瞬变电磁技术在探测断层带影响下顶板富水性的应用

张荣财 姜 鹏 黎 灵 杨 勇 郝志鹏

(1.珲春矿业(集团)有限责任公司八连城煤业有限公司, 吉林省珲春市，133300；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013；4.山西省建筑科学研究院，山西省太原市，030001)



瞬变电磁技术在探测断层带影响下顶板富水性的应用

张荣财1姜 鹏2,3黎 灵2,3杨 勇2,3郝志鹏4

(1.珲春矿业(集团)有限责任公司八连城煤业有限公司, 吉林省珲春市，133300；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013；4.山西省建筑科学研究院，山西省太原市，030001)

为了探明八连城煤矿轨道巷断层附近区域顶板富水性特征，在充分分析其现场水文地质特征的基础上，应用矿井瞬变电磁技术，对该区域顶板富水性进行探测，通过对采集到的现场数据进行分析和处理，基本查明区域顶板富水特征。分析结果表明：受断层构造的影响，靠近断层位置的顶板区域岩体裂隙相对发育，富水性更加明显。

矿井瞬变电磁法 断层构造 富水性探测 瞬变电磁场

煤矿水害是影响煤矿安全开采的重要因素之一，近年来煤矿水害事故频发，及时查明开采区域水文地质情况(含水层分布、富水区域及导水通道等)，并采取有效的防治措施变得尤其重要。目前，国内对于水文地质状况的判断主要是通过物探手段及其他一些辅助手段结合地质特征综合分析，目前瞬变电磁以其对低阻含水体灵敏、受体积效应影响小、纵横向分辨率高、施工灵活轻便等特点被广泛应用，并且在煤矿地下岩层富水性探测方面已取得了较好的地质验证效果，可以有效地应用于煤矿防治水工作中，为煤矿制定工作面防治水规划及安全措施提供重要的参考依据。对于如何有效地应用瞬变电磁技术分析工作面顶板岩层富水性特征，本文结合井下工程实例进行说明。

1 工程实例背景概况

八连城煤矿井田南部规划开采区域的西三轨道巷、回风巷沿着19#煤层底板掘进，在掘进过程中在西三轨道巷附近区域揭露5条较大断层，分别为DF70正断层(落差为0～43 m)、DF71正断层(落差为0～28 m)、 DF72正断层(落差为0～43 m)、DF73正断层(落差为0～18 m)及F12正断层(落差为0～88 m)。区域采掘工程平面图见图1。根据区域钻孔岩性分析，区域19#煤层顶板岩层属软岩层，煤层顶板100 m高度范围内岩层岩性以泥岩和粉砂岩互层为主，顶板岩层之间易形成较好的封闭空间。为了明确在断层构造影响下区域顶板的富水性特征，从而制定相应的井下防治水措施，应用井下瞬变电磁探测技术对西三轨道巷、回风巷区域顶板进行富水性探测。

图1 区域采掘工程平面图

2 矿井瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法工作的基本原理是电磁感应定律，是利用不接地回线将通有一定电流的线框作为发射源设置于探测巷道内，发射源在发射断开之前，在回线周围的空间中形成一个较稳定的脉冲电磁场，并会引起导电的围岩岩体中产生一定的感应电流。发射源断电后，形成的电磁场也会随之消失，磁场的瞬间变化通过探测巷道内的空气和周围的导电体传到回线附近的围岩体中并在围岩体中激发出感应电流以维持之前存在的电磁场。

而井下常用的矿井瞬变电磁法同样是依据电磁感应原理，实际就是将地面常用的瞬变电磁法用于煤矿井下，采用的仪器和数据反演时间窗口也与地面瞬变电磁法的基本相同。与地面瞬变电磁法不同的一点就是地面电磁法为半空间瞬变响应，而井下瞬变电磁法由于应用的巷道空间是被周围岩体包围的，瞬变响应不仅是来自于回线平面下部地层的响应，同样存在来自于回线平面上部及两侧地层的瞬变响应，因此为全空间瞬变响应。基于井下瞬变电磁法的一些特点，井下瞬变电磁技术常常应用于一般常规物探方法较难探测的煤矿工作面顶、底板和巷道掘进头岩层富水性的超前探测，但是井下瞬变电磁法受煤矿井下巷道勘探环境的限制，测量线圈大小受限，其实际探测深度不及地面探测深度，井下瞬变电磁探测一般深度在150 m以下。

