瞬變電磁法在野三關(guān)東坡二井透水事故搶險中的應(yīng)用

徐小連，劉金濤，周萬勇

(1．湖北煤炭地質(zhì)局，湖北武漢 430062;2．湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊，湖北武漢 430200)

巴東縣野三關(guān)礦業(yè)東坡二井“8·13”透水事故發(fā)生后，湖北省、恩施州及巴東縣政府高度重視，組織多家地質(zhì)單位到現(xiàn)場勘查，力求找到透水通道及補給來源，經(jīng)過幾天勘查并未取得理想成果。井下抽水，水位沒有明顯下降，救援形勢較嚴峻，因此，本單位采用瞬變電磁法進行探測，查明透水通道及補給來源，為現(xiàn)場救援提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 測區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)地層由新至老分別為:第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)(T1)、二疊系(P)、泥盆系(D)、志留系中統(tǒng)(S2)。

第四系(Q)為沖積物、坡積物、殘積物等，主要發(fā)育于麻沙河、劉家?guī)X、黃涼坪等處，最大厚度可達115．16 m，一般為4～15 m。

三疊系下統(tǒng)(T1)主要為大冶群(T1dy)，分為三層，巖性為灰色中厚層狀微晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，與下伏地層呈假整合接觸。

二疊系(P)上統(tǒng)由大隆組(P2d)、長興組(P2c)、龍?zhí)督M(P2l)組成，下統(tǒng)由孤峰組(P1g)、茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、馬鞍組(P1ma)組成。巖性主要為硅質(zhì)巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等組成，馬鞍組含煤一層，有分叉現(xiàn)象。

石炭系中統(tǒng)(C2)黃龍群(C2hn)巖性為厚層狀隱晶質(zhì)灰?guī)r、白云巖。與下伏地層呈假整合接觸。

泥盆系(D)上統(tǒng)(D3)寫經(jīng)寺組(D3xj)為灰—灰綠色厚層狀泥灰?guī)r，黃家蹬組(D3h)為粉砂質(zhì)泥巖、砂巖。中統(tǒng)(D2)云臺觀組(D2yn)為灰白色厚層狀細粒石英砂巖，夾紫紅色中厚層狀粉砂巖，與下伏地層呈假整合接觸。

志留系中統(tǒng)(S2)紗帽群(S2sh)為黃綠色泥質(zhì)粉砂巖。

麻沙礦區(qū)位于次一級的長陽—五峰箱狀褶皺束與巴東—咸豐緊密褶皺束接壤處的四級構(gòu)造云臺荒向斜北翼。

區(qū)域內(nèi)構(gòu)造以褶皺為主，由北向南，主要有葛藤山—五龍背斜，云臺荒向斜，榔坪背斜及長嶺向斜。斷裂構(gòu)造一般都發(fā)生于褶皺拐彎處及褶皺之傾伏端。

麻沙礦區(qū)地層傾向南南東，傾角較平緩，一般8°～20°。在東南部傾角變陡可達48°～65°。東坡二號井煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)有 F4、F8、F9、F11四條斷層。

大氣降水是本區(qū)地下水的主要補給來源之一。其補給方式主要有二種:其一是通過含水層露頭地表裂隙、溶隙呈面狀滲入補給;其二是由巖溶洼地、漏斗匯集(包括降水及上復(fù)含水層的懸掛水)，并通過其中的落水洞呈灌注式補給。地下水的另一種重要補給來源為山間溪表流水，這種補給源主要見于麻沙礦區(qū)一帶。河水通過河下的巖溶裂隙通道，對地下水形成經(jīng)常性的、線狀的補給。

礦區(qū)內(nèi)含水層自上而下有:第四系孔隙含水層(主要分布于麻沙河谷地帶)、三疊系下統(tǒng)大冶群灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)長興組灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組灰?guī)r，以及中石炭統(tǒng)黃龍群灰?guī)r。對煤礦充水有直接影響的主要為黃龍群灰?guī)r、棲霞與茅口組灰?guī)r及分布于麻沙河谷地段的第四系含水層。

隔水和相對隔水層(組)自上而下有:上二疊統(tǒng)大隆組及龍?zhí)督M，下二疊統(tǒng)孤峰組和馬鞍組，以及上、中泥盆統(tǒng)寫經(jīng)寺、黃家蹬與云臺觀組。上述隔水、相對隔水層(組)相間分布于各巖溶裂隙含水層之間，從而使礦區(qū)含水層具有多層結(jié)構(gòu)的特點。

地下巖溶以溶洞為主，溶隙次之。溶洞最發(fā)育的地層為棲霞組，其次為黃龍群及長興組，再次為茅口組，在揭露的溶洞中，為卵石、細砂和粘土充填的有43個，總充填高度240．45 m，充填率為33．4%。

