断面图等方面都亟待完善。因此，应利用二维反演解释和三维定性分析技术，结合其他分析方法进行综合分析判断解释。

一、实测井间电阻率图像的分析

在中关铁矿帷幕注浆工程进行井间电阻率成像检测后，对实测资料进行检查、分析、反演，将反演结果用Surfer软件绘制成井间电阻率断面图像。

总共实测53对孔井间电阻率断面，从其中选取15组电阻率断面，基本能够覆盖整体帷幕线各个区段，下面结合钻孔编录资料、注浆资料和压水试验资料进行分析。

1.W902—K3

W902—K3两钻孔相距60m，按照电阻率分布情况，把地层分成三段进行分析。第一段－100～－150m，地层为石灰岩，岩芯较完整，裂隙微发育，地层平均透水率0.22Lu，地层电阻率5　000～8　000Ω·m，分布均匀，未发现存在较强过水通道，注浆效果能达到设计要求。第二段－150～－190m，地层为石灰岩和结晶灰岩，岩芯完整，地层平均透水率0.2Lu，地层电阻率1　500～2　000Ω·m，分布均匀，地层间未发现较强过水通道，注浆效果能达到设计要求。第三段－190～－220m，地层为泥质灰岩、蚀变灰岩，质地软，手可捏碎，地层平均透水率0.24，地层电阻率0～1　000Ω·m，为天然不透水地层，注浆效果能达到设计要求。

图3－1－24为W902—K3电阻率断面。

2.K34—J4

K34—J4两钻孔相距90m，按照电阻率分布情况把地层分成两段进行分析。第一段－270～－370m，地层为石灰岩、结晶灰岩，岩性较完整，透水性差，平均透水率0.25Lu，地层电阻率4　000～7　000Ω·m，分布均匀，未发现明显过水通道，注浆效果能够达到设计要求。第二段－370～－430m，地层为结晶灰岩、泥质灰岩、蚀变灰岩，透水性差，平均透水率0.41，地层电阻率500～1　000Ω·m，分布均匀，未发现明显过水通道，注浆效果能够达到设计要求。

图3－1－25为K34—J4电阻率断面。

3.K82—J19

K82—J19两钻孔相距42m，根据电阻率分布情况把地层分为三段进行分析。第一段－340～－380m，地层为结晶灰岩，靠近K82附近裂隙发育，透水性强，平均透水率0.39Lu，电阻率值在3　000～7　000Ω·m，K82钻孔附近电阻率值较低，推测在K82钻孔附近可能存在较强过水通道。第二段－380～－440m，地层为结晶灰岩，透水性较强，平均透水率0.39Lu，电阻率值在2　000～7　000Ω·m，靠近K82钻孔附近电阻率值较低，推测在K82钻孔附近存在较强过水通道。第三段－440～－520m，地层为结晶灰岩、泥质灰岩，透水性较强，平均透水率0.69Lu，电阻率值在1　000～9　000Ω·m，靠近K82钻孔附近地层电阻率较低，推测可能存在较强过水通道。地层电阻率值从J19向K82递减，并向K81方向延伸，建议在K81—K82间增加加密孔或检查孔，推测透水位置－340～－360m、－400～－420m、－460～－520m。

图3－1－24　W902—K3电阻率断面

图3－1－25　K34—J4电阻率断面

图3－1－26为K82—J19电阻率断面。

4.K94—K99

K94—K99两钻孔相距60m，根据电阻率分布情况把地层分为三段进行分析。第一段－360～－410m，地层为石灰岩，夹有薄层泥质灰岩、蚀变灰岩、白云质灰岩，透水率较强，平均透水率4.68Lu，地层电阻率值在1　000～8　000Ω·m，电阻率值变化较大，水平方向30～80m电阻率值较低，推测存在较强过水通道。第二段－410～－510m，地层为石灰岩、结晶灰岩，平均透水率0.56Lu，地层电阻率值5　000～11　000Ω·m，分布较为均匀，在垂直方向－480～－500m，水平方向30～50m处电阻率值较低，推测可能存在较强过水通道，K94钻孔－440～－470m处电阻率值较低是由地层原因引起。第三段－510～－560m，地层为泥质灰岩、蚀变灰岩、石灰岩互层，透水性较弱，平均透水率0.44Lu，电阻率值0～10000Ω·m，注浆效果满足设计要求。建议在K94—K99两钻孔间布置检查孔或加密孔。

