西山礦區(qū)地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律研究

劉志明

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 地質(zhì)處，山西 太原 030300)

一般礦井透水主要是由掘進(jìn)端頭前方隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬?、富水陷落柱等突水?gòu)造引起的[1-5]。目前，對斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造的認(rèn)識和研究還不夠深入透徹。煤礦地測部門應(yīng)該做好工作面的地質(zhì)預(yù)報工作，查明斷層、陷落柱、低阻體的導(dǎo)含水特性，掌握其與強(qiáng)富水區(qū)的水力聯(lián)系情況，盡力避免因地質(zhì)異常體引起的水害事故的發(fā)生。

瞬變電磁法對低阻地質(zhì)異常體的反應(yīng)比較敏感，近幾年被廣泛應(yīng)用于探測煤層富(含)水異常情況[5-10]。西山礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，各礦均受到不同程度的水害威脅，在西山礦區(qū)開展瞬變電磁響應(yīng)研究，分析斷層、陷落柱、含水層等地質(zhì)異常體的瞬變電磁響應(yīng)特征，掌握礦井地質(zhì)異常體情況，對保障礦井安全并朝智能化、高質(zhì)量方向發(fā)展具有重大意義。

1 西山礦區(qū)地質(zhì)概況

西山礦區(qū)地層屬于石炭、二疊系含煤盆地，較老的巖層廣泛分布于礦區(qū)西部、北部，形成了向南傾斜的復(fù)式向斜盆地[11-12]。區(qū)內(nèi)各地層主要是全新統(tǒng)、第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系。主要含煤地層有二疊系的山西組和石炭系的太原組，其主要巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層、灰?guī)r等。

西山煤電集團(tuán)本部8個礦井中最具有代表性的是鎮(zhèn)城底礦。該礦地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，全區(qū)帶壓開采，斷層、陷落柱較發(fā)育，采掘過程中既受斷層、陷落柱的影響，又受各種水害特別是奧陶系灰?guī)r裂隙水的嚴(yán)重影響。

斷層、陷落柱是西山礦區(qū)較為常見的地質(zhì)異常體[13-14]。西山礦區(qū)的陷落柱多為大小不一的不規(guī)則圓形或橢圓形，分布上有一定的條帶性和區(qū)域性規(guī)律，充填巖石比較散亂，兩側(cè)巖層產(chǎn)狀變化明顯[15]，同時伴有較多小的正斷層、裂隙，往往充填致密、不導(dǎo)水。

2 瞬變電磁響應(yīng)特征分析研究

2.1 瞬變電磁法

2.2 斷層的響應(yīng)特征分析研究

斷層、陷落柱的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律由其大小、發(fā)育規(guī)模、導(dǎo)水性等因素決定[20]。在掘進(jìn)過程中揭露斷層時，當(dāng)巷道與頂、底板含水層的頂界面距離減小甚至對接時，可能造成突水事故[5]。數(shù)值模型依據(jù)西山礦區(qū)地層層序、厚度及電性特征情況進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計巷道掘進(jìn)過程中遭遇突水?dāng)鄬拥哪Ｐ停荷细驳貙与娮杪师褳?00 Ω·m；第2層ρ為50 Ω·m，厚度40 m；煤系地層ρ為100 Ω·m，厚度140 m；強(qiáng)含水層ρ為1 Ω·m，厚度40 m；下伏地層為高阻層，ρ為500 Ω·m；激發(fā)源與強(qiáng)含水層頂界面距離為100 m。模型的激發(fā)源位于模型中煤系地層的幾何中心，平行層面激發(fā)，斷層面與激發(fā)源的水平距離40 m，斷層為正斷層，左側(cè)為上盤，右側(cè)為下盤，斷距H為40 m。

斷層數(shù)值模型瞬變電場各時刻磁場強(qiáng)度等值線分布如圖1所示，磁場強(qiáng)度單位為A/m。

圖1 斷層數(shù)值模型瞬變電場各時刻磁場強(qiáng)度等值線分布云圖

從圖1可以看出：在瞬變電磁場感應(yīng)11～103 μs時，瞬變電場分布于激發(fā)源周圍，瞬變電場的外部邊緣剛好散布至斷層面附近，感應(yīng)電流的密度中心位于激發(fā)源所在平面上，并且垂直于斷層面；在123～683 μs時，瞬變電場越過斷層面，此時瞬變電場受到了斷層的影響，上部分的瞬變電場的密度中心向斷層上盤偏離移動，而下部分的瞬變電場的密度中心向斷層面附近偏離移動；直到感應(yīng)時間大于1 083 μs時，瞬變電場散布至更大的空間，相對低阻層開始主導(dǎo)瞬變電場的散布，瞬變電場密度中心沿斷層抬升方向拉伸，上部分的瞬變電場的密度中心向斷層下盤偏離移動，而下部分的瞬變電場的密度中心向斷層上盤偏離移動。

