西山礦區地質異常體瞬變電磁響應規律研究

劉志明

(西山煤電(集團)有限責任公司 地質處，山西 太原 030300)

一般礦井透水主要是由掘進端頭前方隱伏導水斷層、富水陷落柱等突水構造引起的[1-5]。目前，對斷層、陷落柱等導水構造的認識和研究還不夠深入透徹。煤礦地測部門應該做好工作面的地質預報工作，查明斷層、陷落柱、低阻體的導含水特性，掌握其與強富水區的水力聯系情況，盡力避免因地質異常體引起的水害事故的發生。

瞬變電磁法對低阻地質異常體的反應比較敏感，近幾年被廣泛應用于探測煤層富(含)水異常情況[5-10]。西山礦區地質和水文地質條件十分復雜，各礦均受到不同程度的水害威脅，在西山礦區開展瞬變電磁響應研究，分析斷層、陷落柱、含水層等地質異常體的瞬變電磁響應特征，掌握礦井地質異常體情況，對保障礦井安全并朝智能化、高質量方向發展具有重大意義。

1 西山礦區地質概況

西山礦區地層屬于石炭、二疊系含煤盆地，較老的巖層廣泛分布于礦區西部、北部，形成了向南傾斜的復式向斜盆地[11-12]。區內各地層主要是全新統、第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系。主要含煤地層有二疊系的山西組和石炭系的太原組，其主要巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層、灰巖等。

西山煤電集團本部8個礦井中最具有代表性的是鎮城底礦。該礦地質構造、水文地質條件復雜，全區帶壓開采，斷層、陷落柱較發育，采掘過程中既受斷層、陷落柱的影響，又受各種水害特別是奧陶系灰巖裂隙水的嚴重影響。

斷層、陷落柱是西山礦區較為常見的地質異常體[13-14]。西山礦區的陷落柱多為大小不一的不規則圓形或橢圓形，分布上有一定的條帶性和區域性規律，充填巖石比較散亂，兩側巖層產狀變化明顯[15]，同時伴有較多小的正斷層、裂隙，往往充填致密、不導水。

2 瞬變電磁響應特征分析研究

2.1 瞬變電磁法

2.2 斷層的響應特征分析研究

斷層、陷落柱的瞬變電磁響應規律由其大小、發育規模、導水性等因素決定[20]。在掘進過程中揭露斷層時，當巷道與頂、底板含水層的頂界面距離減小甚至對接時，可能造成突水事故[5]。數值模型依據西山礦區地層層序、厚度及電性特征情況進行設計。

設計巷道掘進過程中遭遇突水斷層的模型：上覆地層電阻率ρ為500 Ω·m；第2層ρ為50 Ω·m，厚度40 m；煤系地層ρ為100 Ω·m，厚度140 m；強含水層ρ為1 Ω·m，厚度40 m；下伏地層為高阻層，ρ為500 Ω·m；激發源與強含水層頂界面距離為100 m。模型的激發源位于模型中煤系地層的幾何中心，平行層面激發，斷層面與激發源的水平距離40 m，斷層為正斷層，左側為上盤，右側為下盤，斷距H為40 m。

斷層數值模型瞬變電場各時刻磁場強度等值線分布如圖1所示，磁場強度單位為A/m。

圖1 斷層數值模型瞬變電場各時刻磁場強度等值線分布云圖

從圖1可以看出：在瞬變電磁場感應11～103 μs時，瞬變電場分布于激發源周圍，瞬變電場的外部邊緣剛好散布至斷層面附近，感應電流的密度中心位于激發源所在平面上，并且垂直于斷層面；在123～683 μs時，瞬變電場越過斷層面，此時瞬變電場受到了斷層的影響，上部分的瞬變電場的密度中心向斷層上盤偏離移動，而下部分的瞬變電場的密度中心向斷層面附近偏離移動；直到感應時間大于1 083 μs時，瞬變電場散布至更大的空間，相對低阻層開始主導瞬變電場的散布，瞬變電場密度中心沿斷層抬升方向拉伸，上部分的瞬變電場的密度中心向斷層下盤偏離移動，而下部分的瞬變電場的密度中心向斷層上盤偏離移動。

斷距H為0、40、60、80、100 m時，激發源處瞬變磁場的響應特征曲線如圖2所示。從圖2可以看出：當H為40、60 m時的響應幅值均小于H為0 m的響應幅值；當H為100 m時，在巷道中揭露強含水層，響應幅值最強，遠遠高于其他情況下的瞬變電磁場響應。

2.3 陷落柱的響應特征分析研究

2.3.1 含水陷落柱(低阻陷落柱)[21]響應特征

陷落柱含水是導致礦井突水的主要原因之一。

圖2 不同斷距源點處瞬變磁場響應曲線

井下掘進過程中揭露含水陷落柱的模型如下：上覆地層電阻率ρ為500 Ω·m；第2層ρ為50 Ω·m，厚度為80 m；煤系地層ρ為100 Ω·m，厚度為80 m；煤系地層之下ρ為50 Ω·m，厚度為80 m；下伏地層為高阻層，ρ為500 Ω·m；陷落柱ρ為1 Ω·m，高為240 m，直徑d為40 m，陷落柱與激發源的水平距離為40 m。模型的激發源設計在煤系地層的幾何中心，激發時要平行于煤系地層的層面進行[22]。

分別為印多爾：49%、密魯特：36%、德里：30%、那格浦爾：22%、孟買：18%、海德拉巴：11%、金奈：6%、加爾各答：4%。（數據來源：印度全國家庭健康調查）