图3－1－27为K94—K99电阻率断面。

图3－1－26　W902—K3电阻率断面

图3－1－27　K94—K99电阻率断面

5.K100—K105

K100—K105两钻孔相距60m，根据电阻率分布情况把地层分为三段进行分析。第一段－360～－410m，地层为石灰岩、蚀变灰岩，部分地层裂隙发育，泥质半充填，透水性较强，平均透水率1.5Lu，地层电阻率值1　000～3　000Ω·m，分布均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。第二段－410～－540m，地层为石灰岩，岩性完整，溶孔裂隙较发育，透水性较强，平均透水率1.78Lu，地层电阻率值5　000～13　000Ω·m，分布较为均匀，在水平方向20～50m，垂直方向－410～－450m处电阻率相对较低，推测可能存在较强过水通道，建议布置检查孔或加密孔。第三段－540～－580m，地层为泥质灰岩、蚀变灰岩、石灰岩，透水性较弱，平均透水率0.2Lu，地层电阻率值0～2　000Ω·m，分布均匀，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－28为K100—K105电阻率断面。

6.K104—K108

K104—K108两钻孔相距48m，根据电阻率分布情况把地层分为三段进行分析。第一段－360～－400m，地层为石灰岩，平均透水率0.68Lu，地层电阻率值2　000～5　000Ω·m，分布较为均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。第二段－400～－520m，地层为石灰岩、泥质灰岩、结晶灰岩，平均透水率0.39Lu，地层电阻率值5　000～9　000Ω·m，分布较为均匀连续，在水平方向30～50m，垂直方向－490～－510m处电阻率值较低，在2　500～4　000Ω·m，推测可能存在较强过水通道，建议布置检查孔或加密孔。第三段－520～－560m，地层为结晶灰岩、石灰岩、泥质灰岩，地层电阻率值7　000～11　000Ω·m，分布均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－29为K104—K108电阻率断面。

图3－1－28　K100—K105电阻率断面

图3－1－29　K104—K108电阻率断面

7.K130—K135

K130—K135两钻孔相距60m，根据电阻率分布把地层分成两段进行分析。第一段－420～－480m，地层为石灰岩、泥质灰岩，平均透水率0.34Lu，电阻率值在3　000～6　000Ω·m，分布较为连续均匀，未发现强透水带地层，注浆效果满足设计要求。第二段－480～－600m，地层为石灰岩，平均透水率0.48Lu，电阻率值在2　500～6　000Ω·m，分布较为均匀连续，未发现较强过水通道异常，注浆效果满足设计要求。

图3－1－30为K130—K135电阻率断面。

8.B3—B7

B3—B7两钻孔相距48m，根据电阻率分布情况把地层分为三段进行分析。第一段－400～－450m，地层为泥质灰岩、蚀变灰岩、石灰岩互层，透水性差，平均透水率0.17Lu，电阻率值0～1　000Ω·m，未发现存在强过水通道，注浆效果满足设计要求。第二段－450～－560m，地层为石灰岩，岩芯较完整，透水性较强，平均透水率0.58Lu，电阻率值在5　000～8　000Ω·m，分布均匀连续，未发现存在较强过水通道，注浆效果满足设计要求。第三段－560～－620m，地层为花斑状灰岩，岩芯较完整，透水性较强，平均透水率1.4Lu，电阻率值在1　500～3　000Ω·m，分布较为均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－31为B3—B7电阻率断面。

图3－1－30K130—K135电阻率断面

图3－1－31　B3—B7电阻率断面

9.K140—K147

K140—K147两钻孔相距84m，根据电阻率分布情况把地层分为三段进行分析。第一段－230～－300m，地层为石灰岩，透水性较强，平均透水率7.33Lu，地层电阻率值4　000～6　500Ω·m，分布较为均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。第二段－300～－350m，地层为石灰岩，平均透水率0.12Lu，电阻率值2　000～4　000Ω·m，分布连续均匀，未发现强过水通道异常，注浆效果满足设计要求。第三段－350～－420m，地层为泥质灰岩、蚀变灰岩、石灰岩互层，平均透水率0.31Lu，电阻率值在1　000～1　500Ω·m，分布均匀连续，未发现强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－32为K140—K147电阻率断面。

10.K147—K150

K147—K150两钻孔相距36m，根据电阻率分布情况把地层分为两段进行分析。第一段－160～－230m，地层为石灰岩，平均透水率0.23Lu，电阻率值500～2　000Ω·m，分布均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。第二段－230～－360m，地层为石灰岩，夹有薄层蚀变灰岩，平均透水率4.67Lu，电阻率值3　000～6　000Ω·m，分布均匀连续，未发现强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－33为K147—K150电阻率断面。

