瞬變電磁技術在探測斷層帶影響下頂板富水性的應用

張榮財 姜 鵬 黎 靈 楊 勇 郝志鵬

(1.琿春礦業(集團)有限責任公司八連城煤業有限公司, 吉林省琿春市，133300；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區，100013；4.山西省建筑科學研究院，山西省太原市，030001)

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瞬變電磁技術在探測斷層帶影響下頂板富水性的應用

張榮財1姜 鵬2,3黎 靈2,3楊 勇2,3郝志鵬4

(1.琿春礦業(集團)有限責任公司八連城煤業有限公司, 吉林省琿春市，133300；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區，100013；4.山西省建筑科學研究院，山西省太原市，030001)

為了探明八連城煤礦軌道巷斷層附近區域頂板富水性特征，在充分分析其現場水文地質特征的基礎上，應用礦井瞬變電磁技術，對該區域頂板富水性進行探測，通過對采集到的現場數據進行分析和處理，基本查明區域頂板富水特征。分析結果表明：受斷層構造的影響，靠近斷層位置的頂板區域巖體裂隙相對發育，富水性更加明顯。

礦井瞬變電磁法 斷層構造 富水性探測 瞬變電磁場

煤礦水害是影響煤礦安全開采的重要因素之一，近年來煤礦水害事故頻發，及時查明開采區域水文地質情況(含水層分布、富水區域及導水通道等)，并采取有效的防治措施變得尤其重要。目前，國內對于水文地質狀況的判斷主要是通過物探手段及其他一些輔助手段結合地質特征綜合分析，目前瞬變電磁以其對低阻含水體靈敏、受體積效應影響小、縱橫向分辨率高、施工靈活輕便等特點被廣泛應用，并且在煤礦地下巖層富水性探測方面已取得了較好的地質驗證效果，可以有效地應用于煤礦防治水工作中，為煤礦制定工作面防治水規劃及安全措施提供重要的參考依據。對于如何有效地應用瞬變電磁技術分析工作面頂板巖層富水性特征，本文結合井下工程實例進行說明。

1 工程實例背景概況

八連城煤礦井田南部規劃開采區域的西三軌道巷、回風巷沿著19#煤層底板掘進，在掘進過程中在西三軌道巷附近區域揭露5條較大斷層，分別為DF70正斷層(落差為0～43 m)、DF71正斷層(落差為0～28 m)、 DF72正斷層(落差為0～43 m)、DF73正斷層(落差為0～18 m)及F12正斷層(落差為0～88 m)。區域采掘工程平面圖見圖1。根據區域鉆孔巖性分析，區域19#煤層頂板巖層屬軟巖層，煤層頂板100 m高度范圍內巖層巖性以泥巖和粉砂巖互層為主，頂板巖層之間易形成較好的封閉空間。為了明確在斷層構造影響下區域頂板的富水性特征，從而制定相應的井下防治水措施，應用井下瞬變電磁探測技術對西三軌道巷、回風巷區域頂板進行富水性探測。

圖1 區域采掘工程平面圖

2 礦井瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法工作的基本原理是電磁感應定律，是利用不接地回線將通有一定電流的線框作為發射源設置于探測巷道內，發射源在發射斷開之前，在回線周圍的空間中形成一個較穩定的脈沖電磁場，并會引起導電的圍巖巖體中產生一定的感應電流。發射源斷電后，形成的電磁場也會隨之消失，磁場的瞬間變化通過探測巷道內的空氣和周圍的導電體傳到回線附近的圍巖體中并在圍巖體中激發出感應電流以維持之前存在的電磁場。

而井下常用的礦井瞬變電磁法同樣是依據電磁感應原理，實際就是將地面常用的瞬變電磁法用于煤礦井下，采用的儀器和數據反演時間窗口也與地面瞬變電磁法的基本相同。與地面瞬變電磁法不同的一點就是地面電磁法為半空間瞬變響應，而井下瞬變電磁法由于應用的巷道空間是被周圍巖體包圍的，瞬變響應不僅是來自于回線平面下部地層的響應，同樣存在來自于回線平面上部及兩側地層的瞬變響應，因此為全空間瞬變響應。基于井下瞬變電磁法的一些特點，井下瞬變電磁技術常常應用于一般常規物探方法較難探測的煤礦工作面頂、底板和巷道掘進頭巖層富水性的超前探測，但是井下瞬變電磁法受煤礦井下巷道勘探環境的限制，測量線圈大小受限，其實際探測深度不及地面探測深度，井下瞬變電磁探測一般深度在150 m以下。