馬鞍組底板黃龍群灰?guī)r溶隙承壓水(以下簡稱底板水):主要通過煤層底板石英砂巖裂隙發(fā)育帶、斷層帶及底板原始凸起部位進入礦井。東坡二井運輸大巷布置于黃龍群灰?guī)r中，即破底板掘進，則底板水的進水面積將明顯增加，并使底板水朝此大巷云集。

井田工業(yè)煤層與棲霞組灰?guī)r底板垂距一般僅4～10 m，有的不足2 m，其間沒有足以起隔水作用的巖層存在，開采過程中，頂板溶隙水將直接進入坑道，成為礦井水補給源之一。

2 地球物理特征

測區(qū)煤層位于二疊系下統(tǒng)馬鞍組，煤層距地表深度約210～220 m。第四系地層電阻率為50～100 Ω·m;二疊系地層電阻率為200～700 Ω·m;石炭系灰?guī)r電阻率為300～400 Ω·m。各地質(zhì)層之間電性差異明顯，具備使用地球物理勘探方法的前提條件。完整灰?guī)r視電阻率相對較高，如果灰?guī)r中巖溶發(fā)育，則電阻率會顯著變低。此次產(chǎn)生突水的大巷位于煤層底板石炭系中統(tǒng)黃龍群灰?guī)r中，若有導(dǎo)水通道存在電阻率會明顯降低，這也正是利用電性差異探測富水異常的前提條件。

3 方法原理概述

瞬變電磁法是研究電磁感應(yīng)二次場的一種地球物理勘探方法。在發(fā)射回線內(nèi)發(fā)射一脈沖階躍電流，當電流斷開的瞬間地表將產(chǎn)生感應(yīng)渦流電磁場，隨著時間的延長，感應(yīng)渦流電磁場向下向外擴張。當發(fā)送回線中電流突然斷開時，在下半空間中就要被激勵起感應(yīng)渦流以維持在斷開電流以前存在的磁場，此瞬間的電流集中于Tx附近的地表，并按r-4規(guī)律衰減(r為Tx中心至觀測的距離)。隨后電流開始擴散到下半空間中，在切斷電流后的任一晚期時間里，感應(yīng)渦流呈多個層殼的“環(huán)帶”形，隨著時間的延長，渦流場將向下及向外擴展［1-2］。

M．N．Nabighian指出，感應(yīng)渦流電場在地表引起的磁場為整個“環(huán)帶”各個渦流場的總效應(yīng)，這種效應(yīng)可以用一個簡單的電流環(huán)相等效，圖1表示了電流切斷以后三個時刻的地下等效電流環(huán)分布略圖，它為一系列與發(fā)送回線同形狀并且向下及向外擴散的電流環(huán)，通常稱之為“煙圈”，它的等效電流為感應(yīng)渦流電磁場向下向外擴張的同時在接受回線內(nèi)激發(fā)起二次感應(yīng)電磁場，二次感應(yīng)電磁場的磁場矢量在晚期由下式確定:，其中:M為發(fā)送磁距，ρ為巖石視電阻率，t為延時。由上式可知，接受信號的強弱不僅跟發(fā)送磁距M和延時t有關(guān)，而且還與回線下半空間巖石綜合電阻率ρ有關(guān)。

圖1 半空間中的等效渦流環(huán)

因而可利用采集的數(shù)據(jù)求取各個測點不同深度的巖石視電阻率，利用巖石視電阻率差異來探測和分辨地質(zhì)體［3-4］。

4 野外工作

4．1 儀器及工作裝置的選擇

數(shù)據(jù)采集使用加拿大產(chǎn)PROTEM-67D瞬變電磁勘探系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點:①動態(tài)范圍大;②抗干擾能力強，施工方式靈活;③靈敏度高，發(fā)射機電流大［5］。

主要性能參數(shù)為:最大供電電流25 A;積分時間0．25 ～120 s;增益 20～26倍;采樣道數(shù) 20/30;同步方式為石英鐘同步/參考線同步;動態(tài)范圍 29 bits(175dB);輸出電壓18～150 V，連續(xù)可調(diào);發(fā)射框可無限大;接收線圈為三分量接收探頭(有效面積200 m2)。

工作裝置采用大定源回線裝置(見圖2)。Tx為供電發(fā)射線框，Rx為接收線圈。物探工作布置主要圍繞出水點，以出水點為中心布置一個矩形框，在線框中心地段觀測。

圖2 大定源回線裝置示意圖

大定源回線裝置與目標體具有最佳耦合，異常幅值大，形態(tài)簡單，受旁側(cè)地質(zhì)體影響小;對高阻層的穿透能力強，對低阻層有較高的分辨能力。這種場源具有發(fā)射磁矩大，場均勻及隨距離衰減慢等特點，適合于密集點距采樣，利于精細探測。

