基于三維數(shù)值模擬及礦井瞬變電磁法的導(dǎo)水構(gòu)造探測(cè)研究

孫 林，曹路通

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

我國(guó)大多數(shù)含煤盆地歷史上經(jīng)歷過(guò)多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，導(dǎo)致其多數(shù)煤層構(gòu)造發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng)[1]。隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采的不斷加深，煤層潛在的底板突水構(gòu)造及導(dǎo)水?dāng)嗔淹{日益加大。尤其是斷層、陷落柱以及巖溶等常見(jiàn)的隱伏災(zāi)害地質(zhì)體，在巷道掘進(jìn)或煤炭開(kāi)采過(guò)程中，若不能清晰地揭示這些災(zāi)害地質(zhì)體的空間方位特征，不能探明其富水狀況，將影響煤礦正常的掘進(jìn)及開(kāi)采進(jìn)程，甚至?xí)斐傻V井突水等嚴(yán)重災(zāi)害[2]。目前常用于井下富水異常區(qū)域地球物理超前探測(cè)的方法有直流電法、無(wú)線電波透視法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)、地震反射波法等。其中，礦井瞬變電磁法以其探測(cè)深度大、指向性好、效率高、對(duì)低阻異常反映靈敏等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用[3-6]。1998年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)首次在井下開(kāi)展了瞬變電磁法的實(shí)驗(yàn)研究，隨后于景邨[7]基于井下試驗(yàn)及物理模擬提出了時(shí)深轉(zhuǎn)換算法并開(kāi)展了井下干擾因素分析，為井下瞬變電磁法的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。薛國(guó)強(qiáng)[8]通過(guò)分析不同現(xiàn)況及電性地電情況，提出了計(jì)算瞬變電磁法探測(cè)深度范圍的方法和依據(jù)。王揚(yáng)州等[9]基于礦井瞬變電磁法超前探測(cè)理論，論證了該方法超前探測(cè)地質(zhì)異常的可行性。程久龍等[10]提出了礦井瞬變電磁波長(zhǎng)變換及綜合成像方法，實(shí)現(xiàn)了地層電性界面的精確定位。牟義[11]采用瞬變電磁法結(jié)合切片技術(shù)，探明了工作面頂板富水異常。為了提高地質(zhì)復(fù)雜條件下的探測(cè)精度，李江華等[12]采用瞬變電磁法和槽波勘探2種物探方法綜合探測(cè)，有效揭示了工作面內(nèi)部的導(dǎo)水構(gòu)造。袁德鑄[13]采用遠(yuǎn)距離聲波超前探測(cè)法和礦井直流電法，綜合查明了落差大于等于1/2煤層厚度的隱伏含水?dāng)鄬樱m然2種或2種以上綜合物探方法會(huì)提高探測(cè)精確度，但同時(shí)工程量增大，成本增加，且井下施工時(shí)間更長(zhǎng)，會(huì)造成影響生產(chǎn)進(jìn)度等諸多潛在問(wèn)題。