3 施工參數選擇

基于八連城煤礦地質特點及井下開采環境，綜合對比各類物探儀器的優缺點，本次實施井下瞬變電磁法的探查儀器為礦用本安型瞬變電磁儀。依據本次井下探查任務的要求和巷道布置條件的實際情況，采用一般環境常用的2 m×2 m的多匝數矩形回線裝置進行測量。采用偶極裝置進行探測，發射線框為26匝，接收線框為60匝，相互獨立，探測時中間間隔一定距離，以便與地下(前方)異常體產生最佳耦合響應。探測測線布置在巷道內，測點間距為2～10 m。應用設置參數后對區域煤層頂板的富水性進行探測，確定含水體的空間位置，包括平面位置和深度范圍。探測儀器主要技術參數：發射電流≤3.2 A，發射頻率400 Hz、75 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、0.625 Hz，發射電壓8.4 V，測道數160道，AD轉換器24 bit，采樣間隔2 μs，最小信號分辨率1 μV，動態范圍160 dB，探測距離≥100 m。

4 井下探測工程施工方案

本次瞬變電磁施工區域主要位于八連城煤礦西三回風巷和西三軌道巷區域，探測西三回風巷和西三軌道巷聯絡巷口0～300 m 區域頂板富水性情況，每條巷道設計5條測線，分別為內側頂板60°、內側頂板75°、頂板90°、外側頂板75°、外側頂板60°，探測方向(即線圈法線方向與巷道頂板水平面所成角度)每條測線長300 m，每條測線點間距10 m，巷道測點布置如圖2所示。瞬變電磁法在兩條巷道中各布置5個方向的測線。頂板巖層的探測范圍覆蓋情況如圖3所示，基本上已經全部覆蓋工作面探測目標區域。西三回風巷、西三軌道巷探測方向及探測任務見表1。

圖2 巷道測點布置

圖3 瞬變電磁測線角度布置

巷道序號探測方向點數線長/m探測目的任務西三回風巷、西三軌道巷1內側頂板60°31300向巷道內側60°向上方探測控制范圍內巖層富水區分布情況,探測距離100m2內側頂板75°31300向巷道內側75°向上方探測控制范圍內巖層富水區分布情況,探測距離100m3頂板90°31300垂直向上探測控制范圍內巖層富水區分布情況,探測距離100m4外側頂板75°31300向巷道外側75°向上方探測控制范圍內巖層富水區分布情況,探測距離100m5外側頂板60°31300向巷道外側60°向上方探測控制范圍內巖層富水區分布情況,探測距離100m

5 瞬變電磁探測成果解釋

5.1 解釋原則

八連城煤礦19#煤層頂板直接含水層巖性多為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖，其中夾有透鏡狀分布的細砂巖、中砂巖、粗砂巖，正常情況下含水層與上部富含水層水力聯系較差，區域含水層單位涌水量為0.0069～0.0127 L/(s·m)，滲透系數為0.021～0.046 m/d，富水性較小，屬于弱含水層。

本次瞬變電磁探測的巖層電性特征視電阻率在0～90 Ω·m之間，井下采集的數據經過反演計算處理后，主要形成各探測方向二維電阻率剖面圖，用于推斷解釋西三回風巷和西三軌道巷區域富水區分布情況的電性特征。參照本次工作面瞬變電磁探測成果及區域地質特點，根據現場實測的圍巖電性特征，推斷工作面區域整體富水性不均一，大部分區域富水性較差，由于砂巖含水層的儲水特點，個別區域存在相對富水區，尤其是斷層構造帶區域裂隙相對發育，具有較好的儲水空間，富水特點相對較明顯。根據實測電阻率分布特點，把19#煤層頂板砂巖含水性與電阻率的一般對應關系大體分為2個級別：富水性相對較強，對應巖層的電阻率<8 Ω·m ；富水性相對較弱，對應巖層的電阻率>8 Ω·m 。

5.2 探測成果整體解釋

結合八連城煤礦現場施工情況和相關地質資料，對西三回風巷和西三軌道巷區域的富水性情況及電性特征有了整體認識，現綜合分析西三回風巷和西三軌道巷區域各探測角度礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖。西三回風巷及西三軌道巷頂板分別共進行了5個方向的探測，西三回風巷、西三軌道巷各測線礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖分別見圖4和圖5。

圖4 西三回風巷各測線礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖

圖5 西三軌道巷各測線礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖

結合巷道已經揭露的地質情況和巖性變化，對西三回風巷及西三軌道巷瞬變電磁探測數據劃定異常低阻區結果進行推測如下：

(1)西三回風巷從外側頂板60°方向—外側頂板75°方向—頂板90°方向—內側頂板75°方向—內側頂板60°方向剖面圖的整體視電阻率值逐步減小，圈定的低阻異常區依次增多，其中內側頂板60°方向剖面圖整體視電阻率值相對最低。圖4中各個瞬變電磁探測方向視電阻率等值線擬斷面圖中均圈定了整體相對低阻異常區，經分析這些圈定的低阻異常區為頂板砂巖裂隙水富水區反映，局部由于受到斷層帶的影響，頂板砂巖區域富水性反映更明顯。

