張榮財(cái) 姜 鵬 黎 靈 楊 勇 郝志鵬

(1.琿春礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司八連城煤業(yè)有限公司, 吉林省琿春市，133300；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013；4.山西省建筑科學(xué)研究院，山西省太原市，030001)

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瞬變電磁技術(shù)在探測斷層帶影響下頂板富水性的應(yīng)用

張榮財(cái)1姜 鵬2,3黎 靈2,3楊 勇2,3郝志鵬4

(1.琿春礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司八連城煤業(yè)有限公司, 吉林省琿春市，133300；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013；4.山西省建筑科學(xué)研究院，山西省太原市，030001)

為了探明八連城煤礦軌道巷斷層附近區(qū)域頂板富水性特征，在充分分析其現(xiàn)場水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用礦井瞬變電磁技術(shù)，對(duì)該區(qū)域頂板富水性進(jìn)行探測，通過對(duì)采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，基本查明區(qū)域頂板富水特征。分析結(jié)果表明：受斷層構(gòu)造的影響，靠近斷層位置的頂板區(qū)域巖體裂隙相對(duì)發(fā)育，富水性更加明顯。

礦井瞬變電磁法 斷層構(gòu)造 富水性探測 瞬變電磁場

煤礦水害是影響煤礦安全開采的重要因素之一，近年來煤礦水害事故頻發(fā)，及時(shí)查明開采區(qū)域水文地質(zhì)情況(含水層分布、富水區(qū)域及導(dǎo)水通道等)，并采取有效的防治措施變得尤其重要。目前，國內(nèi)對(duì)于水文地質(zhì)狀況的判斷主要是通過物探手段及其他一些輔助手段結(jié)合地質(zhì)特征綜合分析，目前瞬變電磁以其對(duì)低阻含水體靈敏、受體積效應(yīng)影響小、縱橫向分辨率高、施工靈活輕便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，并且在煤礦地下巖層富水性探測方面已取得了較好的地質(zhì)驗(yàn)證效果，可以有效地應(yīng)用于煤礦防治水工作中，為煤礦制定工作面防治水規(guī)劃及安全措施提供重要的參考依據(jù)。對(duì)于如何有效地應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)分析工作面頂板巖層富水性特征，本文結(jié)合井下工程實(shí)例進(jìn)行說明。

1 工程實(shí)例背景概況

八連城煤礦井田南部規(guī)劃開采區(qū)域的西三軌道巷、回風(fēng)巷沿著19#煤層底板掘進(jìn)，在掘進(jìn)過程中在西三軌道巷附近區(qū)域揭露5條較大斷層，分別為DF70正斷層(落差為0～43 m)、DF71正斷層(落差為0～28 m)、 DF72正斷層(落差為0～43 m)、DF73正斷層(落差為0～18 m)及F12正斷層(落差為0～88 m)。區(qū)域采掘工程平面圖見圖1。根據(jù)區(qū)域鉆孔巖性分析，區(qū)域19#煤層頂板巖層屬軟巖層，煤層頂板100 m高度范圍內(nèi)巖層巖性以泥巖和粉砂巖互層為主，頂板巖層之間易形成較好的封閉空間。為了明確在斷層構(gòu)造影響下區(qū)域頂板的富水性特征，從而制定相應(yīng)的井下防治水措施，應(yīng)用井下瞬變電磁探測技術(shù)對(duì)西三軌道巷、回風(fēng)巷區(qū)域頂板進(jìn)行富水性探測。

圖1 區(qū)域采掘工程平面圖

2 礦井瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法工作的基本原理是電磁感應(yīng)定律，是利用不接地回線將通有一定電流的線框作為發(fā)射源設(shè)置于探測巷道內(nèi)，發(fā)射源在發(fā)射斷開之前，在回線周圍的空間中形成一個(gè)較穩(wěn)定的脈沖電磁場，并會(huì)引起導(dǎo)電的圍巖巖體中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流。發(fā)射源斷電后，形成的電磁場也會(huì)隨之消失，磁場的瞬間變化通過探測巷道內(nèi)的空氣和周圍的導(dǎo)電體傳到回線附近的圍巖體中并在圍巖體中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持之前存在的電磁場。

而井下常用的礦井瞬變電磁法同樣是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，實(shí)際就是將地面常用的瞬變電磁法用于煤礦井下，采用的儀器和數(shù)據(jù)反演時(shí)間窗口也與地面瞬變電磁法的基本相同。與地面瞬變電磁法不同的一點(diǎn)就是地面電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，而井下瞬變電磁法由于應(yīng)用的巷道空間是被周圍巖體包圍的，瞬變響應(yīng)不僅是來自于回線平面下部地層的響應(yīng)，同樣存在來自于回線平面上部及兩側(cè)地層的瞬變響應(yīng)，因此為全空間瞬變響應(yīng)?；诰滤沧冸姶欧ǖ囊恍┨攸c(diǎn)，井下瞬變電磁技術(shù)常常應(yīng)用于一般常規(guī)物探方法較難探測的煤礦工作面頂、底板和巷道掘進(jìn)頭巖層富水性的超前探測，但是井下瞬變電磁法受煤礦井下巷道勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小受限，其實(shí)際探測深度不及地面探測深度，井下瞬變電磁探測一般深度在150 m以下。