本文以內(nèi)蒙古烏海市滴力幫烏素煤礦西翼北部軌道下山存在的導(dǎo)水?dāng)鄬犹綔y(cè)為研究目標(biāo)，首先，基于目標(biāo)區(qū)域巖層地電特征及導(dǎo)水構(gòu)造賦存情況建立三維地質(zhì)模型，運(yùn)用Maxwell軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示區(qū)域?qū)畼?gòu)造的電磁響應(yīng)特征，為后期探測(cè)成果解譯奠定基礎(chǔ)；然后，利用礦井瞬變電磁方法，通過(guò)系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)采集、適應(yīng)性的處理、反演計(jì)算和綜合解釋，揭示了巷道左側(cè)幫及掘進(jìn)巷道掘進(jìn)面前方的導(dǎo)水?dāng)鄬?，修正了前期三維地震勘探所解釋該斷層的空間位置；最后，通過(guò)鉆孔實(shí)施了驗(yàn)證。因此，在區(qū)域三維地電模型數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)性的礦井瞬變電磁法采集—處理—解譯，可有效地探明區(qū)內(nèi)導(dǎo)水構(gòu)造的空間方位，證明了該方法的可靠性，為該區(qū)及相鄰地區(qū)的煤礦導(dǎo)水?dāng)鄬犹綔y(cè)提供了較好的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于桌子山背斜與崗德?tīng)枴鱽?lái)峰斷層之間，整體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向N20°W，地層產(chǎn)狀平緩，一般8°～12°，平均9°。區(qū)內(nèi)主要開(kāi)采石炭—二疊系的9號(hào)和16號(hào)煤層，其中16號(hào)煤層厚度1.25～7.05 m，平均厚3.87 m，屬厚煤層，目標(biāo)回采煤層。井田東翼為11采區(qū)，西翼為12采區(qū)。此次研究的軌道下山位于本井田西翼北部，為12采區(qū)的輔助運(yùn)輸。軌道巷施工至變坡點(diǎn)下部365 m處，巷道頂板、左幫、右?guī)途l(fā)現(xiàn)出水現(xiàn)象，經(jīng)注漿處理后，巷道兩幫及煤層頂板的滴淋水現(xiàn)象逐漸減小，但其掘進(jìn)面靠左幫水量變大，甚至總涌水量達(dá)65.8 m3/h，造成該巷道無(wú)法繼續(xù)向前施工。針對(duì)這種現(xiàn)象，需技術(shù)人員開(kāi)展探測(cè)工作，探明導(dǎo)水異常，為生產(chǎn)的持續(xù)安全推進(jìn)提供支持。

2 方法原理

2.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetics Method)是以地殼中巖(礦)石的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性差異為主要物質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射脈沖電磁波作為場(chǎng)源(一次脈沖磁場(chǎng))，在一次脈沖磁場(chǎng)的間隙，基于線圈或接地電極觀測(cè)地下目標(biāo)體在激發(fā)場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的感應(yīng)渦流場(chǎng)，研究該場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律，進(jìn)而解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的一種時(shí)間域電磁法[14-16]。一般情況下，在探測(cè)方向?qū)щ妿r礦體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在斷電后，由于熱損耗會(huì)隨時(shí)間衰減，該衰減過(guò)程可分為早期、中期和晚期。其中，早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；晩期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[7]。

2.2 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法的基本理論與地面瞬變電磁法基本一致。但由于在地下數(shù)百米深度內(nèi)的巷道里實(shí)施探測(cè)的，電磁場(chǎng)呈全空間的分布特征，即為瞬變電磁全空間響應(yīng)，此時(shí)在線圈的兩側(cè)都會(huì)產(chǎn)生“煙圈效應(yīng)”(圖1)。

圖1 全空間瞬變電磁場(chǎng)的傳播Fig.1 Propagation of transient electromagnetic field in full space

在井下實(shí)施探測(cè)時(shí)，以線框法線方向和目標(biāo)探測(cè)方向一致，在發(fā)射線圈內(nèi)通以躍階電流，并通過(guò)接收線圈觀測(cè)二次場(chǎng)?；诙螆?chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化，揭示了有效探測(cè)距離內(nèi)目標(biāo)體的電磁響應(yīng)規(guī)律，通過(guò)對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的處理和解譯進(jìn)而揭示目標(biāo)方向有效范圍內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象，如異常的空間方位、異常體的大小、異常幅度等，進(jìn)而為煤礦的安全、高效生產(chǎn)提供地質(zhì)依據(jù)[7，17]。礦井瞬變電磁法探測(cè)過(guò)程中，線圈接收到的是巷道周圍全空間內(nèi)有效探測(cè)距離內(nèi)所有巖層電性特征的綜合響應(yīng)。因此，礦井瞬變電磁測(cè)得的區(qū)域視電阻率應(yīng)為探測(cè)區(qū)域內(nèi)全空間巖層電性特征的綜合響應(yīng)，相應(yīng)的視電阻率的計(jì)算公式演化為[18]：

10-12(SN)2/3(V/I)-2/3t-5/3

式中，C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S為發(fā)射線圈面積；N為發(fā)射線圈匝數(shù)；t為二次場(chǎng)衰減時(shí)間；V為感應(yīng)電位；I為激發(fā)電流強(qiáng)度。