3 施工参数选择

基于八连城煤矿地质特点及井下开采环境，综合对比各类物探仪器的优缺点，本次实施井下瞬变电磁法的探查仪器为矿用本安型瞬变电磁仪。依据本次井下探查任务的要求和巷道布置条件的实际情况，采用一般环境常用的2 m×2 m的多匝数矩形回线装置进行测量。采用偶极装置进行探测，发射线框为26匝，接收线框为60匝，相互独立，探测时中间间隔一定距离，以便与地下(前方)异常体产生最佳耦合响应。探测测线布置在巷道内，测点间距为2～10 m。应用设置参数后对区域煤层顶板的富水性进行探测，确定含水体的空间位置，包括平面位置和深度范围。探测仪器主要技术参数：发射电流≤3.2 A，发射频率400 Hz、75 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、0.625 Hz，发射电压8.4 V，测道数160道，AD转换器24 bit，采样间隔2 μs，最小信号分辨率1 μV，动态范围160 dB，探测距离≥100 m。

4 井下探测工程施工方案

本次瞬变电磁施工区域主要位于八连城煤矿西三回风巷和西三轨道巷区域，探测西三回风巷和西三轨道巷联络巷口0～300 m 区域顶板富水性情况，每条巷道设计5条测线，分别为内侧顶板60°、内侧顶板75°、顶板90°、外侧顶板75°、外侧顶板60°，探测方向(即线圈法线方向与巷道顶板水平面所成角度)每条测线长300 m，每条测线点间距10 m，巷道测点布置如图2所示。瞬变电磁法在两条巷道中各布置5个方向的测线。顶板岩层的探测范围覆盖情况如图3所示，基本上已经全部覆盖工作面探测目标区域。西三回风巷、西三轨道巷探测方向及探测任务见表1。

图2 巷道测点布置

图3 瞬变电磁测线角度布置

巷道序号探测方向点数线长/m探测目的任务西三回风巷、西三轨道巷1内侧顶板60°31300向巷道内侧60°向上方探测控制范围内岩层富水区分布情况,探测距离100m2内侧顶板75°31300向巷道内侧75°向上方探测控制范围内岩层富水区分布情况,探测距离100m3顶板90°31300垂直向上探测控制范围内岩层富水区分布情况,探测距离100m4外侧顶板75°31300向巷道外侧75°向上方探测控制范围内岩层富水区分布情况,探测距离100m5外侧顶板60°31300向巷道外侧60°向上方探测控制范围内岩层富水区分布情况,探测距离100m

5 瞬变电磁探测成果解释

5.1 解释原则

八连城煤矿19#煤层顶板直接含水层岩性多为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，其中夹有透镜状分布的细砂岩、中砂岩、粗砂岩，正常情况下含水层与上部富含水层水力联系较差，区域含水层单位涌水量为0.0069～0.0127 L/(s·m)，渗透系数为0.021～0.046 m/d，富水性较小，属于弱含水层。

本次瞬变电磁探测的岩层电性特征视电阻率在0～90 Ω·m之间，井下采集的数据经过反演计算处理后，主要形成各探测方向二维电阻率剖面图，用于推断解释西三回风巷和西三轨道巷区域富水区分布情况的电性特征。参照本次工作面瞬变电磁探测成果及区域地质特点，根据现场实测的围岩电性特征，推断工作面区域整体富水性不均一，大部分区域富水性较差，由于砂岩含水层的储水特点，个别区域存在相对富水区，尤其是断层构造带区域裂隙相对发育，具有较好的储水空间，富水特点相对较明显。根据实测电阻率分布特点，把19#煤层顶板砂岩含水性与电阻率的一般对应关系大体分为2个级别：富水性相对较强，对应岩层的电阻率<8 Ω·m ；富水性相对较弱，对应岩层的电阻率>8 Ω·m 。

