瞬變電磁法在預(yù)測(cè)煤礦井下斷層走勢(shì)中的應(yīng)用研究

邢 楷，王克南，樊林林，廉玉廣

(1.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向目標(biāo)巖體發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用不同巖體物理電性的差異，通過(guò)接收不同的巖體因磁通量變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電流來(lái)了解其電信息差異[1-4]。這種斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，直接反映出不同深度的地電特征等地質(zhì)信息[5-6]。礦井瞬變電磁法是將地面常用的瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦井下[7-8]，對(duì)常規(guī)物探方法較難探測(cè)的工作面頂、底板區(qū)域和掘進(jìn)工作面迎頭區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，其基本原理與地面瞬變電磁法一樣[9-11]，采用儀器和測(cè)量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時(shí)間窗口也基本相同。礦井瞬變電磁法因?yàn)榫哂袡M向分辨率[12-15]較高、異常體感應(yīng)信號(hào)較強(qiáng)、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)在煤礦相關(guān)地質(zhì)工作中得到了大量應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)大量煤礦井下瞬變電磁法探測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)探測(cè)范圍內(nèi)煤巖層連續(xù)及穩(wěn)定時(shí)，能夠接收到隨探測(cè)深度均勻衰減的二次場(chǎng)信號(hào)[16-18]，其表現(xiàn)為瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果中的視電阻率值[19-20]，從盲區(qū)外開(kāi)始隨深度逐漸降低(圖1)。如果探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)斷層構(gòu)造時(shí)，必然會(huì)打破煤巖層原有的連續(xù)性及穩(wěn)定性，這種變化將在其激發(fā)的二次場(chǎng)信號(hào)中表現(xiàn)出來(lái)，從而在探測(cè)結(jié)果中顯示出相應(yīng)的變化。本文通過(guò)分析煤礦井下掘進(jìn)工作面的連續(xù)2次瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果及其二次場(chǎng)信號(hào)的變化，為礦井成功預(yù)測(cè)了巷道前方的斷層及其走勢(shì)，給礦井相關(guān)地質(zhì)工作提供了有效幫助。

圖1 連續(xù)穩(wěn)定煤巖層瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果示意Fig.1 Schematic of transient electromagnetic detection results of continuous stable coal and rock strata

1 探測(cè)區(qū)域概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊二號(hào)井主要開(kāi)采3號(hào)、15號(hào)煤層。其中3號(hào)煤層位于山西組下部，上距K8砂巖35.00～46.78 m，平均40.10 m。煤層厚0.35～6.61 m，平均厚4.26 m。含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～4層，一般1～2層，以距底板約0.50 m的一層較為穩(wěn)定(厚度0.10～0.30 m)。3號(hào)煤層頂板為深灰?guī)r泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。

2 施工布置

礦井掘進(jìn)工作面瞬變電磁法超前探測(cè)設(shè)計(jì)3個(gè)橫向探測(cè)方向(圖2(a))，分別是與巷道頂板呈30°夾角向前方頂板探測(cè)、順煤層方向向前方探測(cè)、與巷道底板呈30°夾角向前方底板探測(cè)。每個(gè)橫向探測(cè)方向布置橫向探測(cè)角度14個(gè)(圖2(b))，分別是左側(cè)幫(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°、90°)、右側(cè)幫(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，3個(gè)橫向探測(cè)方向共布置42個(gè)探測(cè)角度。

圖2 瞬變電磁法探測(cè)方向及探測(cè)角度示意Fig.2 Detection direction and angle of transient electromagnetic method

3 應(yīng)用實(shí)例成果分析

探測(cè)地點(diǎn)位于趙莊二號(hào)井2103措施巷，開(kāi)采3號(hào)煤層，煤厚為4.2 m。巷道在井下位置及周邊四鄰關(guān)系如圖3所示，圖3中距離2103措施巷南部90 m為已掘的西軌道大巷，再往南分別為西膠帶及西回風(fēng)2條大巷，這3條盤區(qū)大巷在掘進(jìn)過(guò)程中均揭露一條F91正斷層，其中在西回風(fēng)及西膠帶揭露斷層處其斷距為4 m，西軌道揭露斷層揭露處斷距為3 m。斷層含水性較弱，該斷層在向北延伸過(guò)程中逐漸尖滅，但是否有延伸至2103措施巷的情況未知。

相比2103措施巷之前較為正常的探測(cè)結(jié)果，2103措施巷距C3導(dǎo)線點(diǎn)85 m處瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果如圖4所示。從圖4探測(cè)結(jié)果能直觀地看到，從右側(cè)幫0°到左側(cè)幫105°范圍內(nèi)視電阻率值整體偏高。將14個(gè)探測(cè)方向上的電壓特性曲線按上述角度范圍分成2部分，如圖5所示。

圖4 2103措施巷距C3導(dǎo)線點(diǎn)85 m處瞬變電磁探測(cè)成果Fig.4 Transient electromagnetic detection result of 2103 measure tunnel 85 m away from C3 traverse point