4．2 試驗工作

經(jīng)現(xiàn)場試驗，瞬變電磁法工作參數(shù)選擇如下:發(fā)射線框邊長:300 m×300 m;接收線圈面積:200 m2;發(fā)送基頻:25 Hz;發(fā)送電流:15 A;積分時間:30 s。電壓衰減曲線僅晚期1～2道略有畸變，信噪比較高。

4．3 測網(wǎng)布置及工作量

測網(wǎng)布置以D20出水點為中心布置5條平行的長測線，線距10 m，點距10 m，測線長100 m。D20附近加密測線，線距5 m，點距5 m，加密測線長40 m。共布置測線9條，坐標點126個。測線布置方向為北東向。

5 資料處理與解釋

資料處理按圖3流程進行。

圖3 資料處理流程圖

資料處理后，根據(jù)擬二維反演成像結(jié)果繪制深度—電阻率剖面圖及相關(guān)目的層電阻率參數(shù)平面圖。資料解釋遵循從已知到未知、從點到面、從簡單到復(fù)雜、從局部到全區(qū)的原則。

井下出水點在地面的投影位置位于瞬變電磁法520～240測點(地面樁號為D20)垂深210～220 m左右。

圖4為540測線電阻率剖面圖，地表第四系覆蓋很薄，部分有二疊系基巖出露，剖面圖中上部為二疊系地層反映，中部及中下部分別為石炭系及泥盆系地層反映。在230～250測點下方存在一垂向高角度低阻異常，推斷為富水異常。圖5為520測線電阻率剖面圖，地層結(jié)構(gòu)反映清晰，在剖面圖下方存在一個低阻異常，推斷為富水異常。

圖6為220 m深度電阻率等值線圖，在D20南部發(fā)育有一個低電阻率條帶，方向為北東—南西，推斷此處為“8·13”透水事故透水主要導(dǎo)水通道，本次透水以黃龍灰?guī)r的巖溶通道水為主。

從地形地質(zhì)及井上下對照圖上看，“8·13”透水事故透水點D20位于向斜軸部，在該向斜的西翼還發(fā)育有次一級褶皺，在D20西約200 m發(fā)育有一條規(guī)模較大的北東向破碎帶，因此，該地段巖層較破碎，巖溶較發(fā)育，推測“8·13”透水事故主要水源位于該地段，即向斜西翼，破碎帶與向斜軸之間區(qū)域。

圖4 540測線電阻率剖面圖

圖5 520測線電阻率剖面圖

6 結(jié)語

(1)測區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地表植被較厚，采用瞬變電磁大定源裝置，可以有效地克服地形條件影響，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量高，解釋效果顯著。

(2)推斷了本次透水的導(dǎo)水通道位于D20突水點的西南方向，導(dǎo)水類型為巖溶通道型，導(dǎo)水通道以垂向?qū)ǖ罏橹?，巖溶體之間連通性較好，富水性強。

(3)推斷本次巖巷突水，并非巖巷直接揭露水體，當巖巷掘進靠近巖溶導(dǎo)水通道時，產(chǎn)生應(yīng)力釋放，靠巷道一側(cè)呈相對負壓狀態(tài)，原來的動態(tài)平衡被打破，導(dǎo)水通道的水壓致巖巷瞬間突水，巖溶水來勢兇猛，補給條件充沛。隨著時間的流逝，孔隙巖溶之間充填的部分泥沙不斷流失，從而進一步疏通了導(dǎo)水通道，導(dǎo)水通道變得更加通暢，推斷水源為黃龍群灰?guī)r巖溶水。

圖6 220 m深度電阻率等值線圖

(4)建議以封堵導(dǎo)水通道和巷道疏排相結(jié)合的方式進行搶險救災(zāi)。

［1］ 劉金濤．瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用［J］．資源環(huán)境與工程，2006，20(4):432-436．

［2］ 劉金濤，顧漢明，胡祥云．瞬變電磁法三分量解釋剖析［J］．人民長江，2008，39(11):114-116．

［3］ 梁爽．中心回線裝置瞬變電磁在礦山安全和工程勘察中的應(yīng)用［J］．煤炭技術(shù)，2004，23(1):91-93．

［4］ 霍濟峰，張保會．綜合勘探在梧桐莊礦首采面防治水中的應(yīng)用［J］．河北煤炭，2002(4):23-24．

［5］ 高波，王傳雷，劉金濤等．瞬變電磁方法在河南某煤礦深部含水構(gòu)造探測中應(yīng)用［J］．工程地球物理學報，2006，3(4):283-287．