含水陷落柱物理模型瞬變電場各時刻磁場強度等值線分布如圖3所示，磁場強度單位為A/m。

圖3 低阻陷落柱各時刻瞬變電磁場強度等值線分布云圖

由圖3可知：在9～43 μs時，瞬變電場均分布于激發源的四周；在83～203 μs時,瞬變電場逐漸向陷落柱的內部分散，感應電流密度中心位置逐漸移動到了陷落柱的內部，瞬變電場的時空分布開始受到陷落柱的影響;直到1 083 μs時，感應電流的密度中心已完全轉移到陷落柱內部的中心位置，并且沿著垂直方向慢慢地散布并逐漸衰減。

2.3.2 不含水陷落柱(高阻陷落柱)響應特征

當陷落柱為不含水的高阻體時，設置其電阻率ρ為200 Ω·m，源點處各時刻的瞬變電磁場強度等值線分布情況見圖4，磁場強度單位為A/m。

由圖4可知:受陷落柱的影響，激發源右半空間感應電流衰減較快，而不含陷落柱的左半空間平均電阻率相對較小，感應電流衰減較慢，致使感應電流密度中心向遠離陷落柱的方向移動;1 083 μs時，感應電流密度中心已經完全離開陷落柱中心，直到感應電流完全衰減。

圖4 高阻陷落柱各時刻瞬變電磁場強度等值線分布云圖

2.3.3 不同電阻率值陷落柱響應特征

陷落柱電阻率ρ分別為1、5、10、50、100、200 Ω·m時源點處瞬變磁場響應曲線見圖5。

圖5 不同電阻率陷落柱的瞬變磁場響應曲線

由圖5可知，在0.01 ms以前，瞬變電磁場未擴散至陷落柱，源點處的瞬變電磁響應不受陷落柱的影響，源點處瞬變磁場響應完全重合。隨著瞬變電磁場慢慢地擴散，瞬變電場的時空分布受到了陷落柱影響，當陷落柱的電阻率越小時，與激發源所在巖層的電性差異越大時(圖中激發源所在巖層電阻率大于陷落柱電阻率10倍)，瞬變磁場響應也就越強；當陷落柱電阻率越大時，與激發源所在巖層電性差異減小(圖中激發源所在巖層電阻率小于陷落柱電阻率的2倍)，瞬變磁場響應也就越弱，源點處響應幅值差值越小。

2.3.4 不同激發距離陷落柱響應特征

激發源與電阻率ρ為10 Ω·m的陷落柱在不同距離s情況下的瞬變磁場響應曲線如圖6所示。

圖6 激發源與陷落柱不同距離的瞬變磁場響應曲線

由圖6可知:3條曲線在0.01 ms前完全重合，陷落柱距源點40 m的響應曲線首先分離，響應幅值遠大于另外兩個距離的響應幅值；陷落柱距源點80 m與120 m的響應曲線在0.02～1.00 ms分離，其中120 m的響應幅值略高于80 m的響應幅值；1.00 ms后80 m與120 m的響應曲線又基本重合在一起。

2.4 灰巖含水層瞬變電磁場響應特征

在煤礦井巷掘進過程中，煤層頂底板因受采動影響發生應力變化而產生裂隙時，可能會導致底板灰巖含水層水突水事故的發生[23]。礦井典型的底板灰巖含水層模型：上覆地層電阻率ρ為500 Ω·m；第2層ρ為50 Ω·m，厚度40 m；煤系地層ρ為100 Ω·m，厚度100 m；強含水層ρ為1 Ω·m，厚度40 m；下伏高阻基底層ρ為500 Ω·m。激發源距強含水層頂界面50 m，位于模型幾何中心，垂直層面激發。

灰巖含水層電阻率ρ分別為1、5、10、20、50、100 Ω·m 時，源點處瞬變磁場時間變化率的響應曲線如圖7所示。

圖7 不同電阻率灰巖含水層的瞬變磁場響應曲線

由圖7可知：在0.1 ms以前，瞬變電磁場未擴散至灰巖層，此時灰巖層不會對電磁場響應產生影響，因而源點處瞬變磁場響應完全重合；隨著瞬變電磁場的擴散，含水層開始對瞬變電場的時空分布產生影響，含水層與激發源所在巖層電性差異越大，響應越強，探測的感應磁場變化越大，其在中間段探測的響應值越小，在尾支探測的響應值越大。

3 結語

通過數值模擬正演對西山礦區斷層、陷落柱、灰巖含水層等典型地質異常體模型進行了分析，得到地質異常體的瞬變電磁響應規律。

1)采用瞬變電磁法在井下巷道中探測斷層時，斷層面與掘進工作面端頭激發源的距離對探測結果影響較大。探測含水層時，探測效果受到激發源所在巖層的厚度、電性特征，以及含水層電性特征、含水層與源點的距離的影響。含水層與激發源所在巖層的電性差異越大時，瞬變電磁響應越強烈，探測含水層的成果越可靠。

2)采用瞬變電磁法探測含水陷落柱時，感應電流密度中心逐漸向陷落柱中心移動，最后重合；不含水陷落柱的瞬變電感應電流密度中心向遠離陷落柱的方向移動，直到完全衰減。用瞬變電磁法探測陷落柱時，激發源所在巖層的電阻率值至少應為陷落柱巖性電阻率值的2倍，探測成果才滿足要求。