復雜斷層帶富水性礦井瞬變電磁法探測研究

杜庫實，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.中國礦業大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083）

礦井突水不僅可能發生在工作面回采過程中底板或頂板以及巷道掘進過程中的巷道頂底板、迎頭以及兩側幫，而且也有可能發生在斷層、陷落柱等容易起到導水通道作用的地質構造中，這都可能造成局部或大面積出水而導致災害事故。因此，有必要利用礦井地球物理方法在井下對回采工作面或掘進巷道進行超前探測，為工作面安全高效回采和巷道安全掘進提供可靠的地質資料。近年來，對于巖層富水性的井下探測，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其他物探方法具有較多優點而被廣泛應用到工作面回采過程中含水性探測和巷道掘進過程中的超前探測，并取得較好的探測效果［1－3］。對于斷層帶富水性的探測，斷層帶往往在巷道的側方，因井下巷道空間狹小，探測難度大。本文主要探討利用礦井瞬變電磁法對復雜斷層帶的富水性進行探測，地質效果較好。

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，探測采用的儀器及采集到的數據格式也基本相同。由于井下巷道條件有限，探測一般采用的是小于3m的多匝小回線組成的重疊正方形線框，探測深度一般在100m左右。地面瞬變電磁法反應的是來自地表之下半空間地層中的瞬變電磁響應，而礦井瞬變電磁法反應的是來自回線平面兩側（或上下）全空間地層的瞬變電磁響應，該響應在地層中的擴散規律即為人們所說的“煙圈效應”［2］。

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

式中，B為比例系數，用來表征井下和地面的對應關系；C為全空間響應系數；S與s分別為接收回線與發射回線的面積；N與n分別為對應回線的匝數；t為二次場的衰減時間；V／I為接收到的歸一化二次場感應電位。

2 斷層帶富水性的地球物理響應特征

由于斷層的存在使得地層的連續性受到破壞，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，斷層帶不含水時電阻率相對較高；斷層帶含水時其導電性變好，當斷層帶弱含水時電阻率相對較低，當斷層帶中等含水或強含水時電阻率相對更低，即斷層帶含水性越強其電阻率越低，斷層破碎帶發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造成電阻率的變化，因此，通過探測斷層破碎帶巖層的電阻率及其變化規律，可以查明斷層帶的富水特征［1，4］。

3 礦井瞬變電磁法探測技術

礦井瞬變電磁探測采用的是澳大利亞生產的Terra－TEM型瞬變電磁儀，發射電流在3A左右，頻率為50Hz，發射線框和接收線框都是2m×2m，發射線圈40匝，接收線圈60匝，而且該儀器抗干擾能力強、自動化程度高、適應力強等。實際測量時，采用多匝重疊回線裝置，這樣在探測過程中可以充分接近所探測異常體從而達到最佳耦合效果。在超前探測中，為探明迎頭前方斷層帶的含水情況，數據采集工作采用多方向組合形成立體探測［4－5］，以減小探測環境的干擾，提高探測精度。

圖1為巷道頂底板及順層方向礦井瞬變電磁超前探測方式，若線框水平放置于巷道，則探測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，則探測巷道側上方頂板或側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，轉換不同角度則可探測掘進頭前方或側方一定范圍的電阻率分布。根據電阻率分布情況推斷頂底板及沿掘進方向巖層的含水性。

圖1 掘進巷道前方及側向礦井瞬變電磁探測方式

4 工程應用

某礦111304工作面膠帶順槽巷道掘進施工到切眼下口附近時，迎頭出現涌水，水壓不大，涌水量穩定，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水性不確定，給巷道掘進和工作面回采帶來安全隱患。因出水點處在切眼位置，為了確保111304工作面回采過程中生產安全，需要確定巷道出水的水源位置及范圍，以便采取科學的防治水措施，最終確定采用礦井瞬變電磁法進行膠帶順槽切眼下口迎頭復雜斷層帶富水性超前探測。

4.1 探測方案

根據實際巷道條件，且要避開瞬變電磁探測盲區，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位置處進行了兩個位置的超前探測，超前探測測點及探測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，同時進行了J55＋3m到J55－13m段剖面探測，點距2m。

圖2 超前探測測點及探測方向布置示意圖

4.2 地質解釋和成果

圖3為111304工作面膠帶順槽（J55＋7m）實測電阻率沿巷道掘進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，主要低阻異常區位于DF15斷層和DF3斷層之間，且低阻區范圍不大，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，主要低阻異常區位于DF15斷層和DF3斷層之間，且低阻區范圍不大，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弱富水性，而底板巖層為相對弱到中等富水性。進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范圍不大，判斷斷層帶富水是以靜儲量為主。

圖3 111304面膠帶順槽切眼下口J55＋7m位置實測電阻率沿巷道掘進方向平面圖及剖面圖

4.3 地質驗證

因111304工作面回采中切眼附近的巖層會受到采動破壞影響，所以，該工作面回采前要對斷層帶含水區進行打鉆放水疏干，確保回采生產安全。結合礦井瞬變電磁探測成果，在斷層帶低阻區布置了3個鉆孔進行放水，歷時40天全部疏干，放水約2萬m3。

5 結論

利用礦井瞬變電磁法對斷層帶富水性進行了立體探測，并且通過打鉆驗證斷層帶出水位置與探測結果吻合較好，在斷層帶富水性探測中具有很好的地質效果。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，從而推斷斷層帶富水性及富水范圍，為巷道掘進和工作面回采過程中的水害防治提供真實可靠的資料。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，因此有必要結合地質、水文及鉆探等方面資料進行綜合分析和解釋，確保探測效果更好。

［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探測研究［C］.第七次煤炭科學技術大會文集［A］.北京：煤炭工業出版社，2011.

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

［3］李云波，李好.礦井瞬變電磁法富水體超前探測原理及應用研究［J］.礦業安全與環保，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條件綜合地球物理探測研究［J］.中國礦業，2010，19（7）：98－101.