綜合物探在大型斷層破碎帶探測中的應用

李明星

(1.煤炭科學研究總院,北京市朝陽區(qū)，100013; 2.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市，710077)

當前煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，開采力度日益增加，資源開采逐漸走向深部。隨著煤礦開采深度增加，面臨的水害問題愈加復雜，煤礦帶壓開采現(xiàn)象越來越普遍，開采深度越大，承受的水壓越高。若煤礦掘進或開采區(qū)域有斷層等構造發(fā)育情況，極易導通含水層。特別是當存在大型斷層時，由于其破碎帶范圍較寬且充填介質(zhì)復雜，裂隙發(fā)育及導水情況不明，對煤礦巷道安全掘進造成很大威脅。當前針對巷道前方水害隱患進行探測的地球物理手段主要以電磁法為主，分為直流電阻率法和瞬變電磁法兩類。20世紀50年代，直流電阻率法最早由前蘇聯(lián)學者應用于煤礦井下勘探中。從20世紀90年代開始，我國研究人員開始研究并應用煤礦巷道直流電阻率法超前探測技術。瞬變電磁法始于1933年美國科學家L. W. Blan 提出的”Eltran”法，但就礦井瞬變電磁而言，理論及應用研究起步較晚，20世紀90年代后期開始，中國礦業(yè)大學等單位開始在煤礦巷道中應用瞬變電磁法進行探測。每種物探方法的優(yōu)缺點不一樣，若用多種方法聯(lián)合的綜合物探技術，則能有效提高探測精度。為了更加準確地探測斷層破碎帶水文地質(zhì)情況，對直流電法和瞬變電磁法進行聯(lián)合研究，綜合解釋探測范圍內(nèi)的異常分布情況，提高對大型斷層破碎帶的探測解釋精度。

1 斷層破碎帶地球物理特征

斷層是地殼表層中巖層順破裂面發(fā)生明顯位移的構造。就其形成機理來說，巖石受構造應力作用，當應力超過巖石破裂強度極限時，巖石就會產(chǎn)生裂隙或斷開，連續(xù)性被破壞。大多數(shù)斷層，尤其是大型斷層的斷層面，一般不是一個單一的面，而是一個帶，可能是由一系列密集的破裂面組成，也可能是破碎的巖屑、巖塊沿破裂面方向組合而成，稱之為斷層破碎帶或斷層帶。斷層帶發(fā)育寬帶不等，一般從幾米到幾十公里不等。

通常來說，大型斷層發(fā)育有規(guī)模較大的破碎帶，破碎帶在電性上一般整體呈低阻特征。破碎帶之所以呈低阻反應，主要是因為破碎帶區(qū)域內(nèi)風化程度高于兩盤相對完整巖體，破碎帶內(nèi)充填有風化作用或熱液作用活動產(chǎn)生的水飽和黏土。斷層破碎帶在地形地貌、補給水源等有利條件情況下，可能會形成斷裂型儲水構造，電性上呈現(xiàn)相對低阻反應，而斷裂帶兩盤的弱含水或不含水巖層呈現(xiàn)相對高阻。另外斷層破碎帶的電性特征與組成斷層破碎帶的巖礦石成分及上下盤巖體的構成有關。斷層破碎帶一般有較高的孔隙度和滲透率，相對風化程度高，容易接受沉積，因此破碎帶的電性特征與其內(nèi)沉積物電阻率高低相關性較高。

2 綜合物探超前探測技術

2.1 礦井直流電阻率法超前探測

礦井直流電阻率法超前探測屬于電阻率法的一個分支，是以巖石的電性差異為基礎，基于全空間電場理論，探測和解釋有關礦井水文地質(zhì)問題的一種地球物理手段，主要是研究掘進頭前方地質(zhì)體電性變化規(guī)律，預測前方含、導水構造的分布和發(fā)育情況。

目前常見的直流超前探測大多采用點源三極裝置進行井下數(shù)據(jù)采集工作，無窮遠電極對巷道內(nèi)測量電極的影響可以忽略不計，其電場分布可近似為點電源電場。可利用全空間電場理論對數(shù)據(jù)進行分析解釋。直流電阻率法超前探測裝置示意圖見圖1。