斷距H為0、40、60、80、100 m時，激發(fā)源處瞬變磁場的響應(yīng)特征曲線如圖2所示。從圖2可以看出：當(dāng)H為40、60 m時的響應(yīng)幅值均小于H為0 m的響應(yīng)幅值；當(dāng)H為100 m時，在巷道中揭露強(qiáng)含水層，響應(yīng)幅值最強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他情況下的瞬變電磁場響應(yīng)。

2.3 陷落柱的響應(yīng)特征分析研究

2.3.1 含水陷落柱(低阻陷落柱)[21]響應(yīng)特征

陷落柱含水是導(dǎo)致礦井突水的主要原因之一。

圖2 不同斷距源點處瞬變磁場響應(yīng)曲線

井下掘進(jìn)過程中揭露含水陷落柱的模型如下：上覆地層電阻率ρ為500 Ω·m；第2層ρ為50 Ω·m，厚度為80 m；煤系地層ρ為100 Ω·m，厚度為80 m；煤系地層之下ρ為50 Ω·m，厚度為80 m；下伏地層為高阻層，ρ為500 Ω·m；陷落柱ρ為1 Ω·m，高為240 m，直徑d為40 m，陷落柱與激發(fā)源的水平距離為40 m。模型的激發(fā)源設(shè)計在煤系地層的幾何中心，激發(fā)時要平行于煤系地層的層面進(jìn)行[22]。

分別為印多爾：49%、密魯特：36%、德里：30%、那格浦爾：22%、孟買：18%、海德拉巴：11%、金奈：6%、加爾各答：4%。（數(shù)據(jù)來源：印度全國家庭健康調(diào)查）

含水陷落柱物理模型瞬變電場各時刻磁場強(qiáng)度等值線分布如圖3所示，磁場強(qiáng)度單位為A/m。

圖3 低阻陷落柱各時刻瞬變電磁場強(qiáng)度等值線分布云圖

由圖3可知：在9～43 μs時，瞬變電場均分布于激發(fā)源的四周；在83～203 μs時,瞬變電場逐漸向陷落柱的內(nèi)部分散，感應(yīng)電流密度中心位置逐漸移動到了陷落柱的內(nèi)部，瞬變電場的時空分布開始受到陷落柱的影響;直到1 083 μs時，感應(yīng)電流的密度中心已完全轉(zhuǎn)移到陷落柱內(nèi)部的中心位置，并且沿著垂直方向慢慢地散布并逐漸衰減。

2.3.2 不含水陷落柱(高阻陷落柱)響應(yīng)特征

當(dāng)陷落柱為不含水的高阻體時，設(shè)置其電阻率ρ為200 Ω·m，源點處各時刻的瞬變電磁場強(qiáng)度等值線分布情況見圖4，磁場強(qiáng)度單位為A/m。

由圖4可知:受陷落柱的影響，激發(fā)源右半空間感應(yīng)電流衰減較快，而不含陷落柱的左半空間平均電阻率相對較小，感應(yīng)電流衰減較慢，致使感應(yīng)電流密度中心向遠(yuǎn)離陷落柱的方向移動;1 083 μs時，感應(yīng)電流密度中心已經(jīng)完全離開陷落柱中心，直到感應(yīng)電流完全衰減。

