综合物探在大型断层破碎带探测中的应用

李明星

(1.煤炭科学研究总院,北京市朝阳区，100013; 2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市，710077)

当前煤矿产业发展迅速，开采力度日益增加，资源开采逐渐走向深部。随着煤矿开采深度增加，面临的水害问题愈加复杂，煤矿带压开采现象越来越普遍，开采深度越大，承受的水压越高。若煤矿掘进或开采区域有断层等构造发育情况，极易导通含水层。特别是当存在大型断层时，由于其破碎带范围较宽且充填介质复杂，裂隙发育及导水情况不明，对煤矿巷道安全掘进造成很大威胁。当前针对巷道前方水害隐患进行探测的地球物理手段主要以电磁法为主，分为直流电阻率法和瞬变电磁法两类。20世纪50年代，直流电阻率法最早由前苏联学者应用于煤矿井下勘探中。从20世纪90年代开始，我国研究人员开始研究并应用煤矿巷道直流电阻率法超前探测技术。瞬变电磁法始于1933年美国科学家L. W. Blan 提出的”Eltran”法，但就矿井瞬变电磁而言，理论及应用研究起步较晚，20世纪90年代后期开始，中国矿业大学等单位开始在煤矿巷道中应用瞬变电磁法进行探测。每种物探方法的优缺点不一样，若用多种方法联合的综合物探技术，则能有效提高探测精度。为了更加准确地探测断层破碎带水文地质情况，对直流电法和瞬变电磁法进行联合研究，综合解释探测范围内的异常分布情况，提高对大型断层破碎带的探测解释精度。

1 断层破碎带地球物理特征

断层是地壳表层中岩层顺破裂面发生明显位移的构造。就其形成机理来说，岩石受构造应力作用，当应力超过岩石破裂强度极限时，岩石就会产生裂隙或断开，连续性被破坏。大多数断层，尤其是大型断层的断层面，一般不是一个单一的面，而是一个带，可能是由一系列密集的破裂面组成，也可能是破碎的岩屑、岩块沿破裂面方向组合而成，称之为断层破碎带或断层带。断层带发育宽带不等，一般从几米到几十公里不等。

通常来说，大型断层发育有规模较大的破碎带，破碎带在电性上一般整体呈低阻特征。破碎带之所以呈低阻反应，主要是因为破碎带区域内风化程度高于两盘相对完整岩体，破碎带内充填有风化作用或热液作用活动产生的水饱和黏土。断层破碎带在地形地貌、补给水源等有利条件情况下，可能会形成断裂型储水构造，电性上呈现相对低阻反应，而断裂带两盘的弱含水或不含水岩层呈现相对高阻。另外断层破碎带的电性特征与组成断层破碎带的岩矿石成分及上下盘岩体的构成有关。断层破碎带一般有较高的孔隙度和渗透率，相对风化程度高，容易接受沉积，因此破碎带的电性特征与其内沉积物电阻率高低相关性较高。

2 综合物探超前探测技术

2.1 矿井直流电阻率法超前探测

矿井直流电阻率法超前探测属于电阻率法的一个分支，是以岩石的电性差异为基础，基于全空间电场理论，探测和解释有关矿井水文地质问题的一种地球物理手段，主要是研究掘进头前方地质体电性变化规律，预测前方含、导水构造的分布和发育情况。

目前常见的直流超前探测大多采用点源三极装置进行井下数据采集工作，无穷远电极对巷道内测量电极的影响可以忽略不计，其电场分布可近似为点电源电场。可利用全空间电场理论对数据进行分析解释。直流电阻率法超前探测装置示意图见图1。

图1 直流电阻率法超前探测示意图

2.2 矿井瞬变电磁法

瞬变电磁法是以电磁感应理论为基础的时间域电磁勘探方法。首先向回线源中通一定电流，建立稳恒的一次场，在某一时刻切断电流，根据电磁感应定律，变化的一次场会激发二次场，此二次场的的电磁特性与地下地质体的电性特征有关，利用接收装置记录下二次场，经过分析就可以得到探测范围内介质的地电信息。数学物理过程简述如下：

瞬变电磁理论数学表达式可由电磁场理论的基本方程—麦克斯韦方程推导得到。麦克斯韦方程最基本的表达式如下：

(1)

式中：B——磁感应强度，Wb/m2；

E——电场强度，V/m；

t——时间，s；

D——电位移矢量，C/m2;

j——电流密度，A/m2；

H——磁场强度，A/m；

ρ——电荷密度，C/m3。

式(1)进一步推导可得：

(2)

其中：

k2=-iωμσ+ω2με

(3)

式中：σ——电导率，C/m；

μ——磁导率，H/m；

ε——介电常数；

ω——频率，Hz。

式(2)称为电磁场的波动方程，亦称为赫姆霍兹方程。解电磁场波动方程得到磁场垂向分量频率域表达式：

(4)

λ——积分变量；

r——发射回线半径，m；

J0——零阶贝塞尔函数。

然后利用特殊的数值算法即可将频率域磁场转换到时间域，这便是时间域瞬变电磁法的基本数学原理。

矿井瞬变电磁法工作环境为井下巷道，由于空间有限，发射及接收装置相比地面瞬变电磁都做了相应的改进，以便适应井下探测环境。其探测示意图见图2。

图2 矿井瞬变电磁超前探测示意图

3 探测实例

钱营孜矿运输巷掘进前方存在F22断层(组), 断层落差240 m左右，主要充水水源为煤系地层砂岩裂隙水。运输巷沿-650 m水平掘进，按照设计方案巷道掘进前方将揭露F22断层组，该断层是矿井内一条规模较大的枢纽正断层，走向SN，倾向W，倾角为60°～75°，贯穿矿区，走向延展长度大于6.5 km，落差0～350 m，运输巷附近F22断层落差约为240 m，F22-1断层落差90 m。断层破碎带宽约38 m，切割3#、7#、8#、10#煤层。因断层为大型断层，破碎带较宽且充填复杂，且断层附近构造相对复杂，裂隙发育不均一，可能存在局部裂隙较发育且相对富水区域，威胁到巷道的安全掘进。故采用综合地球物理技术对运输巷掘进前方地质情况进行勘探，以探明前方异常体分布情况，为巷道安全掘进提供参考。