3 施工參數(shù)選擇

基于八連城煤礦地質(zhì)特點(diǎn)及井下開采環(huán)境，綜合對(duì)比各類物探儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，本次實(shí)施井下瞬變電磁法的探查儀器為礦用本安型瞬變電磁儀。依據(jù)本次井下探查任務(wù)的要求和巷道布置條件的實(shí)際情況，采用一般環(huán)境常用的2 m×2 m的多匝數(shù)矩形回線裝置進(jìn)行測量。采用偶極裝置進(jìn)行探測，發(fā)射線框?yàn)?6匝，接收線框?yàn)?0匝，相互獨(dú)立，探測時(shí)中間間隔一定距離，以便與地下(前方)異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。探測測線布置在巷道內(nèi)，測點(diǎn)間距為2～10 m。應(yīng)用設(shè)置參數(shù)后對(duì)區(qū)域煤層頂板的富水性進(jìn)行探測，確定含水體的空間位置，包括平面位置和深度范圍。探測儀器主要技術(shù)參數(shù)：發(fā)射電流≤3.2 A，發(fā)射頻率400 Hz、75 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、0.625 Hz，發(fā)射電壓8.4 V，測道數(shù)160道，AD轉(zhuǎn)換器24 bit，采樣間隔2 μs，最小信號(hào)分辨率1 μV，動(dòng)態(tài)范圍160 dB，探測距離≥100 m。

4 井下探測工程施工方案

本次瞬變電磁施工區(qū)域主要位于八連城煤礦西三回風(fēng)巷和西三軌道巷區(qū)域，探測西三回風(fēng)巷和西三軌道巷聯(lián)絡(luò)巷口0～300 m 區(qū)域頂板富水性情況，每條巷道設(shè)計(jì)5條測線，分別為內(nèi)側(cè)頂板60°、內(nèi)側(cè)頂板75°、頂板90°、外側(cè)頂板75°、外側(cè)頂板60°，探測方向(即線圈法線方向與巷道頂板水平面所成角度)每條測線長300 m，每條測線點(diǎn)間距10 m，巷道測點(diǎn)布置如圖2所示。瞬變電磁法在兩條巷道中各布置5個(gè)方向的測線。頂板巖層的探測范圍覆蓋情況如圖3所示，基本上已經(jīng)全部覆蓋工作面探測目標(biāo)區(qū)域。西三回風(fēng)巷、西三軌道巷探測方向及探測任務(wù)見表1。

圖2 巷道測點(diǎn)布置

圖3 瞬變電磁測線角度布置

巷道序號(hào)探測方向點(diǎn)數(shù)線長/m探測目的任務(wù)西三回風(fēng)巷、西三軌道巷1內(nèi)側(cè)頂板60°31300向巷道內(nèi)側(cè)60°向上方探測控制范圍內(nèi)巖層富水區(qū)分布情況,探測距離100m2內(nèi)側(cè)頂板75°31300向巷道內(nèi)側(cè)75°向上方探測控制范圍內(nèi)巖層富水區(qū)分布情況,探測距離100m3頂板90°31300垂直向上探測控制范圍內(nèi)巖層富水區(qū)分布情況,探測距離100m4外側(cè)頂板75°31300向巷道外側(cè)75°向上方探測控制范圍內(nèi)巖層富水區(qū)分布情況,探測距離100m5外側(cè)頂板60°31300向巷道外側(cè)60°向上方探測控制范圍內(nèi)巖層富水區(qū)分布情況,探測距離100m

5 瞬變電磁探測成果解釋

5.1 解釋原則

八連城煤礦19#煤層頂板直接含水層巖性多為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，其中夾有透鏡狀分布的細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖，正常情況下含水層與上部富含水層水力聯(lián)系較差，區(qū)域含水層單位涌水量為0.0069～0.0127 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.021～0.046 m/d，富水性較小，屬于弱含水層。

本次瞬變電磁探測的巖層電性特征視電阻率在0～90 Ω·m之間，井下采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演計(jì)算處理后，主要形成各探測方向二維電阻率剖面圖，用于推斷解釋西三回風(fēng)巷和西三軌道巷區(qū)域富水區(qū)分布情況的電性特征。參照本次工作面瞬變電磁探測成果及區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的圍巖電性特征，推斷工作面區(qū)域整體富水性不均一，大部分區(qū)域富水性較差，由于砂巖含水層的儲(chǔ)水特點(diǎn)，個(gè)別區(qū)域存在相對(duì)富水區(qū)，尤其是斷層構(gòu)造帶區(qū)域裂隙相對(duì)發(fā)育，具有較好的儲(chǔ)水空間，富水特點(diǎn)相對(duì)較明顯。根據(jù)實(shí)測電阻率分布特點(diǎn)，把19#煤層頂板砂巖含水性與電阻率的一般對(duì)應(yīng)關(guān)系大體分為2個(gè)級(jí)別：富水性相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)巖層的電阻率<8 Ω·m ；富水性相對(duì)較弱，對(duì)應(yīng)巖層的電阻率>8 Ω·m 。