圖4 高阻陷落柱各時刻瞬變電磁場強(qiáng)度等值線分布云圖

2.3.3 不同電阻率值陷落柱響應(yīng)特征

陷落柱電阻率ρ分別為1、5、10、50、100、200 Ω·m時源點處瞬變磁場響應(yīng)曲線見圖5。

圖5 不同電阻率陷落柱的瞬變磁場響應(yīng)曲線

由圖5可知，在0.01 ms以前，瞬變電磁場未擴(kuò)散至陷落柱，源點處的瞬變電磁響應(yīng)不受陷落柱的影響，源點處瞬變磁場響應(yīng)完全重合。隨著瞬變電磁場慢慢地擴(kuò)散，瞬變電場的時空分布受到了陷落柱影響，當(dāng)陷落柱的電阻率越小時，與激發(fā)源所在巖層的電性差異越大時(圖中激發(fā)源所在巖層電阻率大于陷落柱電阻率10倍)，瞬變磁場響應(yīng)也就越強(qiáng)；當(dāng)陷落柱電阻率越大時，與激發(fā)源所在巖層電性差異減小(圖中激發(fā)源所在巖層電阻率小于陷落柱電阻率的2倍)，瞬變磁場響應(yīng)也就越弱，源點處響應(yīng)幅值差值越小。

2.3.4 不同激發(fā)距離陷落柱響應(yīng)特征

激發(fā)源與電阻率ρ為10 Ω·m的陷落柱在不同距離s情況下的瞬變磁場響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 激發(fā)源與陷落柱不同距離的瞬變磁場響應(yīng)曲線

由圖6可知:3條曲線在0.01 ms前完全重合，陷落柱距源點40 m的響應(yīng)曲線首先分離，響應(yīng)幅值遠(yuǎn)大于另外兩個距離的響應(yīng)幅值；陷落柱距源點80 m與120 m的響應(yīng)曲線在0.02～1.00 ms分離，其中120 m的響應(yīng)幅值略高于80 m的響應(yīng)幅值；1.00 ms后80 m與120 m的響應(yīng)曲線又基本重合在一起。

2.4 灰?guī)r含水層瞬變電磁場響應(yīng)特征

在煤礦井巷掘進(jìn)過程中，煤層頂?shù)装逡蚴懿蓜佑绊懓l(fā)生應(yīng)力變化而產(chǎn)生裂隙時，可能會導(dǎo)致底板灰?guī)r含水層水突水事故的發(fā)生[23]。礦井典型的底板灰?guī)r含水層模型：上覆地層電阻率ρ為500 Ω·m；第2層ρ為50 Ω·m，厚度40 m；煤系地層ρ為100 Ω·m，厚度100 m；強(qiáng)含水層ρ為1 Ω·m，厚度40 m；下伏高阻基底層ρ為500 Ω·m。激發(fā)源距強(qiáng)含水層頂界面50 m，位于模型幾何中心，垂直層面激發(fā)。

灰?guī)r含水層電阻率ρ分別為1、5、10、20、50、100 Ω·m 時，源點處瞬變磁場時間變化率的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 不同電阻率灰?guī)r含水層的瞬變磁場響應(yīng)曲線

由圖7可知：在0.1 ms以前，瞬變電磁場未擴(kuò)散至灰?guī)r層，此時灰?guī)r層不會對電磁場響應(yīng)產(chǎn)生影響，因而源點處瞬變磁場響應(yīng)完全重合；隨著瞬變電磁場的擴(kuò)散，含水層開始對瞬變電場的時空分布產(chǎn)生影響，含水層與激發(fā)源所在巖層電性差異越大，響應(yīng)越強(qiáng)，探測的感應(yīng)磁場變化越大，其在中間段探測的響應(yīng)值越小，在尾支探測的響應(yīng)值越大。

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬正演對西山礦區(qū)斷層、陷落柱、灰?guī)r含水層等典型地質(zhì)異常體模型進(jìn)行了分析，得到地質(zhì)異常體的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律。

1)采用瞬變電磁法在井下巷道中探測斷層時，斷層面與掘進(jìn)工作面端頭激發(fā)源的距離對探測結(jié)果影響較大。探測含水層時，探測效果受到激發(fā)源所在巖層的厚度、電性特征，以及含水層電性特征、含水層與源點的距離的影響。含水層與激發(fā)源所在巖層的電性差異越大時，瞬變電磁響應(yīng)越強(qiáng)烈，探測含水層的成果越可靠。

2)采用瞬變電磁法探測含水陷落柱時，感應(yīng)電流密度中心逐漸向陷落柱中心移動，最后重合；不含水陷落柱的瞬變電感應(yīng)電流密度中心向遠(yuǎn)離陷落柱的方向移動，直到完全衰減。用瞬變電磁法探測陷落柱時，激發(fā)源所在巖層的電阻率值至少應(yīng)為陷落柱巖性電阻率值的2倍，探測成果才滿足要求。