復(fù)雜斷層帶富水性礦井瞬變電磁法探測(cè)研究

杜庫實(shí)，程久龍，王和固，閆國才，王作路

（1.國投新集能源股份有限公司口孜東礦，安徽 阜陽236000；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

礦井突水不僅可能發(fā)生在工作面回采過程中底板或頂板以及巷道掘進(jìn)過程中的巷道頂?shù)装?、迎頭以及兩側(cè)幫，而且也有可能發(fā)生在斷層、陷落柱等容易起到導(dǎo)水通道作用的地質(zhì)構(gòu)造中，這都可能造成局部或大面積出水而導(dǎo)致災(zāi)害事故。因此，有必要利用礦井地球物理方法在井下對(duì)回采工作面或掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探測(cè)，為工作面安全高效回采和巷道安全掘進(jìn)提供可靠的地質(zhì)資料。近年來，對(duì)于巖層富水性的井下探測(cè)，主要地球物理方法是礦井瞬變電磁法和礦井直流電法等，由于礦井瞬變電磁法相對(duì)其他物探方法具有較多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到工作面回采過程中含水性探測(cè)和巷道掘進(jìn)過程中的超前探測(cè)，并取得較好的探測(cè)效果［1－3］。對(duì)于斷層帶富水性的探測(cè)，斷層帶往往在巷道的側(cè)方，因井下巷道空間狹小，探測(cè)難度大。本文主要探討利用礦井瞬變電磁法對(duì)復(fù)雜斷層帶的富水性進(jìn)行探測(cè)，地質(zhì)效果較好。

1 礦井瞬變電磁法基本原理

礦井瞬變電磁法基本原理類似于地面瞬變電磁法，探測(cè)采用的儀器及采集到的數(shù)據(jù)格式也基本相同。由于井下巷道條件有限，探測(cè)一般采用的是小于3m的多匝小回線組成的重疊正方形線框，探測(cè)深度一般在100m左右。地面瞬變電磁法反應(yīng)的是來自地表之下半空間地層中的瞬變電磁響應(yīng)，而礦井瞬變電磁法反應(yīng)的是來自回線平面兩側(cè)（或上下）全空間地層的瞬變電磁響應(yīng)，該響應(yīng)在地層中的擴(kuò)散規(guī)律即為人們所說的“煙圈效應(yīng)”［2］。

由于礦井瞬變電磁儀接收到的歸一化感應(yīng)電位值反應(yīng)了巷道周圍空間可探測(cè)范圍的全部巖層的電性特征，所以視電阻率也相應(yīng)反應(yīng)了巷道周圍全空間巖層的電性特征［2］，視電阻率的計(jì)算公式為

式中，B為比例系數(shù)，用來表征井下和地面的對(duì)應(yīng)關(guān)系；C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S與s分別為接收回線與發(fā)射回線的面積；N與n分別為對(duì)應(yīng)回線的匝數(shù)；t為二次場(chǎng)的衰減時(shí)間；V／I為接收到的歸一化二次場(chǎng)感應(yīng)電位。

2 斷層帶富水性的地球物理響應(yīng)特征

由于斷層的存在使得地層的連續(xù)性受到破壞，從而造成地層的電性特征在橫向和縱向上的變化。一般說來，斷層帶不含水時(shí)電阻率相對(duì)較高；斷層帶含水時(shí)其導(dǎo)電性變好，當(dāng)斷層帶弱含水時(shí)電阻率相對(duì)較低，當(dāng)斷層帶中等含水或強(qiáng)含水時(shí)電阻率相對(duì)更低，即斷層帶含水性越強(qiáng)其電阻率越低，斷層破碎帶發(fā)育和含水程度不同電阻率降低情況也不同。另外，因斷層造成地層升降，斷層兩盤的巖性變化同樣會(huì)造成電阻率的變化，因此，通過探測(cè)斷層破碎帶巖層的電阻率及其變化規(guī)律，可以查明斷層帶的富水特征［1，4］。

3 礦井瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)

礦井瞬變電磁探測(cè)采用的是澳大利亞生產(chǎn)的Terra－TEM型瞬變電磁儀，發(fā)射電流在3A左右，頻率為50Hz，發(fā)射線框和接收線框都是2m×2m，發(fā)射線圈40匝，接收線圈60匝，而且該儀器抗干擾能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)力強(qiáng)等。實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用多匝重疊回線裝置，這樣在探測(cè)過程中可以充分接近所探測(cè)異常體從而達(dá)到最佳耦合效果。在超前探測(cè)中，為探明迎頭前方斷層帶的含水情況，數(shù)據(jù)采集工作采用多方向組合形成立體探測(cè)［4－5］，以減小探測(cè)環(huán)境的干擾，提高探測(cè)精度。

圖1為巷道頂?shù)装寮绊槍臃较虻V井瞬變電磁超前探測(cè)方式，若線框水平放置于巷道，則探測(cè)巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布；若線框傾斜放置于巷道，則探測(cè)巷道側(cè)上方頂板或側(cè)下方底板一定范圍的電阻率分布；若線框垂直放置于巷道迎頭后方，轉(zhuǎn)換不同角度則可探測(cè)掘進(jìn)頭前方或側(cè)方一定范圍的電阻率分布。根據(jù)電阻率分布情況推斷頂?shù)装寮把鼐蜻M(jìn)方向巖層的含水性。

