瞬变电磁法在预测煤矿井下断层走势中的应用研究

邢 楷，王克南，樊林林，廉玉广

(1.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048000； 2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向目标岩体发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用不同岩体物理电性的差异，通过接收不同的岩体因磁通量变化所产生的感应电流来了解其电信息差异[1-4]。这种断电后各个时间段的二次场随时间的变化规律，直接反映出不同深度的地电特征等地质信息[5-6]。矿井瞬变电磁法是将地面常用的瞬变电磁法应用于煤矿井下[7-8]，对常规物探方法较难探测的工作面顶、底板区域和掘进工作面迎头区域进行探测，其基本原理与地面瞬变电磁法一样[9-11]，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也基本相同。矿井瞬变电磁法因为具有横向分辨率[12-15]较高、异常体感应信号较强、探测灵敏度高等优点在煤矿相关地质工作中得到了大量应用。

通过对大量煤矿井下瞬变电磁法探测数据分析表明，当探测范围内煤岩层连续及稳定时，能够接收到随探测深度均匀衰减的二次场信号[16-18]，其表现为瞬变电磁法探测结果中的视电阻率值[19-20]，从盲区外开始随深度逐渐降低(图1)。如果探测范围内出现断层构造时，必然会打破煤岩层原有的连续性及稳定性，这种变化将在其激发的二次场信号中表现出来，从而在探测结果中显示出相应的变化。本文通过分析煤矿井下掘进工作面的连续2次瞬变电磁法探测结果及其二次场信号的变化，为矿井成功预测了巷道前方的断层及其走势，给矿井相关地质工作提供了有效帮助。

图1 连续稳定煤岩层瞬变电磁法探测结果示意Fig.1 Schematic of transient electromagnetic detection results of continuous stable coal and rock strata

1 探测区域概况

山西晋煤集团赵庄二号井主要开采3号、15号煤层。其中3号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩35.00～46.78 m，平均40.10 m。煤层厚0.35～6.61 m，平均厚4.26 m。含泥岩、炭质泥岩夹矸0～4层，一般1～2层，以距底板约0.50 m的一层较为稳定(厚度0.10～0.30 m)。3号煤层顶板为深灰岩泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩；底板为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩。

2 施工布置

矿井掘进工作面瞬变电磁法超前探测设计3个横向探测方向(图2(a))，分别是与巷道顶板呈30°夹角向前方顶板探测、顺煤层方向向前方探测、与巷道底板呈30°夹角向前方底板探测。每个横向探测方向布置横向探测角度14个(图2(b))，分别是左侧帮(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°、90°)、右侧帮(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，3个横向探测方向共布置42个探测角度。

图2 瞬变电磁法探测方向及探测角度示意Fig.2 Detection direction and angle of transient electromagnetic method

3 应用实例成果分析

探测地点位于赵庄二号井2103措施巷，开采3号煤层，煤厚为4.2 m。巷道在井下位置及周边四邻关系如图3所示，图3中距离2103措施巷南部90 m为已掘的西轨道大巷，再往南分别为西胶带及西回风2条大巷，这3条盘区大巷在掘进过程中均揭露一条F91正断层，其中在西回风及西胶带揭露断层处其断距为4 m，西轨道揭露断层揭露处断距为3 m。断层含水性较弱，该断层在向北延伸过程中逐渐尖灭，但是否有延伸至2103措施巷的情况未知。

相比2103措施巷之前较为正常的探测结果，2103措施巷距C3导线点85 m处瞬变电磁法探测结果如图4所示。从图4探测结果能直观地看到，从右侧帮0°到左侧帮105°范围内视电阻率值整体偏高。将14个探测方向上的电压特性曲线按上述角度范围分成2部分，如图5所示。

图4 2103措施巷距C3导线点85 m处瞬变电磁探测成果Fig.4 Transient electromagnetic detection result of 2103 measure tunnel 85 m away from C3 traverse point

图5(a)为左侧6条测线的电压特性图，二次场电压信号电压集中在102～103；图5(b)为剩余8条测线的电压特性图，二次场电压信号电压集中在101～102，整体相比前6条低一个数量级，表现为高视电阻率值。数据采集时现场施工环境较为理想，因此判定右侧帮0°到左侧帮120°范围内高阻区域为高阻异常区域，结合巷道南部存在有 F91正断层构造的地质情况，推断该高阻异常为构造影响。

图5 2103措施巷距C3导线点85 m处瞬变电磁原始数据电压特性曲线Fig.5 Voltage characteristic curves of transient electromagnetic raw data of 2103 measure tunnel 85 m away from C3 traverse point

2103措施巷在生产过程中正常掘进63 m，煤层无明显变化，在C4导线点以里39 m处再次进行瞬变电磁法探测。探测结果如图6所示，左侧45°至正前90°等方向存在较为明显的高阻区域，分析其电压特性后，这4条测线的电压相比剩余10条测线又低1个数量级(图7)。

图7 2103措施巷距C4导线点以里39 m处瞬变电磁原始数据电压特性Fig.7 Voltage characteristic diagram of transient electromagnetic raw data of 2103 measure tunnel 39 m away from C4 traverse point

图6 2103措施巷距C4导线点以里39 m处瞬变电磁探测成果Fig.6 Transient electromagnetic detection result of 2103 measure tunnel 39 m away from C4 traverse point

将C4导线点以里39 m处的探测结果与C3导线点85 m处的探测结果叠加在一起放在采掘工程平面图上后如图8所示。很明显能够看出，这2次探测结果的高阻区域有从右侧到正前方再到左前方变化的趋势，同时结合南部3条大巷已揭露 F91正断层及其走势等相关地质情况，发现两者在走向上存在较好的一致性，因此推断第二次探测结果盲区附近的高阻区域为断层影响区域，并且有可能会是F91正断层从南部延伸过来，与巷道的方向斜交经过。因此提请矿方相关部门注意，在巷道掘进过程中有可能会揭露断层构造。

图8 两次瞬变电磁法探测结果叠加示意Fig.8 Superposition of two TEM detection results

经过后期的跟踪回访，2103措施巷在距离C4导线点以里39 m的物探位置15 m处揭露正断层，断距为1 m。矿方相关部门随后在2103措施巷内经过打钻证实，该揭露正断层与南部3条大巷揭露的F91正断层属同一条断层。由图9(a)所示，2次探测结果叠加在一起后呈现出的高阻区域的变化趋势与断层的走势相一致，如图9(b)所示。

图9 断层实际揭露情况与瞬变电磁法成果叠加Fig.9 Actual exposure of the fault and superposition of transient electromagnetic method results

4 结论

(1)瞬变电磁法作为煤矿井下超前探测的常用手段，不仅能够反映出探测范围内的富水性情况，同时也能在一定程度上反映出探测范围内的断层构造等地质信息。

(2)连续稳定的煤岩层能够激发出随探测深度均匀衰减的二次场信号，煤层中的断层破坏了原有的连续性及稳定性，这种变化将会在其激发的二次场信号中有所表现，当断层的含水性较弱时，在瞬变电磁法探测结果中表现为相对高视电阻率值。通过研究分析断层所引起的二次场信号变化的规律，能够给瞬变电磁法探测结果在断层地质构造的解释上提供帮助，进一步为煤矿相关地质工作提供可靠依据。但由于瞬变电磁法探测结果存在多解性，因此物探结果扔需要通过钻探进行验证。