圖5(a)為左側(cè)6條測(cè)線的電壓特性圖，二次場(chǎng)電壓信號(hào)電壓集中在102～103；圖5(b)為剩余8條測(cè)線的電壓特性圖，二次場(chǎng)電壓信號(hào)電壓集中在101～102，整體相比前6條低一個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)為高視電阻率值。數(shù)據(jù)采集時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境較為理想，因此判定右側(cè)幫0°到左側(cè)幫120°范圍內(nèi)高阻區(qū)域?yàn)楦咦璁惓^(qū)域，結(jié)合巷道南部存在有 F91正斷層構(gòu)造的地質(zhì)情況，推斷該高阻異常為構(gòu)造影響。

圖5 2103措施巷距C3導(dǎo)線點(diǎn)85 m處瞬變電磁原始數(shù)據(jù)電壓特性曲線Fig.5 Voltage characteristic curves of transient electromagnetic raw data of 2103 measure tunnel 85 m away from C3 traverse point

2103措施巷在生產(chǎn)過(guò)程中正常掘進(jìn)63 m，煤層無(wú)明顯變化，在C4導(dǎo)線點(diǎn)以里39 m處再次進(jìn)行瞬變電磁法探測(cè)。探測(cè)結(jié)果如圖6所示，左側(cè)45°至正前90°等方向存在較為明顯的高阻區(qū)域，分析其電壓特性后，這4條測(cè)線的電壓相比剩余10條測(cè)線又低1個(gè)數(shù)量級(jí)(圖7)。

圖7 2103措施巷距C4導(dǎo)線點(diǎn)以里39 m處瞬變電磁原始數(shù)據(jù)電壓特性Fig.7 Voltage characteristic diagram of transient electromagnetic raw data of 2103 measure tunnel 39 m away from C4 traverse point

圖6 2103措施巷距C4導(dǎo)線點(diǎn)以里39 m處瞬變電磁探測(cè)成果Fig.6 Transient electromagnetic detection result of 2103 measure tunnel 39 m away from C4 traverse point

將C4導(dǎo)線點(diǎn)以里39 m處的探測(cè)結(jié)果與C3導(dǎo)線點(diǎn)85 m處的探測(cè)結(jié)果疊加在一起放在采掘工程平面圖上后如圖8所示。很明顯能夠看出，這2次探測(cè)結(jié)果的高阻區(qū)域有從右側(cè)到正前方再到左前方變化的趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合南部3條大巷已揭露 F91正斷層及其走勢(shì)等相關(guān)地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)兩者在走向上存在較好的一致性，因此推斷第二次探測(cè)結(jié)果盲區(qū)附近的高阻區(qū)域?yàn)閿鄬佑绊憛^(qū)域，并且有可能會(huì)是F91正斷層從南部延伸過(guò)來(lái)，與巷道的方向斜交經(jīng)過(guò)。因此提請(qǐng)礦方相關(guān)部門注意，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中有可能會(huì)揭露斷層構(gòu)造。

圖8 兩次瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果疊加示意Fig.8 Superposition of two TEM detection results

經(jīng)過(guò)后期的跟蹤回訪，2103措施巷在距離C4導(dǎo)線點(diǎn)以里39 m的物探位置15 m處揭露正斷層，斷距為1 m。礦方相關(guān)部門隨后在2103措施巷內(nèi)經(jīng)過(guò)打鉆證實(shí)，該揭露正斷層與南部3條大巷揭露的F91正斷層屬同一條斷層。由圖9(a)所示，2次探測(cè)結(jié)果疊加在一起后呈現(xiàn)出的高阻區(qū)域的變化趨勢(shì)與斷層的走勢(shì)相一致，如圖9(b)所示。

圖9 斷層實(shí)際揭露情況與瞬變電磁法成果疊加Fig.9 Actual exposure of the fault and superposition of transient electromagnetic method results

4 結(jié)論

(1)瞬變電磁法作為煤礦井下超前探測(cè)的常用手段，不僅能夠反映出探測(cè)范圍內(nèi)的富水性情況，同時(shí)也能在一定程度上反映出探測(cè)范圍內(nèi)的斷層構(gòu)造等地質(zhì)信息。

(2)連續(xù)穩(wěn)定的煤巖層能夠激發(fā)出隨探測(cè)深度均勻衰減的二次場(chǎng)信號(hào)，煤層中的斷層破壞了原有的連續(xù)性及穩(wěn)定性，這種變化將會(huì)在其激發(fā)的二次場(chǎng)信號(hào)中有所表現(xiàn)，當(dāng)斷層的含水性較弱時(shí)，在瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果中表現(xiàn)為相對(duì)高視電阻率值。通過(guò)研究分析斷層所引起的二次場(chǎng)信號(hào)變化的規(guī)律，能夠給瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果在斷層地質(zhì)構(gòu)造的解釋上提供幫助，進(jìn)一步為煤礦相關(guān)地質(zhì)工作提供可靠依據(jù)。但由于瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果存在多解性，因此物探結(jié)果扔需要通過(guò)鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。