贵州山区大功率电法勘探中改善接地电阻的方法技术

《贵州山区大功率电法勘探中改善接地电阻的方法技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《贵州山区大功率电法勘探中改善接地电阻的方法技术（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、贵州山区大功率电法勘探中改善接地电阻的方法技术张应文;何建华;代迪;彭洪军;马强;代璨怡【摘 要】在贵州裸露的基岩山区,大部分岩石电阻率都很高,开展大功率电法工作最 大的困难是无法将电极打入岩石,电极接地十分困难或根本无法布置电极.为有效改 善接地条件,实现大功率电法勘探,在总结传统的改善接地电阻方法的基础之上,总结 出裸露基岩地区改善电阻接地条件的方法技术,即积水淹没片状电极法.使用该法工 作时,在供电点建造封闭的储水空间,存储一定高度的水,将金属片状电极淹没于积水 中.该方法具有接地面积大、接触条件好、接地电阻值稳定的特点,经在实际工作中 多次应用,接地电阻改善明显,实现了大功率供电勘探,

2、野外数据质量大幅度提高,取得 了很好的应用效果.期刊名称】物探与化探年(卷),期】2013(037)003【总页数】4页(P517-520) 【关键词】 积水淹没片状电极法;大功率电法勘探;接地电阻;金属电极;裸露基岩【作 者】 张应文;何建华;代迪;彭洪军;马强;代璨怡【作者单位】 贵州省地质矿产局102地质大队,贵州遵义563003;贵州省地质矿产局102地质大队,贵州遵义563003;贵州省地质矿产局102地质大队,贵州遵义563003;贵州省地质矿产局102地质大队,贵州遵义563003;贵州省地质矿产局102地质大队,贵州遵义563003;贵州省地质矿产局102地质大队,贵州遵义56

3、3003【正文语种】中文【中图分类】P631笔者在多年的电法勘探野外工作中常遇到供电电极接地困难的问题，采用传统的诸 如增大电极半径、增大棒状电极入土深度、组合电极、埋设铝箔、选择低阻的潮湿 地带、电极周围浇水等方法对改善接地电阻有一定效果，电流通常在1 000 mA 以下，发射功率通常不足1 kW，多年经验证明，上述方法改善接地效果有限，对 大幅度提高电流效果不佳，无法实现大功率勘探。为解决这个问题，针对贵州山区 大面积裸露基岩，总结传统改善接地电阻之经验，采用“积水淹没片状电极法”改 善接地电阻取得成功应用经验，最大发射功率已达 6 kVA 以上（还有改善空间）， 实现了大功率供电勘探。该

4、方法技术的采用不仅实现了大功率勘探，改善了野外数 据质量，而且也为加深勘探深度拓展了空间。贵州山区地表大部分为裸露基岩，从电性角度总结区域内地层，大致可归纳为四类。 一是黏土类，主要由基岩风化物、坡积物、残积物、腐植土、大小不等的风化岩石 碎块混合组成，在山脊、斜坡地表主要以腐植土和风化岩石碎块混合物分布，部分 黏土沉积于风化裂隙中，土层极薄（通常小于10 cm），在缓坡、平地、沟谷相 对厚一些，厚度从几十厘米至数米不等，主要以耕地形式表现，分布比例小，总体 是土层极薄，电阻率受晴雨影响大，几十至几百Qm。二是沉积岩类，此类岩石 分布最广，占区域面积的80%左右，主要以石灰岩、白云岩、泥岩、砂

5、岩等岩石 组成，以裸露形式或上覆极薄层混合黏土层分布，其中石灰岩、白云岩电阻率很高 且变化范围大，几百至几万Qm;泥岩、砂岩电阻率较低，几十至几百Qm。三 是变质岩类，主要以板岩、千牧岩等岩石组成，以裸露形式或上覆极薄层混合黏土 层分布，电阻率高，1 500 -10 OOOQm。四是除上述岩类的其他综合岩类，以岩 浆岩、河床冲积物等组成，分布少，电阻率变化大，几百至几万Qm。在贵州山区开展大功率电法工作最大的难题就是供电电极接地电阻太大。从上述对 岩类的归纳看出，一是大部分岩石为高电阻率，以裸露形式分布居多，造成电极接 地十分困难或根本无法采用传统方法将电极打入基岩，二是部分工作区域虽有黏土，

