瞬變電磁法在預測煤礦井下斷層走勢中的應用研究

邢 楷，王克南，樊林林，廉玉廣

(1.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048000； 2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向目標巖體發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用不同巖體物理電性的差異，通過接收不同的巖體因磁通量變化所產生的感應電流來了解其電信息差異[1-4]。這種斷電后各個時間段的二次場隨時間的變化規律，直接反映出不同深度的地電特征等地質信息[5-6]。礦井瞬變電磁法是將地面常用的瞬變電磁法應用于煤礦井下[7-8]，對常規物探方法較難探測的工作面頂、底板區域和掘進工作面迎頭區域進行探測，其基本原理與地面瞬變電磁法一樣[9-11]，采用儀器和測量數據的各種裝置形式和時間窗口也基本相同。礦井瞬變電磁法因為具有橫向分辨率[12-15]較高、異常體感應信號較強、探測靈敏度高等優點在煤礦相關地質工作中得到了大量應用。

通過對大量煤礦井下瞬變電磁法探測數據分析表明，當探測范圍內煤巖層連續及穩定時，能夠接收到隨探測深度均勻衰減的二次場信號[16-18]，其表現為瞬變電磁法探測結果中的視電阻率值[19-20]，從盲區外開始隨深度逐漸降低(圖1)。如果探測范圍內出現斷層構造時，必然會打破煤巖層原有的連續性及穩定性，這種變化將在其激發的二次場信號中表現出來，從而在探測結果中顯示出相應的變化。本文通過分析煤礦井下掘進工作面的連續2次瞬變電磁法探測結果及其二次場信號的變化，為礦井成功預測了巷道前方的斷層及其走勢，給礦井相關地質工作提供了有效幫助。

圖1 連續穩定煤巖層瞬變電磁法探測結果示意Fig.1 Schematic of transient electromagnetic detection results of continuous stable coal and rock strata

1 探測區域概況

山西晉煤集團趙莊二號井主要開采3號、15號煤層。其中3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖35.00～46.78 m，平均40.10 m。煤層厚0.35～6.61 m，平均厚4.26 m。含泥巖、炭質泥巖夾矸0～4層，一般1～2層，以距底板約0.50 m的一層較為穩定(厚度0.10～0.30 m)。3號煤層頂板為深灰巖泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖。

2 施工布置

礦井掘進工作面瞬變電磁法超前探測設計3個橫向探測方向(圖2(a))，分別是與巷道頂板呈30°夾角向前方頂板探測、順煤層方向向前方探測、與巷道底板呈30°夾角向前方底板探測。每個橫向探測方向布置橫向探測角度14個(圖2(b))，分別是左側幫(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°、90°)、右側幫(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，3個橫向探測方向共布置42個探測角度。

圖2 瞬變電磁法探測方向及探測角度示意Fig.2 Detection direction and angle of transient electromagnetic method

3 應用實例成果分析

探測地點位于趙莊二號井2103措施巷，開采3號煤層，煤厚為4.2 m。巷道在井下位置及周邊四鄰關系如圖3所示，圖3中距離2103措施巷南部90 m為已掘的西軌道大巷，再往南分別為西膠帶及西回風2條大巷，這3條盤區大巷在掘進過程中均揭露一條F91正斷層，其中在西回風及西膠帶揭露斷層處其斷距為4 m，西軌道揭露斷層揭露處斷距為3 m。斷層含水性較弱，該斷層在向北延伸過程中逐漸尖滅，但是否有延伸至2103措施巷的情況未知。

相比2103措施巷之前較為正常的探測結果，2103措施巷距C3導線點85 m處瞬變電磁法探測結果如圖4所示。從圖4探測結果能直觀地看到，從右側幫0°到左側幫105°范圍內視電阻率值整體偏高。將14個探測方向上的電壓特性曲線按上述角度范圍分成2部分，如圖5所示。