圖1 直流電阻率法超前探測示意圖

2.2 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法是以電磁感應理論為基礎的時間域電磁勘探方法。首先向回線源中通一定電流，建立穩(wěn)恒的一次場，在某一時刻切斷電流，根據(jù)電磁感應定律，變化的一次場會激發(fā)二次場，此二次場的的電磁特性與地下地質(zhì)體的電性特征有關，利用接收裝置記錄下二次場，經(jīng)過分析就可以得到探測范圍內(nèi)介質(zhì)的地電信息。數(shù)學物理過程簡述如下：

瞬變電磁理論數(shù)學表達式可由電磁場理論的基本方程—麥克斯韋方程推導得到。麥克斯韋方程最基本的表達式如下：

(1)

式中：B——磁感應強度，Wb/m2；

E——電場強度，V/m；

t——時間，s；

D——電位移矢量，C/m2;

j——電流密度，A/m2；

H——磁場強度，A/m；

ρ——電荷密度，C/m3。

式(1)進一步推導可得：

(2)

其中：

k2=-iωμσ+ω2με

(3)

式中：σ——電導率，C/m；

μ——磁導率，H/m；

ε——介電常數(shù)；

ω——頻率，Hz。

式(2)稱為電磁場的波動方程，亦稱為赫姆霍茲方程。解電磁場波動方程得到磁場垂向分量頻率域表達式：

(4)

λ——積分變量；

r——發(fā)射回線半徑，m；

J0——零階貝塞爾函數(shù)。

然后利用特殊的數(shù)值算法即可將頻率域磁場轉(zhuǎn)換到時間域，這便是時間域瞬變電磁法的基本數(shù)學原理。

礦井瞬變電磁法工作環(huán)境為井下巷道，由于空間有限，發(fā)射及接收裝置相比地面瞬變電磁都做了相應的改進，以便適應井下探測環(huán)境。其探測示意圖見圖2。

圖2 礦井瞬變電磁超前探測示意圖

3 探測實例

錢營孜礦運輸巷掘進前方存在F22斷層(組), 斷層落差240 m左右，主要充水水源為煤系地層砂巖裂隙水。運輸巷沿-650 m水平掘進，按照設計方案巷道掘進前方將揭露F22斷層組，該斷層是礦井內(nèi)一條規(guī)模較大的樞紐正斷層，走向SN，傾向W，傾角為60°～75°，貫穿礦區(qū)，走向延展長度大于6.5 km，落差0～350 m，運輸巷附近F22斷層落差約為240 m，F(xiàn)22-1斷層落差90 m。斷層破碎帶寬約38 m，切割3#、7#、8#、10#煤層。因斷層為大型斷層，破碎帶較寬且充填復雜，且斷層附近構造相對復雜，裂隙發(fā)育不均一，可能存在局部裂隙較發(fā)育且相對富水區(qū)域，威脅到巷道的安全掘進。故采用綜合地球物理技術對運輸巷掘進前方地質(zhì)情況進行勘探，以探明前方異常體分布情況，為巷道安全掘進提供參考。

3.1 地質(zhì)概況

礦方針對該斷層設計了水文地質(zhì)勘探鉆孔。在斷層區(qū)域主要布置Z1、Z2、Z3等3個鉆孔，斷層及鉆孔示意圖見圖3。

圖3 斷層及鉆孔示意圖

根據(jù)勘探鉆孔揭露情況，F(xiàn)22斷層破碎帶一般多為泥質(zhì)充填，巖性較混雜，擠壓和揉皺現(xiàn)象嚴重，巖芯較破碎，鉆探穿過斷層時沒有發(fā)生漏水現(xiàn)象。

