綜合物探技術(shù)在大彎煤礦巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

吳超凡，邱占林，路 拓，梁文全

(1.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054 )

地質(zhì)構(gòu)造為地下水體提供了賦存空間和導(dǎo)水通道，控制著水體的分布與運(yùn)移，是形成礦井突水的關(guān)鍵因素。對于隱伏地質(zhì)構(gòu)造的超前預(yù)測預(yù)報(bào)能夠有效預(yù)防礦井水害的發(fā)生，為水害治理和采掘工作提供設(shè)計(jì)依據(jù)。目前井下對于地質(zhì)構(gòu)造的超前探測方法主要有鉆探和物探。而鉆探是礦井探放水最直接有效的方法，但與物探手段相比較，鉆探工程用時(shí)長、效率低、探測范圍有限，很難全面反映區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況。礦井物探方法作為一種長距離、快速無損探測方法，在隱伏地質(zhì)構(gòu)造超前預(yù)報(bào)中發(fā)揮著日益重要的作用。地震反射波法對于探測異常界面較為有效，其在許多工程實(shí)例中得到檢驗(yàn)；瞬變電磁法作為非接觸式的物探手段，在探測導(dǎo)水構(gòu)造等方面也表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢。由于地質(zhì)構(gòu)造破壞了巖體的連續(xù)性和完整性，使得構(gòu)造或構(gòu)造破碎帶與圍巖相比存在明顯的波阻抗差異，出現(xiàn)彈性波相位、能量等突變，在地震勘探中為良好的波阻抗界面。同時(shí)，地質(zhì)構(gòu)造打破原有地層電性異常界面(地電斷面)在水平和垂向上的分異規(guī)律，如果構(gòu)造不含水，局部電阻率值增高；若構(gòu)造含水，會造成電阻率的降低，這就為礦井地震超前探測和礦井瞬變電磁技術(shù)的實(shí)施提供了良好的地球物理前提[1-5]。

龍巖市大彎煤礦巖漿活動劇烈、礦體分布不均、地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，使得單一物探方法的處理和解釋更加困難。為了精準(zhǔn)定位掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)構(gòu)造位置并判斷其富水性，文章采用礦井地震超前探測(MSP，Mine Seismic Prediction)和礦井瞬變電磁方法(MTEM，Mine Transient Electromagnetic Method)相結(jié)合的綜合物探技術(shù)進(jìn)行探查，兩種方法相互比對驗(yàn)證，能夠較全面的反映待測目標(biāo)區(qū)域的水文地質(zhì)信息[6-8]。

1 探測方法技術(shù)原理

1.1 震波超前探測技術(shù)原理

地震波超前探測主要采用地震波在巖層傳播過程中遇到地質(zhì)異常體(出現(xiàn)波阻抗Z差異)時(shí)會發(fā)生震波反射或折射的原理，在結(jié)合礦井巷道特性的基礎(chǔ)上，沿井下巷道后方布設(shè)震波震源和三分量傳感器來探測巷道采掘前方基本地質(zhì)條件或水文地質(zhì)情況的觀測系統(tǒng)。井下現(xiàn)場采集時(shí)，震源點(diǎn)通常沿巷道側(cè)幫(左、右兩幫)平行洞底腰線位置成直線狀排列并依次有序激發(fā)，這樣可使炸藥、錘擊等人工激發(fā)震源所產(chǎn)生的地震波在碰到諸如巖層層面、裂隙面、節(jié)理面、線理或劈理面等面狀不良結(jié)構(gòu)面，尤其是斷裂(斷層)破碎分界面或巖溶、構(gòu)造陷落柱等不良、軟弱地質(zhì)界面時(shí)，將導(dǎo)致反射波且由后方敷設(shè)的檢波器所接收形成有效地震波擬斷面。檢波器后置的觀測系統(tǒng)下使巷道前方地質(zhì)構(gòu)造的反射波具有負(fù)視速度的特征，如圖1所示。通過提取負(fù)視速度的反射波即可對巷道采掘前方有效反射界面進(jìn)行超前偏移成像[9，10]，從而取得掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)異常信息。

圖1 MSP觀測系統(tǒng)及原理示意圖

1.2 礦井瞬變電磁探測技術(shù)(MTEM)原理

圖2 瞬變電磁全空間“煙圈效應(yīng)”

