西山矿区地质异常体瞬变电磁响应规律研究

刘志明

(西山煤电(集团)有限责任公司 地质处，山西 太原 030300)

一般矿井透水主要是由掘进端头前方隐伏导水断层、富水陷落柱等突水构造引起的[1-5]。目前，对断层、陷落柱等导水构造的认识和研究还不够深入透彻。煤矿地测部门应该做好工作面的地质预报工作，查明断层、陷落柱、低阻体的导含水特性，掌握其与强富水区的水力联系情况，尽力避免因地质异常体引起的水害事故的发生。

瞬变电磁法对低阻地质异常体的反应比较敏感，近几年被广泛应用于探测煤层富(含)水异常情况[5-10]。西山矿区地质和水文地质条件十分复杂，各矿均受到不同程度的水害威胁，在西山矿区开展瞬变电磁响应研究，分析断层、陷落柱、含水层等地质异常体的瞬变电磁响应特征，掌握矿井地质异常体情况，对保障矿井安全并朝智能化、高质量方向发展具有重大意义。

1 西山矿区地质概况

西山矿区地层属于石炭、二叠系含煤盆地，较老的岩层广泛分布于矿区西部、北部，形成了向南倾斜的复式向斜盆地[11-12]。区内各地层主要是全新统、第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系。主要含煤地层有二叠系的山西组和石炭系的太原组，其主要岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层、灰岩等。

西山煤电集团本部8个矿井中最具有代表性的是镇城底矿。该矿地质构造、水文地质条件复杂，全区带压开采，断层、陷落柱较发育，采掘过程中既受断层、陷落柱的影响，又受各种水害特别是奥陶系灰岩裂隙水的严重影响。

断层、陷落柱是西山矿区较为常见的地质异常体[13-14]。西山矿区的陷落柱多为大小不一的不规则圆形或椭圆形，分布上有一定的条带性和区域性规律，充填岩石比较散乱，两侧岩层产状变化明显[15]，同时伴有较多小的正断层、裂隙，往往充填致密、不导水。

2 瞬变电磁响应特征分析研究

2.1 瞬变电磁法

2.2 断层的响应特征分析研究

断层、陷落柱的瞬变电磁响应规律由其大小、发育规模、导水性等因素决定[20]。在掘进过程中揭露断层时，当巷道与顶、底板含水层的顶界面距离减小甚至对接时，可能造成突水事故[5]。数值模型依据西山矿区地层层序、厚度及电性特征情况进行设计。

设计巷道掘进过程中遭遇突水断层的模型：上覆地层电阻率ρ为500 Ω·m；第2层ρ为50 Ω·m，厚度40 m；煤系地层ρ为100 Ω·m，厚度140 m；强含水层ρ为1 Ω·m，厚度40 m；下伏地层为高阻层，ρ为500 Ω·m；激发源与强含水层顶界面距离为100 m。模型的激发源位于模型中煤系地层的几何中心，平行层面激发，断层面与激发源的水平距离40 m，断层为正断层，左侧为上盘，右侧为下盘，断距H为40 m。

断层数值模型瞬变电场各时刻磁场强度等值线分布如图1所示，磁场强度单位为A/m。

图1 断层数值模型瞬变电场各时刻磁场强度等值线分布云图

从图1可以看出：在瞬变电磁场感应11～103 μs时，瞬变电场分布于激发源周围，瞬变电场的外部边缘刚好散布至断层面附近，感应电流的密度中心位于激发源所在平面上，并且垂直于断层面；在123～683 μs时，瞬变电场越过断层面，此时瞬变电场受到了断层的影响，上部分的瞬变电场的密度中心向断层上盘偏离移动，而下部分的瞬变电场的密度中心向断层面附近偏离移动；直到感应时间大于1 083 μs时，瞬变电场散布至更大的空间，相对低阻层开始主导瞬变电场的散布，瞬变电场密度中心沿断层抬升方向拉伸，上部分的瞬变电场的密度中心向断层下盘偏离移动，而下部分的瞬变电场的密度中心向断层上盘偏离移动。

断距H为0、40、60、80、100 m时，激发源处瞬变磁场的响应特征曲线如图2所示。从图2可以看出：当H为40、60 m时的响应幅值均小于H为0 m的响应幅值；当H为100 m时，在巷道中揭露强含水层，响应幅值最强，远远高于其他情况下的瞬变电磁场响应。

2.3 陷落柱的响应特征分析研究

2.3.1 含水陷落柱(低阻陷落柱)[21]响应特征

陷落柱含水是导致矿井突水的主要原因之一。

图2 不同断距源点处瞬变磁场响应曲线

井下掘进过程中揭露含水陷落柱的模型如下：上覆地层电阻率ρ为500 Ω·m；第2层ρ为50 Ω·m，厚度为80 m；煤系地层ρ为100 Ω·m，厚度为80 m；煤系地层之下ρ为50 Ω·m，厚度为80 m；下伏地层为高阻层，ρ为500 Ω·m；陷落柱ρ为1 Ω·m，高为240 m，直径d为40 m，陷落柱与激发源的水平距离为40 m。模型的激发源设计在煤系地层的几何中心，激发时要平行于煤系地层的层面进行[22]。

分别为印多尔：49%、密鲁特：36%、德里：30%、那格浦尔：22%、孟买：18%、海德拉巴：11%、金奈：6%、加尔各答：4%。（数据来源：印度全国家庭健康调查）