3.1 地质概况

矿方针对该断层设计了水文地质勘探钻孔。在断层区域主要布置Z1、Z2、Z3等3个钻孔，断层及钻孔示意图见图3。

图3 断层及钻孔示意图

根据勘探钻孔揭露情况，F22断层破碎带一般多为泥质充填，岩性较混杂，挤压和揉皱现象严重，岩芯较破碎，钻探穿过断层时没有发生漏水现象。

Z1孔位于断层下盘，钻孔揭露32煤层至太灰全部地层，终孔于灰岩下44 m。Z1孔在进入基岩界面251.08～258.45 m岩芯破碎，成分复杂，并见有滑动面，经与勘探资料对比，可确定该段为F22断层带，但断层角砾及断层泥尚未发现，也未见明显涌漏水现象,钻孔揭露灰岩时无出水或漏水现象。Z3孔原设计在645 m处见F22断层，经钻探发现，在601.61～656.04 m段岩芯破碎，成分复杂，并见有滑动面，未见明显涌漏水现象，其中633.03 m以上岩芯为紫红色斑纹泥岩及粉砂岩，633.03 m以下则多为灰-深灰色的泥岩及粉砂岩，未见32煤层以及上石盒子组底部的K3砂岩。经钻孔资料对比，Z3孔601.61～656.04 m段岩芯破碎可确定为F22断层带，断层面在633.03 m处。通过Z1孔对断层下盘附近深部的部分太灰含水层进行了抽水试验，含水层单位涌水量为0.021 L/s·m；Z2孔对断层上盘的32煤层基岩混合水进行了抽水试验，含水层单位涌水量为0.002 L/s·m；Z3孔对F22断层破碎带进行了抽水试验，单位涌水量为0.003 L/s·m和0.005 L/s·m。表明在本区煤系地层砂岩、F22断层带、深部太灰等含导水性均弱。

3.2 数据采集与处理

3.2.1 矿井直流电阻率法探测成果

根据巷道掘进实际情况，在巷道掘进到P60点前54 m位置时，采用矿井直流电阻率法和矿井瞬变电磁法超前探查掘进头前方断层破碎带电性特征。

矿井直流电阻率法施工采用三极装置，在掘进头后方沿同一直线布置4个发射电极A1、A2、A3、A4，之后沿上述直线方向向后跑极，直到测完所需数据。矿井直流电阻率超前探测原始数据如图4所示。

从图4可以看出，两组电极系探测成果对应较好，主要异常位置均有反应。利用两组电极系数据并结合巷道揭露地质情况，处理成果如图5所示，图中A、B、C泛指发射点。

图4 矿井直流电阻率超前探测原始数据成图

图5 矿井直流电阻率超前探测成果图

3.2.2 矿井瞬变电磁法探测成果

矿井直流电阻率法施工完成后，在巷道掘进头位置开展矿井瞬变电磁超前探测。共施工5个探测方向：仰角50°、仰角25°、顺层、俯角25°、俯角50°方向。具体探测方向及散点图见图6。

图6 矿井瞬变电磁超前探测散点图

图中掘进头位置坐标(X,Y,Z)=(0,0,0)，从图6中可以清晰的看出5个探测方向所组成的扇面。5个探测方向数据经处理后，将瞬变电磁成果在三维空间立体显示情况如图7所示。

图7 瞬变电磁超前探测成果三维显示

3.3 综合物探资料解释

为便于两种方法比较，将瞬变电磁超前探测顺层方向成果图与直流电阻率法超前探测成果图叠加到一起进行解释，叠加成果如图8所示。

由图8可以看出，将瞬变电磁正前方成果与直流电法成果进行对比，直流电法成果3个异常与瞬变电磁正前方成果中异常位置吻合，但直流电法1号和2号异常位置偏向瞬变电磁异常边界附近。瞬变电磁中异常范围更大，分析原因为瞬变电磁探测时容易受巷道中金属体影响，干扰较大，所以直流电法在深度方向控制精度优于瞬变电磁法，且瞬变电磁法存在一定的体积效应。

图8 瞬变电磁与直流电阻率超前探测成果叠图

根据物探结果及地质情况，矿方进行超前钻探验证，根据超前探查钻孔岩性特征、破碎程度等资料显示，在巷道掘进头前方1号异常位置断层带破碎严重，主要由5#煤层组及其顶底板泥岩充填，由于泥岩相对松散，加上煤层及瓦斯的影响，钻孔存在塌孔情况；2号和3号异常位置断层带破碎，主要由紫斑泥岩充填，夹灰色泥岩及少量细砂岩。探测成果与实际地质情况吻合较好。

4 结论

大型断层破碎带规模较大，充填介质复杂，给煤矿巷道安全开拓造成了威胁。在巷道开拓过程中可采用综合物探方法对大型断层破碎带进行探测。经实例证明，综合物探方法探测精度较高，探测结果能互相印证，可信度较高。采用三维显示技术对物探成果进行显示，可以更加方便地对异常体位置及范围进行圈定。探测资料能够为矿井水害治理提供有力的技术保障。