礦井瞬變電磁法是使用不接地?zé)o極化回線向待探測目標(biāo)地質(zhì)異常體發(fā)射電脈沖式一次(原生)電磁場，在脈沖方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，異常地質(zhì)體將出現(xiàn)渦流異常場，其大小主要決定于異常地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，就在原生一次場消失后，該次生渦流不會馬上消失，它還存在一個過渡、遞進(jìn)衰減過程。該地電變異過渡過程再生成一個遞進(jìn)衰減的二次次生磁場向掌子面(迎頭)傳播，由無極化接收回線收集次生二次場，該次生磁場隨時(shí)間t的演變表明不同深度h異常地質(zhì)體的電性、地電場分布情況。任一時(shí)刻，其地下一定深度處的渦旋電流在地表相應(yīng)產(chǎn)生的地電磁場可以等效為一個水平橫向環(huán)狀線電流的地電磁場并隨時(shí)間改變而向外迅速擴(kuò)散，等效電流環(huán)則如同是從發(fā)射無極化線圈中冒出來的“煙圈”，將感生電流向四周擴(kuò)散的過程形象的稱之為“煙圈效應(yīng)”[11]，如圖2所示。通過視電阻率的有效求取以及電磁波擴(kuò)散深度的計(jì)算即可獲得對應(yīng)深度上目標(biāo)介質(zhì)的視電阻率[12-15]，從而推測探測范圍內(nèi)的地質(zhì)信息與水文地質(zhì)特征。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 礦區(qū)概況

大彎煤礦位于龍巖市的東北部，礦區(qū)屬于侵蝕中低山地貌類型，介于分水嶺至河谷地帶之間，地形比較復(fù)雜，坡陡，高差較大，一般達(dá)50～280m，總的地勢從東往西逐漸降低。礦區(qū)范圍內(nèi)地層主要有石炭系下統(tǒng)的林地組、上統(tǒng)的經(jīng)畬組和二疊系下統(tǒng)的船山組、中統(tǒng)的棲霞組、文筆山組、童子巖組及二疊系上統(tǒng)的翠屏山組、大隆組。

礦區(qū)的區(qū)域構(gòu)造處于政和—大埔區(qū)域斷裂帶西側(cè)，龍永煤田復(fù)式向斜東翼，它由一系列北東及北西方向的壓性扭曲斷裂或擠壓破碎帶組成。礦區(qū)內(nèi)的斷層較發(fā)育，主要有北東向的F1正斷層、F2逆斷層、F3逆斷層，這三條斷層控制了區(qū)內(nèi)地層的展布及礦層的空間分布，對礦層均起破壞作用，為水的運(yùn)移、富集提供了有利的條件。通過井下現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該礦在+10掘進(jìn)巷道底板積水主要是在斷層構(gòu)造附近巷道圍巖破碎的區(qū)域，而+10掘進(jìn)巷道即將穿過前期三維地震解釋斷層破碎帶，急需查明斷層具體位置及其富水性，指導(dǎo)巷道掘進(jìn)和探放水工作。

2.2 震波超前探測技術(shù)現(xiàn)場布置

為了精確探查采掘前方斷層位置、裂隙或節(jié)理發(fā)育情況及其含、富水性，井下運(yùn)用礦井地震超前探測(MSP)和礦井瞬變電磁方法(MTEM)相結(jié)合探測與預(yù)報(bào)，為掘進(jìn)施工安全提供有效的技術(shù)參數(shù)。

本次MSP探測震源及檢波器沿+10掘進(jìn)巷道左幫布置。震源采用炸藥震源，共計(jì)施工24炮，炮間距2m，2個三分量檢波器接收，即C1、C2，其中C1傳感器距離P24號炮點(diǎn)20.2m，C2點(diǎn)距C1點(diǎn)(有效檢波距)5.5m，傳感器及炮孔敷設(shè)順序和方位(觀測系統(tǒng))如圖3所示。采用GeoPen-SE2404NTm型多道分布排列式綜合工程探測及TZBS系列(主頻為100Hz)3D傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔200μs，記錄長度4096個點(diǎn)。

圖3 迎頭震波超前探測測線布置圖

2.3 礦井瞬變電磁探測技術(shù)現(xiàn)場布置

由于受井下瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，運(yùn)用礦井瞬變電磁探測技術(shù)(MTEM)法對巷道迎頭預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí)只能使用與巷道寬度接近的采集裝置；而MTEM法的探測深度又與其發(fā)射邊框有一定的關(guān)系。