5.2 探測成果整體解釋

結(jié)合八連城煤礦現(xiàn)場施工情況和相關(guān)地質(zhì)資料，對(duì)西三回風(fēng)巷和西三軌道巷區(qū)域的富水性情況及電性特征有了整體認(rèn)識(shí)，現(xiàn)綜合分析西三回風(fēng)巷和西三軌道巷區(qū)域各探測角度礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖。西三回風(fēng)巷及西三軌道巷頂板分別共進(jìn)行了5個(gè)方向的探測，西三回風(fēng)巷、西三軌道巷各測線礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖分別見圖4和圖5。

圖4 西三回風(fēng)巷各測線礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖

圖5 西三軌道巷各測線礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖

結(jié)合巷道已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況和巖性變化，對(duì)西三回風(fēng)巷及西三軌道巷瞬變電磁探測數(shù)據(jù)劃定異常低阻區(qū)結(jié)果進(jìn)行推測如下：

(1)西三回風(fēng)巷從外側(cè)頂板60°方向—外側(cè)頂板75°方向—頂板90°方向—內(nèi)側(cè)頂板75°方向—內(nèi)側(cè)頂板60°方向剖面圖的整體視電阻率值逐步減小，圈定的低阻異常區(qū)依次增多，其中內(nèi)側(cè)頂板60°方向剖面圖整體視電阻率值相對(duì)最低。圖4中各個(gè)瞬變電磁探測方向視電阻率等值線擬斷面圖中均圈定了整體相對(duì)低阻異常區(qū)，經(jīng)分析這些圈定的低阻異常區(qū)為頂板砂巖裂隙水富水區(qū)反映，局部由于受到斷層帶的影響，頂板砂巖區(qū)域富水性反映更明顯。

(2)西三軌道巷從內(nèi)側(cè)頂板60°方向—內(nèi)側(cè)頂板75°方向—頂板90°方向—外側(cè)頂板75°方向—外側(cè)頂板60°方向剖面圖的整體視電阻率值逐步增大，圈定的低阻異常區(qū)依次減少，其中內(nèi)側(cè)頂板60°方向剖面圖整體視電阻率值相對(duì)最低。圖5中各個(gè)瞬變電磁探測方向視電阻率等值線擬斷面圖中均圈定了整體相對(duì)低阻異常區(qū)，經(jīng)分析這些圈定的低阻異常區(qū)為頂板砂巖裂隙水富水區(qū)反映，局部由于受到斷層帶的影響，頂板砂巖區(qū)域富水性反映更明顯。

西三回風(fēng)巷和西三軌道巷探測斷面圖及物探綜合成果平面疊加效果如圖6所示。

圖6 物探綜合成果平面疊加圖

分析圖6可知，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，整個(gè)探測區(qū)域內(nèi)頂板圈定2處富水異常區(qū)域，而靠近斷層帶位置的頂板砂巖富水異常區(qū)域更明顯。分析這種現(xiàn)象的主要原因是由于斷層帶區(qū)域的頂板受到斷層構(gòu)造力的影響，裂隙更為發(fā)育，儲(chǔ)水空間更好，因此富水性更加明顯。

6 結(jié)論及建議

(1)應(yīng)用礦井瞬變電磁探測技術(shù)可以有效探測工作面頂板巖層含水體富水性特征，為煤礦制定工作面防治水規(guī)劃及安全措施提供有效的參考依據(jù)。

(2)在工作面采掘過程中，應(yīng)對(duì)圈定的頂板富水異常區(qū)域尤其是斷層帶附近的富水異常區(qū)域制定合理的探放水計(jì)劃，提前預(yù)疏放，避免頂板局部富含水區(qū)突水造成意外的水害事故。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

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

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05045001-004)

張榮財(cái)，姜鵬，黎靈等. 瞬變電磁技術(shù)在探測斷層帶影響下頂板富水性的應(yīng)用[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：44-48.ZhangRongcai，JiangPeng，LiLing，etal.ApplicationofTEMinanalyzingthewater-richroofundertheinfluenceoffaultzone[J].ChinaCoal, 2017, 43(7):44-48.

P

A

張榮財(cái)(1971-)，男，吉林汪清人，工程師，本科學(xué)歷，畢業(yè)于遼寧工程大學(xué)，從事煤礦技術(shù)管理工作。