3 三維數(shù)值模擬

不同的巖性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組分、礦物成分、物性等的差異會(huì)導(dǎo)致其電阻率值不同，使同一種巖性其內(nèi)部受孔—裂隙、是否含破碎帶、含水體和軟弱夾層等的影響也會(huì)導(dǎo)致其電阻率值存在較大的差異[19-20]。區(qū)內(nèi)16號(hào)煤層頂板為深灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖，底板為灰泥質(zhì)砂巖、泥巖。基于區(qū)域鉆孔煤層段三側(cè)向電阻率曲線表明煤層段電阻率明顯高于頂?shù)装迤渌麑游坏碾娮杪省Ｃ簩优c圍巖間電性差異越大，其電磁響應(yīng)越明顯，其探測(cè)效果越顯著。結(jié)合地層巖性及電性分布，建立了如圖2(a)中的地電模型：泥質(zhì)砂巖頂板、中部煤層、導(dǎo)水構(gòu)造和巷道以及砂質(zhì)泥巖底板。其中，空巷電阻率最高為10 000 Ω·m，煤層為450 Ω·m，而導(dǎo)水構(gòu)造帶的電阻率最低(20 Ω·m)。地電模型中的具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖2 三維模型及其超前探測(cè)正演結(jié)果Fig.2 3D model and forward modeling results of advanced detection

表1 正演模型地電參數(shù)Tab.1 Geoelectric parameters of forward model

基于巷道掘進(jìn)面靠左幫水量變大現(xiàn)場(chǎng)情況，建立模型過(guò)程中將導(dǎo)水構(gòu)造帶設(shè)置在掘進(jìn)面左幫前方50 m方位(圖2(b))。模型超前探測(cè)正演結(jié)果如圖2(c)所示，揭示了掘進(jìn)面前方視電阻率分布情況。其中，在巷道掘進(jìn)面的位置由15 m左右的盲區(qū)，左右側(cè)幫及正前方有效探測(cè)距離80 m。整體來(lái)看，在掘進(jìn)面左前方30°～60°方位，存在1個(gè)明顯的低阻異常現(xiàn)象，異常范圍距離掘進(jìn)面在45～60 m，其余區(qū)域?yàn)橹懈咦桧憫?yīng)。該正演結(jié)果的異常空間位置與模型中異常體的相對(duì)位置較為吻合，表明了瞬變電磁法超前探測(cè)方法可以在本區(qū)較為準(zhǔn)確地揭示掘進(jìn)面前方的異常地質(zhì)現(xiàn)象。

4 富水異常探查及驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)采集方案

研究區(qū)前期地面三維地震勘探解釋的SF32斷層發(fā)育于該掘進(jìn)巷道的左側(cè)并延伸至掘進(jìn)面正前方，在掘進(jìn)面前方存在SF31斷層，鑒于在注漿處理后，巷道兩幫及煤層頂板的滴淋水現(xiàn)象逐漸減小，但其掘進(jìn)面靠左幫水量變大，總涌水量達(dá)65.8 m3/h，此次探測(cè)在實(shí)施掘進(jìn)面超前探測(cè)的同時(shí)在巷道的左側(cè)幫上也進(jìn)行了工作布置。具體工作探測(cè)區(qū)域如圖3所示。

圖3 探測(cè)區(qū)域示意Fig.3 Schematic of detection area

此次探測(cè)在掘進(jìn)面完成斜向上45°、水平方向以及斜向下45°三個(gè)超前探剖面，每個(gè)剖面都完成了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°共13個(gè)角度的測(cè)量。左側(cè)剖面按10 m的點(diǎn)距完成斜向下45°、水平剖面以及垂直向下剖面3個(gè)剖面各310 m的探測(cè)。此次礦井瞬變電磁探測(cè)采用最新Terra-TEM型瞬變電磁儀。2 m×2 m的多匝重疊回線裝置，發(fā)射線框?yàn)?0匝，接收線框?yàn)?0匝。

4.2 數(shù)據(jù)處理及成果分析

采用礦井瞬變電磁法探測(cè)精細(xì)處理軟件系統(tǒng)，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、磁場(chǎng)計(jì)算、視電阻率計(jì)算、基于煙圈理論的數(shù)據(jù)反演、深度校正、時(shí)深轉(zhuǎn)換等處理，獲得了掘進(jìn)面超前探和巷道左側(cè)幫多角度瞬變電磁探測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)及其圖件，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景進(jìn)行成果分析和解譯。