圖4 2103措施巷距C3導線點85 m處瞬變電磁探測成果Fig.4 Transient electromagnetic detection result of 2103 measure tunnel 85 m away from C3 traverse point

圖5(a)為左側6條測線的電壓特性圖，二次場電壓信號電壓集中在102～103；圖5(b)為剩余8條測線的電壓特性圖，二次場電壓信號電壓集中在101～102，整體相比前6條低一個數量級，表現為高視電阻率值。數據采集時現場施工環境較為理想，因此判定右側幫0°到左側幫120°范圍內高阻區域為高阻異常區域，結合巷道南部存在有 F91正斷層構造的地質情況，推斷該高阻異常為構造影響。

圖5 2103措施巷距C3導線點85 m處瞬變電磁原始數據電壓特性曲線Fig.5 Voltage characteristic curves of transient electromagnetic raw data of 2103 measure tunnel 85 m away from C3 traverse point

2103措施巷在生產過程中正常掘進63 m，煤層無明顯變化，在C4導線點以里39 m處再次進行瞬變電磁法探測。探測結果如圖6所示，左側45°至正前90°等方向存在較為明顯的高阻區域，分析其電壓特性后，這4條測線的電壓相比剩余10條測線又低1個數量級(圖7)。

圖7 2103措施巷距C4導線點以里39 m處瞬變電磁原始數據電壓特性Fig.7 Voltage characteristic diagram of transient electromagnetic raw data of 2103 measure tunnel 39 m away from C4 traverse point

圖6 2103措施巷距C4導線點以里39 m處瞬變電磁探測成果Fig.6 Transient electromagnetic detection result of 2103 measure tunnel 39 m away from C4 traverse point

將C4導線點以里39 m處的探測結果與C3導線點85 m處的探測結果疊加在一起放在采掘工程平面圖上后如圖8所示。很明顯能夠看出，這2次探測結果的高阻區域有從右側到正前方再到左前方變化的趨勢，同時結合南部3條大巷已揭露 F91正斷層及其走勢等相關地質情況，發現兩者在走向上存在較好的一致性，因此推斷第二次探測結果盲區附近的高阻區域為斷層影響區域，并且有可能會是F91正斷層從南部延伸過來，與巷道的方向斜交經過。因此提請礦方相關部門注意，在巷道掘進過程中有可能會揭露斷層構造。

圖8 兩次瞬變電磁法探測結果疊加示意Fig.8 Superposition of two TEM detection results

經過后期的跟蹤回訪，2103措施巷在距離C4導線點以里39 m的物探位置15 m處揭露正斷層，斷距為1 m。礦方相關部門隨后在2103措施巷內經過打鉆證實，該揭露正斷層與南部3條大巷揭露的F91正斷層屬同一條斷層。由圖9(a)所示，2次探測結果疊加在一起后呈現出的高阻區域的變化趨勢與斷層的走勢相一致，如圖9(b)所示。

圖9 斷層實際揭露情況與瞬變電磁法成果疊加Fig.9 Actual exposure of the fault and superposition of transient electromagnetic method results

4 結論

(1)瞬變電磁法作為煤礦井下超前探測的常用手段，不僅能夠反映出探測范圍內的富水性情況，同時也能在一定程度上反映出探測范圍內的斷層構造等地質信息。

(2)連續穩定的煤巖層能夠激發出隨探測深度均勻衰減的二次場信號，煤層中的斷層破壞了原有的連續性及穩定性，這種變化將會在其激發的二次場信號中有所表現，當斷層的含水性較弱時，在瞬變電磁法探測結果中表現為相對高視電阻率值。通過研究分析斷層所引起的二次場信號變化的規律，能夠給瞬變電磁法探測結果在斷層地質構造的解釋上提供幫助，進一步為煤礦相關地質工作提供可靠依據。但由于瞬變電磁法探測結果存在多解性，因此物探結果扔需要通過鉆探進行驗證。