5.2 探测成果整体解释

结合八连城煤矿现场施工情况和相关地质资料，对西三回风巷和西三轨道巷区域的富水性情况及电性特征有了整体认识，现综合分析西三回风巷和西三轨道巷区域各探测角度矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图。西三回风巷及西三轨道巷顶板分别共进行了5个方向的探测，西三回风巷、西三轨道巷各测线矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图分别见图4和图5。

图4 西三回风巷各测线矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图

图5 西三轨道巷各测线矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图

结合巷道已经揭露的地质情况和岩性变化，对西三回风巷及西三轨道巷瞬变电磁探测数据划定异常低阻区结果进行推测如下：

(1)西三回风巷从外侧顶板60°方向—外侧顶板75°方向—顶板90°方向—内侧顶板75°方向—内侧顶板60°方向剖面图的整体视电阻率值逐步减小，圈定的低阻异常区依次增多，其中内侧顶板60°方向剖面图整体视电阻率值相对最低。图4中各个瞬变电磁探测方向视电阻率等值线拟断面图中均圈定了整体相对低阻异常区，经分析这些圈定的低阻异常区为顶板砂岩裂隙水富水区反映，局部由于受到断层带的影响，顶板砂岩区域富水性反映更明显。

(2)西三轨道巷从内侧顶板60°方向—内侧顶板75°方向—顶板90°方向—外侧顶板75°方向—外侧顶板60°方向剖面图的整体视电阻率值逐步增大，圈定的低阻异常区依次减少，其中内侧顶板60°方向剖面图整体视电阻率值相对最低。图5中各个瞬变电磁探测方向视电阻率等值线拟断面图中均圈定了整体相对低阻异常区，经分析这些圈定的低阻异常区为顶板砂岩裂隙水富水区反映，局部由于受到断层带的影响，顶板砂岩区域富水性反映更明显。

西三回风巷和西三轨道巷探测断面图及物探综合成果平面叠加效果如图6所示。

图6 物探综合成果平面叠加图

分析图6可知，结合现场地质条件，整个探测区域内顶板圈定2处富水异常区域，而靠近断层带位置的顶板砂岩富水异常区域更明显。分析这种现象的主要原因是由于断层带区域的顶板受到断层构造力的影响，裂隙更为发育，储水空间更好，因此富水性更加明显。

6 结论及建议

(1)应用矿井瞬变电磁探测技术可以有效探测工作面顶板岩层含水体富水性特征，为煤矿制定工作面防治水规划及安全措施提供有效的参考依据。

(2)在工作面采掘过程中，应对圈定的顶板富水异常区域尤其是断层带附近的富水异常区域制定合理的探放水计划，提前预疏放，避免顶板局部富含水区突水造成意外的水害事故。

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(责任编辑 郭东芝)

Application of TEM in analyzing the water-rich roof under the influence of fault zone

Zhang Rongcai1， Jiang Peng2,3， Li Ling2,3， Yang Yong2,3， Hao Zhipeng4

(1. Baliancheng Coal Industry Co., Ltd., Hunchun Mining (Group) Co., Ltd., Hunchun, Jilin 133300, China;2. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. State Key Laboratory of Coal Resources High-Efficiency Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China;4. Shanxi Academy of Building Research, Taiyuan, Shanxi 030001, China)

In order to detect the water-rich characteristics of roof of track roadway near fault zone in Baliancheng Coal Mine, based on the comprehensive analysis of the hydrogeological characteristics, the water-rich characteristics of roof were detected by using TEM. Through analysis and treatment of the collected field data, the water-rich characteristics were ascertained basically. The analysis results showed that under the influence of fault structure, the rock mass fissures in roof area near fault zone developed, and were more watery.

mine TEM, fault structure, water-rich characteristics detection, transient electromagnetic field

国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045001-004)

张荣财，姜鹏，黎灵等. 瞬变电磁技术在探测断层带影响下顶板富水性的应用[J]. 中国煤炭，2017,43(7)：44-48.ZhangRongcai，JiangPeng，LiLing，etal.ApplicationofTEMinanalyzingthewater-richroofundertheinfluenceoffaultzone[J].ChinaCoal, 2017, 43(7):44-48.

P

A

张荣财(1971-)，男，吉林汪清人，工程师，本科学历，毕业于辽宁工程大学，从事煤矿技术管理工作。