為了能最大程度滿足探測的深度及解決相應(yīng)的地質(zhì)問題，本次探測過程中采用了以線框作為發(fā)射線圈TX(無極化)和接收線圈RX(無極化)，用于原生場激發(fā)并接收次生感應(yīng)磁場。兩者均采用邊長L為1.5m×1.5m優(yōu)質(zhì)無極化銅線、匝數(shù)通常為32匝，24V的有效發(fā)送初始電壓。在掌子面(迎頭)及兩幫共敷設(shè)布置一條測線，共計(jì)15個測點(diǎn)，其中每個測點(diǎn)可有效探測頂?shù)装?、底板及順層三個方向。具體探測測線及測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 MTEM法測點(diǎn)現(xiàn)場布置圖

2.4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.4.1 震波超前探測深度偏移分析

由于雷管延遲誤差及巷道條件的影響，首先要對地震記錄進(jìn)行靜校正、帶通濾波、自動增益控制(AGC)等預(yù)處理。通過τ-p有效濾波快速提取視速度v為負(fù)值的迎頭(掌子面)采掘前方反射波，如圖5(b)所示，然后根據(jù)初值拾取獲得的地震波速度進(jìn)行繞射掃描疊加偏移獲得深度偏移剖面。

圖5 迎頭前方反射波提取

深度偏移剖面直接反映了井下巷道采掘前方彈性異常差異分界面在空間的實(shí)際位置關(guān)系。該圖通常采用不同的顏色來顯示反射波振幅A的有效大小，顏色越深一般代表該處反射波能量E越強(qiáng)，淺色和深色分別代表正相位和負(fù)相位。數(shù)據(jù)采集采用三分量檢波器，因此可以獲得不同分量地震數(shù)據(jù)的偏移剖面。井下巷道迎頭(掌子面)在X=74m處，如圖6所示，從偏移剖面中可以看出，在迎頭前方40～46m左右(X=114～120m)存在反射界面R1，且能量較強(qiáng)。該反射界面在X分量、Y分量和Z分量剖面上均有反應(yīng)推測為斷層裂隙帶的影響。

圖6 MSP深度偏移剖面

2.4.2 瞬變電磁超前探測數(shù)據(jù)處理與解釋

通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測線拆分、炮-檢道參修改、有效圓滑處理、動-靜干擾校正→計(jì)算后期視電阻率值→時(shí)深(t-h)有效轉(zhuǎn)換獲得視電阻率擬斷面，如圖7所示。由于儀器關(guān)斷時(shí)間的影響，在淺部存在10m左右的盲區(qū)，迎頭中心位置在坐標(biāo)(0，0)處。從頂、底板及順層視電阻率剖面可以看出，在巷道掘進(jìn)方向前方無明顯的低阻異常區(qū)域，但根據(jù)迎頭順層方向前方40～80m區(qū)域，存在較明顯的電性分界面，其視電阻率值為45Ω·m，而且呈現(xiàn)出近乎線狀延伸，兩側(cè)出現(xiàn)明顯的電性差異，再結(jié)合其頂、底板的情況，可初步分析其向上延伸較短，而向下發(fā)育較深，與地震解釋異常R1位置較吻合，且分析該處視電阻率值較高，說明R1位置推測斷層破碎帶為弱富水性。

圖7 MTEM視電阻率剖面

綜合地震超前探測和礦井瞬變電磁探測成果，在迎頭前方40～46m范圍內(nèi)存在一斷層破碎帶(R1)，結(jié)合該位置附近視電阻率值較高，推測斷層破碎帶為弱富水性。后期掘進(jìn)過程中在迎頭前方39～42m位置揭露一斷層，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，該斷層為正斷層，且斷層帶內(nèi)巖石較破碎，含構(gòu)造角礫巖等斷層證據(jù)(如圖8所示)，見少量滴水，綜合物探成果與實(shí)際工程揭露情況較為吻合。

圖8 實(shí)際揭露巷道地質(zhì)素描圖

3 結(jié) 論

1)通過震波超前探測技術(shù)，可在迎頭前方40～46m范圍識別較強(qiáng)的反射界面R1，并判別其受斷層裂隙帶影響。

2)通過瞬變電磁超前探測技術(shù)，可在迎頭順層前方40～80m范圍提取兩側(cè)存在明顯電性差異且與R1一致的電性分界面，并根據(jù)電阻率值，推測為弱富水性的斷層破碎帶。

3)震波與瞬變電磁相結(jié)合的綜合物探技術(shù)能夠快速、有效地預(yù)測預(yù)報(bào)掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)構(gòu)造位置及其含(富)性等水文地質(zhì)信息，較單一物探方法更具精度優(yōu)勢，可相互補(bǔ)充、相互比對驗(yàn)證，從而為掘進(jìn)巷道施工及防治水措施的選取提供更為準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。