图3－1－32　K140—K147电阻率断面

11.K158—K164

K158—K164两钻孔相距72m，根据电阻率分布情况把地层分为两段进行分析。第一段－160～－190m，地层为碳质页岩和石灰岩，平均透水率0.47Lu，由于碳质页岩的存在，电阻率值偏低，电阻率值0～1　000Ω·m，分布连续，未发现较强过水通道。第二段－200～－340m，地层为石灰岩、花斑状灰岩、蚀变灰岩，平均透水率0.21Lu，电阻率值3　000～7　000Ω·m，分布基本连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－34为K158—K164电阻率断面。

图3－1－33　K147—K150电阻率断面

12.K166—K170

K166—K170两钻孔相距72m，根据电阻率分布情况把地层分为一段进行分析，－400～－580m，地层为石灰岩、大理岩，平均透水率0.17Lu，电阻率值5　000～15　000Ω·m，分布均匀连续，未发现较强过水通道，注浆效果满足设计要求。

图3－1－35为K166—K170电阻率断面。

图3－1－34　K158—K164电阻率断面

图3－1－35　K166—K170电阻率断面

13.K180—K186

K180—K186两钻孔相距72m，根据电阻率分布情况把地层分成两段进行分析。第一段－360～－460m，地层为大理岩、含矿矽卡岩，岩芯完整，透水性差，平均透水率0.34Lu，电阻率值在5　000～10000Ω·m，分布均匀连续，地层间未发现较强透水带异常，注浆效果能够达到设计要求。第二段－460～－520m，地层为大理岩、矽卡岩、泥质灰岩、蚀变灰岩，岩芯较破碎，局部透水性较强，平均透水率0.39Lu，地层电阻率500～1　500Ω·m，分布较为连续均匀，地层间未发现较强过水通道异常，注浆效果能够达到设计要求。

图3－1－36为K180—K186电阻率断面。

14.K226—J1

K226—J1两钻孔相距78m，按照电阻率分布情况把地层分为四段进行分析。第一段－120～－160m，地层为石灰岩和结晶灰岩地层，致密坚硬，岩芯较完整，有水蚀现象，裂隙溶孔发育，电阻率值9　000Ω·m，分布较为连续。第二段－160～－210m，地层为石灰岩和结晶灰岩地层，岩芯较完整，柱状为主，局部岩芯较破碎，有水蚀现象，裂隙较发育，局部有铁染现象，平均透水率0.22Lu，平均单位注浆量268.29kg／m，电阻率值2　000～4　000Ω·m，分布较为连续，两钻孔间未发现明显强透水带异常，注浆效果良好。第三段－210～－250m，地层主要为蚀变灰岩和泥质灰岩，岩芯较破碎，手可捏碎，多蜂窝状溶孔，连通性差，微风化，平均透水率0.09Lu，平均单位注浆量73.83kg／m，电阻率值小于1　000Ω·m，分布连续，两钻孔间未发现强透水性带，注浆效果良好。第四段－250～－360m，地层主要为石灰岩、结晶灰岩和大理岩，岩芯完整，致密坚硬，有水蚀现象，溶孔裂隙微发育，连通性差，透水性较差，平均透水率0.17Lu，平均单位注浆量30.19kg／m，Ⅰ序孔平均单位注浆量25.79kg／m，电阻率值5　000～10000Ω·m，地层分布连续，两钻孔间未发现强透水通道，注浆效果良好。