6、 但土层极薄，表面大多为极薄腐植土，腐植土之下多为基岩风化裂隙中充埴黏土等 杂物，电极打入点很难找到风化裂隙，多数电极在穿过表层腐植土后即碰到石头而 无法再进入，导致单根电极接地电阻极大。实践经验证明，即便是采用普遍认为效 果较好的、最常用的增加电极数量的组合电极法，也难以实现其期待目的，该方法 除布置工作量很大，特别在山区布置更加困难外，还受理论和客观条件的制约，电 极数量不可能无限增加。客观条件的现实性和手段的局限性已经说明，传统的改善 接地电阻方法已无法满足当前大功率勘探需求。因此改善接地电阻需要寻找新的途 径。2.1 方法技术 积水淹没片状电极法，顾名思义，是以金属片为接地电极并将其水

7、平淹没于人工构 筑的或天然积水域中，降低接地电阻的方法（图 1）。具体做法是：首先在供电点选择或平整出一块平地，用黏土在平地四周构筑封闭的 黏土墙并夯实，黏土墙内平地底部平铺薄层黏土并夯实，构成积水区域（黏土墙以 外也可以根据需要平铺一层黏土）；对底部平铺的黏土层、黏土墙作防快渗漏处理， 使水处于微渗漏状态；在积水区域里面盛入一定高度的水，投入适量的盐；最后， 将金属片状电极全部淹没在积水中，工作过程中保持积水对片状电极的淹没。2.2 接地电阻的计算方法 首先建立接地电阻计算模型。为简便电阻计算方法，设定金属片状电极是半径为 r0的圆形，电极水平直接接触于平铺黏土层，平铺黏土层之下是电阻率为p

8、的均 匀水平无限大地。根据上述方法技术，可将接地电阻分为三部分，第一部分由盐水 导电液电阻、金属片状电极电阻、黏土层电阻构成，记为R0 ；第二部分由以r0为 半径的半球体电阻构成，记为Rm ;第三部分由以r0为半径的半球体以外的电阻 构成，记为RM。因金属片状电极、盐水导电液、底部薄层黏土电阻率相对于基岩 非常低，导电面积又大，导电长度（L ）趋于零，电阻在此可忽略不计。因此，接 地电阻R由Rm 和 RM两部分构成，以此作为研究对象。计算模型见图2。 对于以r0为半径的半球体电阻，根据二重积分求曲顶圆柱体体积的定义公式、电 阻计算公式以及并联电阻求和公式，可以得出半球体的电阻计算公从计算结果看

9、出，接地电阻由两个部分组成，一部分是以r0为半径的相对极小的 球体导电体，电阻占一半，因此接地点附近的接地电阻占据了主导地位;另一部分 是以r0为半径的球体以外的相对极大的导电体，电阻占一半。从计算结果还可以 看出，在P不变的条件下，接地电阻R与rO成反比，即增加r0可以减小接地电 阻。2.3 电极的材料选择与野外布置常见的金属导电材料有铜、铝、铁。理论上铜、铝优于铁，但由于其电阻率与岩矿 石的电阻率相比非常之低（可以忽略不计，即视电阻率为0），因此选用铜、铝作 导电材料在减小电阻方面实际意义太小，而从经济方面讲，铜、铝的单价是铁的数 倍，因此选择铁作导电材料比较实用、经济。实际工作中如果是用

10、于中间梯度、无 穷远极的长时间供电，建议选择厚度为0.10.3 mm的镀锌铁皮，如果是测深之 类的短时供电，则可以选择厚度为0.01 mm左右的锡箔纸或铝箔纸。野外电极布置常见的有中间梯度AB供电极和其他方法中的无穷远极C极，电极尽 量不要布置在山脊、陡坡及有障碍和工作极为不便的地方，供电点原则上在允许移 动范围内选择条件最好的平缓、沟谷和便于施工地段。通常C极因其供电点具有 相当大的灵活性，选择比较容易，而对于AB供电点因受误差要求约束存在一定难 度，如果设计的供电点位置不适合布极，可以在允许误差范围内移动，实在无法在 允许范围内找到平缓、沟谷地段，可沿地形水平线布置供电点。野外电极布置首先