圖1 掘進(jìn)巷道前方及側(cè)向礦井瞬變電磁探測(cè)方式

4 工程應(yīng)用

某礦111304工作面膠帶順槽巷道掘進(jìn)施工到切眼下口附近時(shí)，迎頭出現(xiàn)涌水，水壓不大，涌水量穩(wěn)定，約3m3／h，初步分析是迎頭前方斷層帶（DF15斷層和DF3逆斷層）引起的出水，因DF15斷層和DF3逆斷層的邊界和含導(dǎo)水性不確定，給巷道掘進(jìn)和工作面回采帶來安全隱患。因出水點(diǎn)處在切眼位置，為了確保111304工作面回采過程中生產(chǎn)安全，需要確定巷道出水的水源位置及范圍，以便采取科學(xué)的防治水措施，最終確定采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行膠帶順槽切眼下口迎頭復(fù)雜斷層帶富水性超前探測(cè)。

4.1 探測(cè)方案

根據(jù)實(shí)際巷道條件，且要避開瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)，分別在111304工作面膠帶順槽切眼下口迎頭J55＋7m位置和迎頭后退20m在J55－13m位置處進(jìn)行了兩個(gè)位置的超前探測(cè)，超前探測(cè)測(cè)點(diǎn)及探測(cè)方向布置示意圖見圖2。為了確定出水水源是否來自底板巖層還是頂板巖層，同時(shí)進(jìn)行了J55＋3m到J55－13m段剖面探測(cè)，點(diǎn)距2m。

圖2 超前探測(cè)測(cè)點(diǎn)及探測(cè)方向布置示意圖

4.2 地質(zhì)解釋和成果

圖3為111304工作面膠帶順槽（J55＋7m）實(shí)測(cè)電阻率沿巷道掘進(jìn)方向平面圖及剖面圖。從圖3（a）中可以看出，平面上低阻特征明顯，主要低阻異常區(qū)位于DF15斷層和DF3斷層之間，且低阻區(qū)范圍不大，表明主要含水巖層位于DF15斷層下盤和DF3斷層上盤巖層。從圖3（b）中可以看出，剖面上低阻特征明顯，主要低阻異常區(qū)位于DF15斷層和DF3斷層之間，且低阻區(qū)范圍不大，表明主要含水巖層位于DF15斷層下盤和DF3斷層上盤巖層，并且，兩斷層之間煤層底板巖層的電阻率較頂板巖層的電阻率低，判斷頂板巖層為相對(duì)弱富水性，而底板巖層為相對(duì)弱到中等富水性。進(jìn)一步判斷膠帶順槽切眼下口出水是以底板砂巖水通過斷層破碎帶涌水為主，頂板砂巖水通過斷層破碎帶涌水為輔。考慮到兩斷層之間的低阻區(qū)范圍不大，判斷斷層帶富水是以靜儲(chǔ)量為主。

圖3 111304面膠帶順槽切眼下口J55＋7m位置實(shí)測(cè)電阻率沿巷道掘進(jìn)方向平面圖及剖面圖

4.3 地質(zhì)驗(yàn)證

因111304工作面回采中切眼附近的巖層會(huì)受到采動(dòng)破壞影響，所以，該工作面回采前要對(duì)斷層帶含水區(qū)進(jìn)行打鉆放水疏干，確?；夭缮a(chǎn)安全。結(jié)合礦井瞬變電磁探測(cè)成果，在斷層帶低阻區(qū)布置了3個(gè)鉆孔進(jìn)行放水，歷時(shí)40天全部疏干，放水約2萬m3。

5 結(jié)論

利用礦井瞬變電磁法對(duì)斷層帶富水性進(jìn)行了立體探測(cè)，并且通過打鉆驗(yàn)證斷層帶出水位置與探測(cè)結(jié)果吻合較好，在斷層帶富水性探測(cè)中具有很好的地質(zhì)效果。通過迎頭不同位置、不同斷面、不同方向的立體超前探測(cè)電阻率平面圖和剖面圖，可以直觀地顯示迎頭前方斷層帶存在的低阻異常區(qū)，從而推斷斷層帶富水性及富水范圍，為巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中的水害防治提供真實(shí)可靠的資料。由于礦井瞬變電磁法同其它地球物理方法一樣，存在多解性，而且在井下受電磁干擾影響較大，因此有必要結(jié)合地質(zhì)、水文及鉆探等方面資料進(jìn)行綜合分析和解釋，確保探測(cè)效果更好。

［1］程久龍，姜國慶，王玉和，等.礦井深部采掘隱患水體綜合地球物理精細(xì)探測(cè)研究［C］.第七次煤炭科學(xué)技術(shù)大會(huì)文集［A］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

［2］于景邨.礦井瞬變電磁法勘探［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［3］李云波，李好.礦井瞬變電磁法富水體超前探測(cè)原理及應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（2）：69－72.

［4］姜國慶，程久龍，王玉和，等.礦井瞬變電磁法探測(cè)工作面頂板巖層含水性研究［J］.煤礦安全，2010（10）：47－49.

［5］朱若軍，程久龍，張要田，等.礦井工作面開采水文地質(zhì)條件綜合地球物理探測(cè)研究［J］.中國礦業(yè)，2010，19（7）：98－101.