复杂断层带富水性矿井瞬变电磁法探测研究

杜库实，程久龙，王和固，闫国才，王作路

（1.国投新集能源股份有限公司口孜东矿，安徽 阜阳236000；2.中国矿业大学 （北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083）

矿井突水不仅可能发生在工作面回采过程中底板或顶板以及巷道掘进过程中的巷道顶底板、迎头以及两侧帮，而且也有可能发生在断层、陷落柱等容易起到导水通道作用的地质构造中，这都可能造成局部或大面积出水而导致灾害事故。因此，有必要利用矿井地球物理方法在井下对回采工作面或掘进巷道进行超前探测，为工作面安全高效回采和巷道安全掘进提供可靠的地质资料。近年来，对于岩层富水性的井下探测，主要地球物理方法是矿井瞬变电磁法和矿井直流电法等，由于矿井瞬变电磁法相对其他物探方法具有较多优点而被广泛应用到工作面回采过程中含水性探测和巷道掘进过程中的超前探测，并取得较好的探测效果［1－3］。对于断层带富水性的探测，断层带往往在巷道的侧方，因井下巷道空间狭小，探测难度大。本文主要探讨利用矿井瞬变电磁法对复杂断层带的富水性进行探测，地质效果较好。

1 矿井瞬变电磁法基本原理

矿井瞬变电磁法基本原理类似于地面瞬变电磁法，探测采用的仪器及采集到的数据格式也基本相同。由于井下巷道条件有限，探测一般采用的是小于3m的多匝小回线组成的重叠正方形线框，探测深度一般在100m左右。地面瞬变电磁法反应的是来自地表之下半空间地层中的瞬变电磁响应，而矿井瞬变电磁法反应的是来自回线平面两侧（或上下）全空间地层的瞬变电磁响应，该响应在地层中的扩散规律即为人们所说的“烟圈效应”［2］。

由于矿井瞬变电磁仪接收到的归一化感应电位值反应了巷道周围空间可探测范围的全部岩层的电性特征，所以视电阻率也相应反应了巷道周围全空间岩层的电性特征［2］，视电阻率的计算公式为

式中，B为比例系数，用来表征井下和地面的对应关系；C为全空间响应系数；S与s分别为接收回线与发射回线的面积；N与n分别为对应回线的匝数；t为二次场的衰减时间；V／I为接收到的归一化二次场感应电位。

2 断层带富水性的地球物理响应特征

由于断层的存在使得地层的连续性受到破坏，从而造成地层的电性特征在横向和纵向上的变化。一般说来，断层带不含水时电阻率相对较高；断层带含水时其导电性变好，当断层带弱含水时电阻率相对较低，当断层带中等含水或强含水时电阻率相对更低，即断层带含水性越强其电阻率越低，断层破碎带发育和含水程度不同电阻率降低情况也不同。另外，因断层造成地层升降，断层两盘的岩性变化同样会造成电阻率的变化，因此，通过探测断层破碎带岩层的电阻率及其变化规律，可以查明断层带的富水特征［1，4］。

3 矿井瞬变电磁法探测技术

矿井瞬变电磁探测采用的是澳大利亚生产的Terra－TEM型瞬变电磁仪，发射电流在3A左右，频率为50Hz，发射线框和接收线框都是2m×2m，发射线圈40匝，接收线圈60匝，而且该仪器抗干扰能力强、自动化程度高、适应力强等。实际测量时，采用多匝重叠回线装置，这样在探测过程中可以充分接近所探测异常体从而达到最佳耦合效果。在超前探测中，为探明迎头前方断层带的含水情况，数据采集工作采用多方向组合形成立体探测［4－5］，以减小探测环境的干扰，提高探测精度。

图1为巷道顶底板及顺层方向矿井瞬变电磁超前探测方式，若线框水平放置于巷道，则探测巷道正上方顶板或正下方底板一定范围的电阻率分布；若线框倾斜放置于巷道，则探测巷道侧上方顶板或侧下方底板一定范围的电阻率分布；若线框垂直放置于巷道迎头后方，转换不同角度则可探测掘进头前方或侧方一定范围的电阻率分布。根据电阻率分布情况推断顶底板及沿掘进方向岩层的含水性。