(2)西三軌道巷從內側頂板60°方向—內側頂板75°方向—頂板90°方向—外側頂板75°方向—外側頂板60°方向剖面圖的整體視電阻率值逐步增大，圈定的低阻異常區依次減少，其中內側頂板60°方向剖面圖整體視電阻率值相對最低。圖5中各個瞬變電磁探測方向視電阻率等值線擬斷面圖中均圈定了整體相對低阻異常區，經分析這些圈定的低阻異常區為頂板砂巖裂隙水富水區反映，局部由于受到斷層帶的影響，頂板砂巖區域富水性反映更明顯。

西三回風巷和西三軌道巷探測斷面圖及物探綜合成果平面疊加效果如圖6所示。

圖6 物探綜合成果平面疊加圖

分析圖6可知，結合現場地質條件，整個探測區域內頂板圈定2處富水異常區域，而靠近斷層帶位置的頂板砂巖富水異常區域更明顯。分析這種現象的主要原因是由于斷層帶區域的頂板受到斷層構造力的影響，裂隙更為發育，儲水空間更好，因此富水性更加明顯。

6 結論及建議

(1)應用礦井瞬變電磁探測技術可以有效探測工作面頂板巖層含水體富水性特征，為煤礦制定工作面防治水規劃及安全措施提供有效的參考依據。

(2)在工作面采掘過程中，應對圈定的頂板富水異常區域尤其是斷層帶附近的富水異常區域制定合理的探放水計劃，提前預疏放，避免頂板局部富含水區突水造成意外的水害事故。

[1] 李宏杰.瞬變電磁探測技術在煤礦防治水中的應用[J].煤礦安全, 2013(4)

[2] 杜庫實,程久龍,王和固等.復雜斷層帶富水性礦井瞬變電磁法探測研究[J].中國礦業, 2013 (11)

[3] 吳有信,尹金柱.含水層富水性分布的瞬變電磁法探測實例[J].工程地球物理學報, 2012(6)

[4] 牟義,李文,黎靈.礦井瞬變電磁法在工作面頂板富水性探測中的應用[ J].煤礦安全, 2011(1)

[5] 張長明,劉英,劉耀寧. 綜合物探技術在礦井工作面底板巖層含水性探測中的應用[J]. 中國煤炭,2012(9)

[6] 別玉平,邢學玲.瞬變電磁法在梨園礦井下富水性探測中的應用[J].礦業安全與環保, 2010(6)

[7] 吳超凡,邱占林,陳棟.基于礦井瞬變電磁法探測巖層裂隙富水性研究 [J].中國煤炭, 2017(1)

[8] 何先富,劉金濤,王柱.瞬變電磁法在內蒙古門克慶井田富水性探測中的應用研究[J].工程地球物理學報, 2011(6)

[9] 劉勇洪.瞬變電磁技術在底板采空區富水性探測中應用[J].中國煤炭, 2017(1)

[10] 范濤,李文剛,王鵬等.瞬變電磁擬 MT深度反演方法精細解釋煤礦巖層富水性研究[J].煤炭學報, 2013(增1)

[11] 李術才,李凱,翟明華等. 礦井地面—井下電性源瞬變電磁探測響應規律分析[J]. 煤炭學報,2016(8)

[12] 李文剛. 瞬變電磁法在礦井防治水工作中的應用[J]. 中國煤炭,2015(12)

(責任編輯 郭東芝)

Application of TEM in analyzing the water-rich roof under the influence of fault zone

Zhang Rongcai1， Jiang Peng2,3， Li Ling2,3， Yang Yong2,3， Hao Zhipeng4

(1. Baliancheng Coal Industry Co., Ltd., Hunchun Mining (Group) Co., Ltd., Hunchun, Jilin 133300, China;2. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. State Key Laboratory of Coal Resources High-Efficiency Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China;4. Shanxi Academy of Building Research, Taiyuan, Shanxi 030001, China)

In order to detect the water-rich characteristics of roof of track roadway near fault zone in Baliancheng Coal Mine, based on the comprehensive analysis of the hydrogeological characteristics, the water-rich characteristics of roof were detected by using TEM. Through analysis and treatment of the collected field data, the water-rich characteristics were ascertained basically. The analysis results showed that under the influence of fault structure, the rock mass fissures in roof area near fault zone developed, and were more watery.

mine TEM, fault structure, water-rich characteristics detection, transient electromagnetic field

國家科技重大專項資助項目(2016ZX05045001-004)

張榮財，姜鵬，黎靈等. 瞬變電磁技術在探測斷層帶影響下頂板富水性的應用[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：44-48.ZhangRongcai，JiangPeng，LiLing，etal.ApplicationofTEMinanalyzingthewater-richroofundertheinfluenceoffaultzone[J].ChinaCoal, 2017, 43(7):44-48.

P

A

張榮財(1971-)，男，吉林汪清人，工程師，本科學歷，畢業于遼寧工程大學，從事煤礦技術管理工作。