(1)巷道左側(cè)幫多角度探測(cè)成果分析。巷道左側(cè)幫視電阻率等值線如圖4所示。圖4(a)中，該區(qū)域整體電阻率值偏小，相對(duì)低電阻率異常明顯，距巷道45～50 m處為視電阻率轉(zhuǎn)換臨界深度，45 m以深為低電阻率異常反映，45 m以淺為中—高電阻率反映?；诖?，探測(cè)深度45～50 m以里的區(qū)域?yàn)楦凰惓０l(fā)育，推斷富水性較強(qiáng)。而從巷道左側(cè)幫斜向下45°視電阻率等值線圖可以看出，該區(qū)域揭示的相對(duì)低電阻率異常不甚明顯(剖面50～70 m處為干擾引起的低阻響應(yīng))，在75～85 m深度存在一視電阻率轉(zhuǎn)換臨界面，該深度在水平和垂向上和圖4(a)中的視電阻率轉(zhuǎn)換界面相對(duì)應(yīng)。由圖4(c)可知，在巷道下部有效探測(cè)距離以內(nèi)(100 m范圍內(nèi))均為中高阻反映，無(wú)低阻異常，認(rèn)為巷道下部無(wú)富水異常發(fā)育。

圖4 左側(cè)幫多角度視電阻率等值線Fig.4 Apparent resistivity contour map direction of left side slope

綜合分析巷道左側(cè)幫不同角度瞬變電磁視電阻率探測(cè)成果(圖4)，表明在巷道水平方向45～50 m處存在1個(gè)視電阻率轉(zhuǎn)換臨界面，該臨界面以深為低電阻率異常反映，以淺為中—高電阻率反映。在巷道斜向下45°探測(cè)結(jié)果中視電阻率轉(zhuǎn)換臨界面與水平方向探測(cè)相吻合，在垂直向下探測(cè)中未揭示低阻異常。綜合認(rèn)為，該導(dǎo)水?dāng)鄬釉谙锏雷髠?cè)幫，且距巷道左側(cè)幫水平方向45～50 m的位置。

(2)掘進(jìn)面超前探多角度探測(cè)成果分析。軌道下山巷道掘進(jìn)面斜向上45°、水平方向和斜向下45°超前探視電阻率等值線如圖5—圖7所示。不同角度探測(cè)結(jié)果顯示，各個(gè)角度上其電阻率普遍較低，表明在巷道掘進(jìn)面的前方總體富水異常較發(fā)育。圖6清晰地揭示了在巷道掘進(jìn)面左側(cè)40 m和前方40 m范圍內(nèi)表現(xiàn)為相對(duì)高電阻率反映，大于40 m的區(qū)域呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象，表明該導(dǎo)水?dāng)鄬拥奈恢檬窃诰蜻M(jìn)面的左側(cè)和前方，這與巷道左側(cè)幫呈現(xiàn)的視電阻率特征及其推斷的導(dǎo)水?dāng)鄬臃轿幌嘁恢?。掘進(jìn)面斜向上45°超前探視電阻率特征(圖5)表明左側(cè)距離40 m以外為低電阻率反映，水平方向超前探視電阻率特征(圖6)表明左側(cè)距離60 m以外為低電阻率反映，而斜向下45°超前探視電阻率特征(圖7)表明左側(cè)距離80 m以外為低電阻率反映，由此可以推斷該斷層是向巷道的左側(cè)傾斜，這與地面三維地震推斷的斷層傾向也一致。