含水陷落柱物理模型瞬变电场各时刻磁场强度等值线分布如图3所示，磁场强度单位为A/m。

图3 低阻陷落柱各时刻瞬变电磁场强度等值线分布云图

由图3可知：在9～43 μs时，瞬变电场均分布于激发源的四周；在83～203 μs时,瞬变电场逐渐向陷落柱的内部分散，感应电流密度中心位置逐渐移动到了陷落柱的内部，瞬变电场的时空分布开始受到陷落柱的影响;直到1 083 μs时，感应电流的密度中心已完全转移到陷落柱内部的中心位置，并且沿着垂直方向慢慢地散布并逐渐衰减。

2.3.2 不含水陷落柱(高阻陷落柱)响应特征

当陷落柱为不含水的高阻体时，设置其电阻率ρ为200 Ω·m，源点处各时刻的瞬变电磁场强度等值线分布情况见图4，磁场强度单位为A/m。

由图4可知:受陷落柱的影响，激发源右半空间感应电流衰减较快，而不含陷落柱的左半空间平均电阻率相对较小，感应电流衰减较慢，致使感应电流密度中心向远离陷落柱的方向移动;1 083 μs时，感应电流密度中心已经完全离开陷落柱中心，直到感应电流完全衰减。

图4 高阻陷落柱各时刻瞬变电磁场强度等值线分布云图

2.3.3 不同电阻率值陷落柱响应特征

陷落柱电阻率ρ分别为1、5、10、50、100、200 Ω·m时源点处瞬变磁场响应曲线见图5。

图5 不同电阻率陷落柱的瞬变磁场响应曲线

由图5可知，在0.01 ms以前，瞬变电磁场未扩散至陷落柱，源点处的瞬变电磁响应不受陷落柱的影响，源点处瞬变磁场响应完全重合。随着瞬变电磁场慢慢地扩散，瞬变电场的时空分布受到了陷落柱影响，当陷落柱的电阻率越小时，与激发源所在岩层的电性差异越大时(图中激发源所在岩层电阻率大于陷落柱电阻率10倍)，瞬变磁场响应也就越强；当陷落柱电阻率越大时，与激发源所在岩层电性差异减小(图中激发源所在岩层电阻率小于陷落柱电阻率的2倍)，瞬变磁场响应也就越弱，源点处响应幅值差值越小。

2.3.4 不同激发距离陷落柱响应特征

激发源与电阻率ρ为10 Ω·m的陷落柱在不同距离s情况下的瞬变磁场响应曲线如图6所示。

图6 激发源与陷落柱不同距离的瞬变磁场响应曲线

由图6可知:3条曲线在0.01 ms前完全重合，陷落柱距源点40 m的响应曲线首先分离，响应幅值远大于另外两个距离的响应幅值；陷落柱距源点80 m与120 m的响应曲线在0.02～1.00 ms分离，其中120 m的响应幅值略高于80 m的响应幅值；1.00 ms后80 m与120 m的响应曲线又基本重合在一起。

2.4 灰岩含水层瞬变电磁场响应特征

在煤矿井巷掘进过程中，煤层顶底板因受采动影响发生应力变化而产生裂隙时，可能会导致底板灰岩含水层水突水事故的发生[23]。矿井典型的底板灰岩含水层模型：上覆地层电阻率ρ为500 Ω·m；第2层ρ为50 Ω·m，厚度40 m；煤系地层ρ为100 Ω·m，厚度100 m；强含水层ρ为1 Ω·m，厚度40 m；下伏高阻基底层ρ为500 Ω·m。激发源距强含水层顶界面50 m，位于模型几何中心，垂直层面激发。

灰岩含水层电阻率ρ分别为1、5、10、20、50、100 Ω·m 时，源点处瞬变磁场时间变化率的响应曲线如图7所示。

图7 不同电阻率灰岩含水层的瞬变磁场响应曲线

由图7可知：在0.1 ms以前，瞬变电磁场未扩散至灰岩层，此时灰岩层不会对电磁场响应产生影响，因而源点处瞬变磁场响应完全重合；随着瞬变电磁场的扩散，含水层开始对瞬变电场的时空分布产生影响，含水层与激发源所在岩层电性差异越大，响应越强，探测的感应磁场变化越大，其在中间段探测的响应值越小，在尾支探测的响应值越大。

3 结语

通过数值模拟正演对西山矿区断层、陷落柱、灰岩含水层等典型地质异常体模型进行了分析，得到地质异常体的瞬变电磁响应规律。

1)采用瞬变电磁法在井下巷道中探测断层时，断层面与掘进工作面端头激发源的距离对探测结果影响较大。探测含水层时，探测效果受到激发源所在岩层的厚度、电性特征，以及含水层电性特征、含水层与源点的距离的影响。含水层与激发源所在岩层的电性差异越大时，瞬变电磁响应越强烈，探测含水层的成果越可靠。

2)采用瞬变电磁法探测含水陷落柱时，感应电流密度中心逐渐向陷落柱中心移动，最后重合；不含水陷落柱的瞬变电感应电流密度中心向远离陷落柱的方向移动，直到完全衰减。用瞬变电磁法探测陷落柱时，激发源所在岩层的电阻率值至少应为陷落柱岩性电阻率值的2倍，探测成果才满足要求。