图3－1－37为K226—J1电阻率断面。

图3－1－36　K180—K186电阻率断面

图3－1－37　K226—J1电阻率断面

15.K230—W701

K230—W701两钻孔相距60m，根据电阻率分布把地层分为四段进行分析。第一段－125～－170m，地层以石灰岩、结晶灰岩为主，岩芯完整，局部岩芯破碎，本段为非注浆段，电阻率值6　000～10000Ω·m，可以表示为本次测试完整石灰岩电阻率背景值。第二段－170～－225m，地层以石灰岩、结晶灰岩为主，岩芯较完整，见水蚀现象，局部岩芯破碎，裂隙、溶孔发育，泥质充填，平均透水率0.55Lu，电阻率分布较为连续均匀，两钻孔之间没有发现较强过水通道和透水带，注浆效果能够达到设计要求。第三段－225～－260m，地层以蚀变灰岩、泥质灰岩为主，部分地层夹有石灰岩和结晶灰岩，蚀变灰岩岩芯较破碎，部分手可捏碎，泥质灰岩岩芯较完整，水蚀现象发育，多呈蜂窝状，钙质、泥质半充填，连通性差，裂隙溶孔微发育，平均透水率0.11Lu，电阻率值小于1　000Ω·m，分布连续，两钻孔之间没有发现较强过水通道和透水带，注浆效果能够达到设计要求。第四段－260～－300m，地层为石灰岩地层，岩芯较完整，致密坚硬，局部见水蚀现象，溶孔裂隙发育，方解石、泥质充填，透水性较差，平均透水率0.13Lu，电阻率值2　500～8　000Ω·m，由于K230钻孔最深电极位于－270m处，使靠近K230钻孔附近电阻率偏低，但仍能达到2　500Ω·m，可以近似看做电阻率分布较为连续，两钻孔之间没有发现大的过水通道和透水带，注浆效果能够达到设计要求。

图3－1－38为K230—W701电阻率断面。

图3－1－38　K230—W701电阻率断面

二、电法资料和地层水文工程类型的综合研究

根据检测电阻率分布和中关地层特点，把地层分为以下四种类型。

1.弱透水性石灰岩地层

这类地层主要包括石灰岩、结晶灰岩、大理岩、花斑状灰岩，地层岩芯完整，致密坚硬，裂隙微发育，连通性差，透水性弱，平均单位透水率小于0.5Lu，平均单位注浆量小于100kg／m，电阻率剖面图中电阻率值大于5　000Ω·m，为弱含水性地层和不透水性地层。

2.强透水性石灰岩地层

这类地层主要包括石灰岩、结晶灰岩、大理岩、花斑状灰岩，地层岩芯较完整，局部破碎，水蚀现象严重，溶孔裂隙发育，方解石、泥质半充填，透水性强，为注浆的主要地段。

注浆效果能够达到设计要求，地层间过水通道被水泥充填，其电阻率性质和弱透水性石灰岩地层类似，由于地层中存在不连通的含水裂隙等，电阻率值相对弱透水性石灰岩地层略低，电阻率剖面图中电阻率值大于3　000Ω·m，平均单位透水率小于0.5Lu，平均单位注浆量小于100kg／m。

如果电阻率剖面图中该种岩性电阻率值在1　000～3　000Ω·m，可以推断地层间仍然存在较强过水通道，需要布置检查孔或加密孔。平均单位透水率大于0.5Lu，平均单位注浆量大于100kg／m。

3.泥质灰岩、蚀变灰岩地层

泥质灰岩和蚀变灰岩地层岩芯较破碎，质软，手可捏碎，透水性差，电阻率剖面图中该地层电阻率值非常低，一般在0～1　000Ω·m，平均单位透水率小于0.2Lu，平均单位注浆量小于50kg／m。

4.石灰岩、泥质灰岩、蚀变灰岩互层和岩性变化较大地层

这类地层与强透水性石灰岩地层有相似的电性特征，容易混淆，要根据具体情况进行分析。这类地层一般为弱透水性地层，电阻率剖面图中电阻率值在2　000～5　000Ω·m，平均单位透水率小于0.2Lu，平均单位注浆量小于50kg／m。

三、物探检测结果的验证

根据井间电阻率CT检测断面图像的分析解释，推断出检测孔间仍然存在较强过水通道的地段，发现帷幕的隐患。建议再布置加密孔，先进行压水试验，再注浆加密帷幕，消除隐患。通过对加密孔进行压水试验和注浆资料分析，可以验证井间电阻率CT检测物探结果的正确性。

井间电阻率CT图像资料分析推断，存在较强过水通道、需要布置加密孔的地段有如下几处（表3－1－3～表3－1－6）：在K82—J19中间6m处布置加密孔M11；在K94—K99中间30m处布置加密孔M17；在K100—K105中间30m处布置加密孔M9；在K104—K108中间42m处布置加密孔T3。

通过对加密孔压水试验平均单位透水率和注浆量资料分析，验证物探结果。

1.K82—J19验证结果

根据分析结果，在K82—J19钻孔中间6m处布置了加密孔M11。推断解释中，推测透水位置－340～－360m、－400～－420m、－460～－520m。加密孔M11在－420～－520m平均单位透水率2.96Lu，平均单位注浆量1　544.52kg／m，平均单位透水率与平均单位注浆量均很大，与推测结果基本一致。