圖5 斜向上45°超前探視電阻率等值線Fig.5 Apparent resistivity contour map of 45° upward

圖6 水平方向超前探視電阻率等值線Fig.6 Apparent resistivity contour map in horizontal direction

圖7 斜向下45°超前探視電阻率等值線Fig.7 Apparent resistivity contour map inclined downward 45°

4.3 綜合分析

基于巷道左側(cè)幫探測(cè)及巷道掘進(jìn)面不同角度超前探測(cè)成果這里對(duì)前期三維地震解釋斷層位置進(jìn)行了修正(圖8)。圖8中，原來(lái)由地面三維地震揭示的斷層，即SF32斷層呈現(xiàn)NW-SE向穿過(guò)巷道及掘進(jìn)面位置，且存在此次礦井瞬變電磁左側(cè)幫剖面的相對(duì)高電阻率反映，這與現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)面靠左幫總涌水量65.8 m3/h的事實(shí)不符。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，并沒(méi)有揭露該斷層，表明三維地震解釋的斷層位置及其精度存在一定的誤差。而此次礦井瞬變電磁探測(cè)方法，依據(jù)左側(cè)幫及巷道掘進(jìn)面視電阻率剖面上的低阻異常分布規(guī)律對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬拥奈恢眠M(jìn)行了重新厘定，圖8中的粗虛線為本次綜合解釋的斷層展布特征。該斷層在距巷道左側(cè)幫水平方向45～50 m的區(qū)域，延伸至掘進(jìn)面左前方40 m區(qū)域出現(xiàn)了向掘進(jìn)面前方偏右方向的偏移，且在掘進(jìn)面方向的視電阻率剖面上的低電阻率異常較顯著，推斷SF32導(dǎo)水?dāng)鄬釉谠摲秶鷥?nèi)的富、導(dǎo)水性較強(qiáng)。

圖8 綜合推斷成果Fig.8 Comprehensive inference result

4.4 驗(yàn)證情況

根據(jù)礦井瞬變電磁法的探測(cè)分析成果，分別在左側(cè)幫、右側(cè)幫和巷道掘進(jìn)面布置了鉆探工作，左側(cè)幫的鉆孔剖面50 m處和10 m處，分別水平鉆進(jìn)，結(jié)果在前方40 m處出現(xiàn)地層破碎現(xiàn)象，斷層得到揭露，與礦井瞬變電磁推斷的導(dǎo)水?dāng)鄬游恢孟嘁恢?。同時(shí)，在右側(cè)幫也進(jìn)行了水平鉆探工作，雖然水平鉆進(jìn)60 m，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)巖層破碎現(xiàn)象，也沒(méi)有水量涌出。由于推斷SF32斷層在掘進(jìn)面前方方向發(fā)生了變化，與掘進(jìn)面方向垂直，為了安全起見(jiàn)，鉆探工作進(jìn)行前在巷道掘進(jìn)面砌了厚20 m的密閉墻，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了多個(gè)鉆孔的鉆探工作，結(jié)果是在掘進(jìn)面正前方鉆進(jìn)到40m時(shí)開(kāi)始出水，鉆進(jìn)深度越大，則出水量越大，水的壓力也越大。也就是說(shuō)，在掘進(jìn)面正前方反映的出水量比在左側(cè)幫大，這種現(xiàn)象在剖面視電阻率絕對(duì)值上也得到明顯反映。

綜合表明，SF32導(dǎo)水?dāng)鄬釉诖舜蔚V井瞬變電磁法探測(cè)中得到了明顯的電性異常響應(yīng)。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果，準(zhǔn)確反映了SF32導(dǎo)水?dāng)鄬拥奈恢门c導(dǎo)水性，修正了地面三維地震解釋斷層位置的誤差，為下一步導(dǎo)水?dāng)鄬拥淖{治理提供了良好的地質(zhì)依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)基于區(qū)域地電特征的三維數(shù)值模擬正演可以揭示區(qū)內(nèi)異常構(gòu)造的電磁響應(yīng)特征，明確響應(yīng)現(xiàn)象，為后期數(shù)據(jù)處理及資料解釋提供依據(jù)。

(2)基于巷道左側(cè)幫和掘進(jìn)面超前探測(cè)，綜合分析明確了SF32導(dǎo)水?dāng)鄬拥姆轿唬诰嘞锏雷髠?cè)幫45～50 m的區(qū)域呈東西向展布，延伸至掘進(jìn)面左前方40 m區(qū)域出現(xiàn)了向北西方向的轉(zhuǎn)向。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證了該導(dǎo)水?dāng)鄬拥姆轿弧?/p>

(3)此次探測(cè)基于區(qū)域地電特征實(shí)施三維數(shù)值模擬正演揭示區(qū)內(nèi)異常構(gòu)造的電磁響應(yīng)特征，并通過(guò)有針對(duì)性的礦井瞬變電磁法探測(cè)及解釋，可以較為有效地揭示區(qū)內(nèi)異常地質(zhì)現(xiàn)象，為礦井防治水工作提供了良好的地質(zhì)依據(jù)。