11、选定供电点位置，其次根据供电要求估算整个供电线路最低电阻， 根据最低电阻推算出单个电极电阻值，再根据单个电极电阻及实地电阻率估算出电 极半径r0或矩形边长l，然后确定使用的电极形状。从电阻计算公式可以看出，电 阻大小与电阻率p成正比，与电极半径r0或矩形边l成反比，因此野外实际工作 中，金属片状电极无需做成圆形，做成矩形就可以了（边长为2r0的矩形面积大 于半径为rO的圆面积），一般根据实地条件将电极布置成单个矩形或多个矩形的 组合。最后布置电极，布置时清理干净地面杂草、石子、浮土等不良导电杂物直到 露出基岩或原生土新鲜面，如果无法清理至原生土，须对堆积土进行夯实，用黏土 在布置范围外侧堆砝起

12、高度大于20 cm的黏土墙并夯实土，在底部铺垫一层黏土 并夯实，在黏土墙及底部黏土层表面喷洒适量的水，人工方法来回搓动使夯实的黏 土表面层在泥浆的充填下更加致密，其目的是作防快渗漏处理，使水处于微渗漏状 态，然后注入高度大约15 cm的水并向水中投入适量食盐或其他有利于导电的、 对环境无污染的盐类以降低水的电阻率，最后将金属片状电极全部淹没在积水中， 供电过程中因渗透、电解等原因水会减少，在停电状态下补充加水，水位保持在电 极不露出水面。积水淹没片状电极法经贵州省地矿局102地质大队物探人员在贵州省从江县近年 的那哥、平忙等矿区电法勘探中多次应用于激电中间梯度AB电极、井中激电C电 极供电，布

13、置电极均取得成功，接地电阻改善很好，单组电极接地电阻通常改善到 80 330Q不等，在激电中间梯度AB距离为3 000-4 000 m的条件下，供电电 流大于3 600 mA，最高达4 800 mA以上，与该区之前的供电电流不大于1 000 mA相比，接地条件得到明显改善。随接地条件的改善，实现了大功率激电在贵州 省基岩裸露区域的应用，观测信号大幅增强，解决了过去观测信号弱、数据质量差 的问题。积水淹没片状电极法在上述矿区的应用中，采用2 mx2 m,厚度为0.1 mm的矩 形镀锌铁皮作电极，接地点附近实测基岩电阻率为1 500 10 000Qm,根据前 文所得的电阻计算公式计算出最小值为47

14、8Q,计算结果接近但大于近年来的多次 测试统计值（80 330Q）,说明理论计算与实际应用测试具有一致性。积水淹没片状电极法在野外进行过对比实验，对比方法是在同一地点（有土，棒状 电极能打入）先后布置两组电极，在同一电压值、同一测试方法、同一测试仪器下 进行。一组为2 mx2 m,厚度为0.1 mm的矩形镀锌铁皮的片状电极，按上述方 法淹没于积水中，接地电阻平均值为80Q,另一组是由棒状电极组成的组合电极， 电极直径1.4 cm，电极平均入土深度50 cm，电极间距离为平均入土深度的2 3 倍。从20根电极开始测试，当电极数量增加到55根时，接地电阻平均值为80Q 左右。对比测试结果表明，在相

15、同接地点实现同一接地电阻值，两者对电极布置的 综合投入基本相当，棒状电极布置占地约40 m2 ，而片状电极布置占地约4 m2， 前者远大于后者，如果接地点为基岩，棒状电极将无法实现接地，而积水淹没片状 电极法则可以有效地实现接地。综合比较，积水淹没片状电极法可以方便地实现接 地，占地面积小，布置方便，不仅可以用于有土的地方，更能在基岩地区实现有效 接地。计算值大于实测值的原因是因为野外实际情况不完全满足计算条件，主要表现在以 下几点：山区地形起伏大，地形切割强烈，实际地表不是理论上的水平面；计 算结果是以r0二1 m得出的，计算接触面积为3.14 m2，但实际电极为矩形，接 触面积为4 m2