表3－1－3　加密孔M11压水试验与注浆结果

2.K94—K99验证结果

根据分析结果，在K94—K99钻孔中间30m处布置了加密孔M17。推断解释中，推测透水位置－360～－510m。加密孔M17在－330～－490m平均单位透水率1.67Lu，平均单位注浆量553.38kg／m，平均单位透水率和平均单位注浆量均很大，与推测结果一致。

表3－1－4　加密孔M17压水试验和注浆结果

3.K100—K105验证结果

根据分析结果，在K100—K105钻孔中间30m处布置了加密孔M9。推断解释中，推测透水位置－410～－450m。加密孔M9在－410～－460m平均单位透水率1.33Lu，平均单位注浆量324.67kg／m，平均单位透水率和平均单位注浆量均很大，与推测结果一致。

表3－1－5　加密孔M9压水试验和注浆结果

4.K104—K108验证结果

根据分析结果，在K104—K108钻孔中间42m处布置了加密孔T3。推断解释中，推测透水位置－490～－510m。加密孔T3在－486～－525m平均单位透水率2.37Lu，平均单位注浆量436.03kg／m，平均单位透水率和平均单位注浆量均很大，与推测结果一致。

表3－1－6　加密孔T3压水试验和注浆结果

通过检查孔的验证表明，采用井间高密度电阻率成像法对帷幕注浆效果进行检测，检测结果准确性相当高，能够满足帷幕注浆效果检测的要求。

（四）中关铁矿帷幕注浆效果综合评价

在中关铁矿帷幕注浆工程中，共进行了53组井间高密度电阻率成像检测，检测总跨距3　078m，占帷幕线总长3　397m的90.6%，其中推测存在较强过水通道钻孔8组，跨距418m，占检测总跨距的13.6%。

通过以上分析，中关铁矿帷幕注浆效果连续性较好，水平方向上检测合格率达到86.4%。根据物探检测结果，在透水性较强地段布置了加密孔和检查孔，使帷幕注浆效果能够达到100%，保障了帷幕的连续性。矿区主要强透水带位于帷幕线东北部，建议在该区域进行长期动态观测。

1.结论

（1）通过研究工作，建立帷幕井间电阻率检测工程地质－地球物理模型，研究井间点源电场分布规律，并进行了典型地电模型的正、反演模拟。理论上证明了采用井间电阻率成像法检测帷幕注浆效果能够取得较好的效果，能指导实测井间电阻率图像的分析解释。

（2）在中关铁矿帷幕注浆工程中，基于地层在注浆前后存在着明显的电阻率差异这一地球物理前提条件，采用井间电阻率成像法对帷幕注浆效果进行检测，是行之有效的。其解释成果具有实用价值，可以查明地层间过水通道的位置及其富水性，并对注浆效果作出连续性评价。通过物探检测结果，在仍然存在较强过水通道地段布置了加密孔和检查孔，保障了帷幕注浆效果和连续性。

（3）通过在中关矿区实地检测，采用井间阻率成像法检测深部帷幕注浆效果取得了较好的效果，并且能够建立井间电阻率与地层注浆量、透水率之间的关系，能够对帷幕注浆的连续性进行评价，可以在其他相关工程中推广应用。

（4）本科研项目结合大型工程检测任务，开展井间电阻率成像CT检测新技术的应用研发，既解决了工程难题，又扩大了物探技术应用领域。促使电阻率法跻身于精细物探检测行列，为这种传统物探方法的发展作出贡献。在井间电阻率方面，达到国内领先水平。

2.建议

（1）采用井间电阻率成像法在相关工程应用时，要根据当地的地层岩性情况进行岩性电阻率测试、正反演模拟研究，了解不同岩性地层电场分布规律和反演电阻率范围，以便于对实测资料进行可靠的解释。

（2）在后期矿山开采过程中，可能会对帷幕墙产生破坏，应用井间电阻率成像法可以在开矿过程中对帷幕墙发生破坏的地段进行检测，对可能会产生透水带的地段作出预报，保障矿山开采过程的安全。

（3）目前可以对井间电场进行2维和3维正演模拟，但是仅有2.5维反演软件，以后科研工作中要重点研究3维反演软件，才能更适应实际情况。

本项目主要参与人员基本情况见表3－1－7。

表3－1－7　项目主要参与人员

发生费用依据：

（1）国土资源部印发的《国土资源调查预算标准》财建【2007】52号。

（2）河北省印发的《河北省省级预算项目管理办法》。

（3）项目中没有规定的经费预算按实际发生费用计算。

目前项目研究发生费用见表3－1－8。

表3－1－8　项目发生费用