Z1孔位于斷層下盤，鉆孔揭露32煤層至太灰全部地層，終孔于灰?guī)r下44 m。Z1孔在進入基巖界面251.08～258.45 m巖芯破碎，成分復雜，并見有滑動面，經(jīng)與勘探資料對比，可確定該段為F22斷層帶，但斷層角礫及斷層泥尚未發(fā)現(xiàn)，也未見明顯涌漏水現(xiàn)象,鉆孔揭露灰?guī)r時無出水或漏水現(xiàn)象。Z3孔原設計在645 m處見F22斷層，經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)，在601.61～656.04 m段巖芯破碎，成分復雜，并見有滑動面，未見明顯涌漏水現(xiàn)象，其中633.03 m以上巖芯為紫紅色斑紋泥巖及粉砂巖，633.03 m以下則多為灰-深灰色的泥巖及粉砂巖，未見32煤層以及上石盒子組底部的K3砂巖。經(jīng)鉆孔資料對比，Z3孔601.61～656.04 m段巖芯破碎可確定為F22斷層帶，斷層面在633.03 m處。通過Z1孔對斷層下盤附近深部的部分太灰含水層進行了抽水試驗，含水層單位涌水量為0.021 L/s·m；Z2孔對斷層上盤的32煤層基巖混合水進行了抽水試驗，含水層單位涌水量為0.002 L/s·m；Z3孔對F22斷層破碎帶進行了抽水試驗，單位涌水量為0.003 L/s·m和0.005 L/s·m。表明在本區(qū)煤系地層砂巖、F22斷層帶、深部太灰等含導水性均弱。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

3.2.1 礦井直流電阻率法探測成果

根據(jù)巷道掘進實際情況，在巷道掘進到P60點前54 m位置時，采用礦井直流電阻率法和礦井瞬變電磁法超前探查掘進頭前方斷層破碎帶電性特征。

礦井直流電阻率法施工采用三極裝置，在掘進頭后方沿同一直線布置4個發(fā)射電極A1、A2、A3、A4，之后沿上述直線方向向后跑極，直到測完所需數(shù)據(jù)。礦井直流電阻率超前探測原始數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖4可以看出，兩組電極系探測成果對應較好，主要異常位置均有反應。利用兩組電極系數(shù)據(jù)并結合巷道揭露地質(zhì)情況，處理成果如圖5所示，圖中A、B、C泛指發(fā)射點。

圖4 礦井直流電阻率超前探測原始數(shù)據(jù)成圖

圖5 礦井直流電阻率超前探測成果圖

3.2.2 礦井瞬變電磁法探測成果

礦井直流電阻率法施工完成后，在巷道掘進頭位置開展礦井瞬變電磁超前探測。共施工5個探測方向：仰角50°、仰角25°、順層、俯角25°、俯角50°方向。具體探測方向及散點圖見圖6。

圖6 礦井瞬變電磁超前探測散點圖

圖中掘進頭位置坐標(X,Y,Z)=(0,0,0)，從圖6中可以清晰的看出5個探測方向所組成的扇面。5個探測方向數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，將瞬變電磁成果在三維空間立體顯示情況如圖7所示。

圖7 瞬變電磁超前探測成果三維顯示

3.3 綜合物探資料解釋

為便于兩種方法比較，將瞬變電磁超前探測順層方向成果圖與直流電阻率法超前探測成果圖疊加到一起進行解釋，疊加成果如圖8所示。

由圖8可以看出，將瞬變電磁正前方成果與直流電法成果進行對比，直流電法成果3個異常與瞬變電磁正前方成果中異常位置吻合，但直流電法1號和2號異常位置偏向瞬變電磁異常邊界附近。瞬變電磁中異常范圍更大，分析原因為瞬變電磁探測時容易受巷道中金屬體影響，干擾較大，所以直流電法在深度方向控制精度優(yōu)于瞬變電磁法，且瞬變電磁法存在一定的體積效應。

圖8 瞬變電磁與直流電阻率超前探測成果疊圖

根據(jù)物探結果及地質(zhì)情況，礦方進行超前鉆探驗證，根據(jù)超前探查鉆孔巖性特征、破碎程度等資料顯示，在巷道掘進頭前方1號異常位置斷層帶破碎嚴重，主要由5#煤層組及其頂?shù)装迥鄮r充填，由于泥巖相對松散，加上煤層及瓦斯的影響，鉆孔存在塌孔情況；2號和3號異常位置斷層帶破碎，主要由紫斑泥巖充填，夾灰色泥巖及少量細砂巖。探測成果與實際地質(zhì)情況吻合較好。

4 結論

大型斷層破碎帶規(guī)模較大，充填介質(zhì)復雜，給煤礦巷道安全開拓造成了威脅。在巷道開拓過程中可采用綜合物探方法對大型斷層破碎帶進行探測。經(jīng)實例證明，綜合物探方法探測精度較高，探測結果能互相印證，可信度較高。采用三維顯示技術對物探成果進行顯示，可以更加方便地對異常體位置及范圍進行圈定。探測資料能夠為礦井水害治理提供有力的技術保障。