16、,实际面积大于计算面积；工作中积水面积大于电极面积以及积 水周围黏土墙对导电改善的影响，虽然积水和黏土电阻率远大于电极电阻率，但又 远小于基岩电阻率，相当于增大了电极半径；受黏土墙以外附近的地表零星的不 均匀的黏土类导电改善的影响。从原因受到启发，即可以在黏土墙外围基岩上铺上一层湿黏土或糊状泥浆改善接 地点附近导电条件，达到辅助改善接地电阻的目的。可以经过变通，将该方法技术 应用于如工程物探中遇到的水泥地面接地或其他困难接地条件下的接地。另外，从 电阻计算的定义公式可以看出，增大接触面积可减小接地电阻，因此在满足点电源 的前提下，应尽可能地增加接地点数和片状电极数以增大接触面积，达到改善接地

17、电阻的目的。基于布置电极的复杂因素，该方法主要用于长时间供电的大功率勘探，其中激发极 化法中间梯度AB电极供电、三极测深C电极（无穷远极）供电在黔东南电法勘探 中成功应用，根据应用原理，该方法还可以应用于测深大极距AB/2或AO电极 供电、可控源音频大地电磁法发射极AB电极供电、其他方法技术中的C电极（无 穷远极）供电。积水淹没片状电极法是在多年的电法勘探野外工作及多次实践经验中总结出来的方 法技术，属于经验性的。该方法技术在野外应用中取得了成功，电极布置具有可操 作性，从而说明了该方法技在裸露基岩及极薄层覆盖层地区应用的可行性。方法的优点是：能大幅度增大接地面积，从理论上讲对减小接地电阻很有

18、利；电极 与大地的接触面实现紧密结合，接触面无空隙，实现了良好接触；由于导电体全部 浸入水中，接地电阻变化极小，供电电流十分稳定；由于减小了接地电阻，实现了 大功率、大电流供电，增大了观测信号强度，提高了观测精度，从而提高了数据质 量；实现大功率、大电流供电对增加勘探深度提供了可能。使用镀锌铁皮材料电极 不产生锈蚀，对环境无污染；耐用，电极可以重复多次使用。方法的弱点：供电过程中产生的气体对导电性有一定影响；前期准备工作量较大， 但如果以实现大功率、大电流供电、提高观测精度为目的未必会对工作效率产生较 大影响。相关文献】1西安地质学院，长春地质学校电法勘探M.北京：地质出版社，1979.2 李

19、金铭地电场与电法勘探M 北京：地质出版社，2005.3 同济大学应用数学系.高等数学 M .北京：高等教育出版社， 2002.4 彭智波，黄振峰.降低电极接地电阻的方法 J .现代电子技术， 2011 ， 34(21) ： 208 210.5 李国宏接地电阻的计算及改善J 甘肃科技，2004,20 (8 ):87 - 89.6 刘中策，何萍.青南地区降低接地电阻的方法 J .青海科技， 2007 ， (5) ： 2223.7 廖华年浅析降低接地电阻的综合措施J 电工技术杂志，2004 ,(4):81 - 83.8 李景禄，杨廷方，周羽生.接地降阻应用及存在问题分析 J .高压技术， 2004

20、， 30 ( 3 ) ： 65-68.9 管绍朋,潘俊峰,能昌信,等.电法填埋场渗漏检测供电电极接地电阻研究 J .环境科学研 究,2008,21(6)：39-42. 10 贵州省地矿局102地质大队.贵州省桐梓县容光井田煤田勘探测井报告 R .2003. 11 贵州省地矿局102地质大队.贵州省从江县宰便镇下尧友能铅、锌矿地球物理勘探报告 R.2008. 12 贵州省地矿局102地质大队.贵州省从江县那哥铅锌矿西矿段电法勘探报告 R .2010. 13 贵州省地矿局102地质大队.贵州省从江县平忙铅锌多金属矿区电法勘探报告 R .2011.14 贵州省地矿局102地质大队贵州省从江县下尧铅锌多金属矿区井中物探报告R .2012.