图1 掘进巷道前方及侧向矿井瞬变电磁探测方式

4 工程应用

某矿111304工作面胶带顺槽巷道掘进施工到切眼下口附近时，迎头出现涌水，水压不大，涌水量稳定，约3m3／h，初步分析是迎头前方断层带（DF15断层和DF3逆断层）引起的出水，因DF15断层和DF3逆断层的边界和含导水性不确定，给巷道掘进和工作面回采带来安全隐患。因出水点处在切眼位置，为了确保111304工作面回采过程中生产安全，需要确定巷道出水的水源位置及范围，以便采取科学的防治水措施，最终确定采用矿井瞬变电磁法进行胶带顺槽切眼下口迎头复杂断层带富水性超前探测。

4.1 探测方案

根据实际巷道条件，且要避开瞬变电磁探测盲区，分别在111304工作面胶带顺槽切眼下口迎头J55＋7m位置和迎头后退20m在J55－13m位置处进行了两个位置的超前探测，超前探测测点及探测方向布置示意图见图2。为了确定出水水源是否来自底板岩层还是顶板岩层，同时进行了J55＋3m到J55－13m段剖面探测，点距2m。

图2 超前探测测点及探测方向布置示意图

4.2 地质解释和成果

图3为111304工作面胶带顺槽（J55＋7m）实测电阻率沿巷道掘进方向平面图及剖面图。从图3（a）中可以看出，平面上低阻特征明显，主要低阻异常区位于DF15断层和DF3断层之间，且低阻区范围不大，表明主要含水岩层位于DF15断层下盘和DF3断层上盘岩层。从图3（b）中可以看出，剖面上低阻特征明显，主要低阻异常区位于DF15断层和DF3断层之间，且低阻区范围不大，表明主要含水岩层位于DF15断层下盘和DF3断层上盘岩层，并且，两断层之间煤层底板岩层的电阻率较顶板岩层的电阻率低，判断顶板岩层为相对弱富水性，而底板岩层为相对弱到中等富水性。进一步判断胶带顺槽切眼下口出水是以底板砂岩水通过断层破碎带涌水为主，顶板砂岩水通过断层破碎带涌水为辅。考虑到两断层之间的低阻区范围不大，判断断层带富水是以静储量为主。

图3 111304面胶带顺槽切眼下口J55＋7m位置实测电阻率沿巷道掘进方向平面图及剖面图

4.3 地质验证

因111304工作面回采中切眼附近的岩层会受到采动破坏影响，所以，该工作面回采前要对断层带含水区进行打钻放水疏干，确保回采生产安全。结合矿井瞬变电磁探测成果，在断层带低阻区布置了3个钻孔进行放水，历时40天全部疏干，放水约2万m3。

5 结论

利用矿井瞬变电磁法对断层带富水性进行了立体探测，并且通过打钻验证断层带出水位置与探测结果吻合较好，在断层带富水性探测中具有很好的地质效果。通过迎头不同位置、不同断面、不同方向的立体超前探测电阻率平面图和剖面图，可以直观地显示迎头前方断层带存在的低阻异常区，从而推断断层带富水性及富水范围，为巷道掘进和工作面回采过程中的水害防治提供真实可靠的资料。由于矿井瞬变电磁法同其它地球物理方法一样，存在多解性，而且在井下受电磁干扰影响较大，因此有必要结合地质、水文及钻探等方面资料进行综合分析和解释，确保探测效果更好。

［1］程久龙，姜国庆，王玉和，等.矿井深部采掘隐患水体综合地球物理精细探测研究［C］.第七次煤炭科学技术大会文集［A］.北京：煤炭工业出版社，2011.

［2］于景邨.矿井瞬变电磁法勘探［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007.

［3］李云波，李好.矿井瞬变电磁法富水体超前探测原理及应用研究［J］.矿业安全与环保，2013，40（2）：69－72.

［4］姜国庆，程久龙，王玉和，等.矿井瞬变电磁法探测工作面顶板岩层含水性研究［J］.煤矿安全，2010（10）：47－49.

［5］朱若军，程久龙，张要田，等.矿井工作面开采水文地质条件综合地球物理探测研究［J］.中国矿业，2010，19（7）：98－101.