綜合物探在大型斷層破碎帶探測(cè)中的應(yīng)用

李明星

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市，710077)

當(dāng)前煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，開采力度日益增加，資源開采逐漸走向深部。隨著煤礦開采深度增加，面臨的水害問題愈加復(fù)雜，煤礦帶壓開采現(xiàn)象越來(lái)越普遍，開采深度越大，承受的水壓越高。若煤礦掘進(jìn)或開采區(qū)域有斷層等構(gòu)造發(fā)育情況，極易導(dǎo)通含水層。特別是當(dāng)存在大型斷層時(shí)，由于其破碎帶范圍較寬且充填介質(zhì)復(fù)雜，裂隙發(fā)育及導(dǎo)水情況不明，對(duì)煤礦巷道安全掘進(jìn)造成很大威脅。當(dāng)前針對(duì)巷道前方水害隱患進(jìn)行探測(cè)的地球物理手段主要以電磁法為主，分為直流電阻率法和瞬變電磁法兩類。20世紀(jì)50年代，直流電阻率法最早由前蘇聯(lián)學(xué)者應(yīng)用于煤礦井下勘探中。從20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)研究人員開始研究并應(yīng)用煤礦巷道直流電阻率法超前探測(cè)技術(shù)。瞬變電磁法始于1933年美國(guó)科學(xué)家L. W. Blan 提出的”Eltran”法，但就礦井瞬變電磁而言，理論及應(yīng)用研究起步較晚，20世紀(jì)90年代后期開始，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位開始在煤礦巷道中應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)。每種物探方法的優(yōu)缺點(diǎn)不一樣，若用多種方法聯(lián)合的綜合物探技術(shù)，則能有效提高探測(cè)精度。為了更加準(zhǔn)確地探測(cè)斷層破碎帶水文地質(zhì)情況，對(duì)直流電法和瞬變電磁法進(jìn)行聯(lián)合研究，綜合解釋探測(cè)范圍內(nèi)的異常分布情況，提高對(duì)大型斷層破碎帶的探測(cè)解釋精度。

1 斷層破碎帶地球物理特征

斷層是地殼表層中巖層順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造。就其形成機(jī)理來(lái)說，巖石受構(gòu)造應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力超過巖石破裂強(qiáng)度極限時(shí)，巖石就會(huì)產(chǎn)生裂隙或斷開，連續(xù)性被破壞。大多數(shù)斷層，尤其是大型斷層的斷層面，一般不是一個(gè)單一的面，而是一個(gè)帶，可能是由一系列密集的破裂面組成，也可能是破碎的巖屑、巖塊沿破裂面方向組合而成，稱之為斷層破碎帶或斷層帶。斷層帶發(fā)育寬帶不等，一般從幾米到幾十公里不等。

通常來(lái)說，大型斷層發(fā)育有規(guī)模較大的破碎帶，破碎帶在電性上一般整體呈低阻特征。破碎帶之所以呈低阻反應(yīng)，主要是因?yàn)槠扑閹^(qū)域內(nèi)風(fēng)化程度高于兩盤相對(duì)完整巖體，破碎帶內(nèi)充填有風(fēng)化作用或熱液作用活動(dòng)產(chǎn)生的水飽和黏土。斷層破碎帶在地形地貌、補(bǔ)給水源等有利條件情況下，可能會(huì)形成斷裂型儲(chǔ)水構(gòu)造，電性上呈現(xiàn)相對(duì)低阻反應(yīng)，而斷裂帶兩盤的弱含水或不含水巖層呈現(xiàn)相對(duì)高阻。另外斷層破碎帶的電性特征與組成斷層破碎帶的巖礦石成分及上下盤巖體的構(gòu)成有關(guān)。斷層破碎帶一般有較高的孔隙度和滲透率，相對(duì)風(fēng)化程度高，容易接受沉積，因此破碎帶的電性特征與其內(nèi)沉積物電阻率高低相關(guān)性較高。

2 綜合物探超前探測(cè)技術(shù)

2.1 礦井直流電阻率法超前探測(cè)

礦井直流電阻率法超前探測(cè)屬于電阻率法的一個(gè)分支，是以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，基于全空間電場(chǎng)理論，探測(cè)和解釋有關(guān)礦井水文地質(zhì)問題的一種地球物理手段，主要是研究掘進(jìn)頭前方地質(zhì)體電性變化規(guī)律，預(yù)測(cè)前方含、導(dǎo)水構(gòu)造的分布和發(fā)育情況。

目前常見的直流超前探測(cè)大多采用點(diǎn)源三極裝置進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集工作，無(wú)窮遠(yuǎn)電極對(duì)巷道內(nèi)測(cè)量電極的影響可以忽略不計(jì)，其電場(chǎng)分布可近似為點(diǎn)電源電場(chǎng)。可利用全空間電場(chǎng)理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋。直流電阻率法超前探測(cè)裝置示意圖見圖1。

圖1 直流電阻率法超前探測(cè)示意圖

2.2 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法是以電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)的時(shí)間域電磁勘探方法。首先向回線源中通一定電流，建立穩(wěn)恒的一次場(chǎng)，在某一時(shí)刻切斷電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的一次場(chǎng)會(huì)激發(fā)二次場(chǎng)，此二次場(chǎng)的的電磁特性與地下地質(zhì)體的電性特征有關(guān)，利用接收裝置記錄下二次場(chǎng)，經(jīng)過分析就可以得到探測(cè)范圍內(nèi)介質(zhì)的地電信息。數(shù)學(xué)物理過程簡(jiǎn)述如下：

瞬變電磁理論數(shù)學(xué)表達(dá)式可由電磁場(chǎng)理論的基本方程—麥克斯韋方程推導(dǎo)得到。麥克斯韋方程最基本的表達(dá)式如下：

(1)

式中：B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，Wb/m2；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；

t——時(shí)間，s；

D——電位移矢量，C/m2;

j——電流密度，A/m2；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

ρ——電荷密度，C/m3。

式(1)進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

(2)

其中：

k2=-iωμσ+ω2με

(3)

式中：σ——電導(dǎo)率，C/m；

μ——磁導(dǎo)率，H/m；

ε——介電常數(shù)；

ω——頻率，Hz。

式(2)稱為電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程，亦稱為赫姆霍茲方程。解電磁場(chǎng)波動(dòng)方程得到磁場(chǎng)垂向分量頻率域表達(dá)式：

(4)

λ——積分變量；

r——發(fā)射回線半徑，m；

J0——零階貝塞爾函數(shù)。

然后利用特殊的數(shù)值算法即可將頻率域磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換到時(shí)間域，這便是時(shí)間域瞬變電磁法的基本數(shù)學(xué)原理。

礦井瞬變電磁法工作環(huán)境為井下巷道，由于空間有限，發(fā)射及接收裝置相比地面瞬變電磁都做了相應(yīng)的改進(jìn)，以便適應(yīng)井下探測(cè)環(huán)境。其探測(cè)示意圖見圖2。

圖2 礦井瞬變電磁超前探測(cè)示意圖

3 探測(cè)實(shí)例

錢營(yíng)孜礦運(yùn)輸巷掘進(jìn)前方存在F22斷層(組), 斷層落差240 m左右，主要充水水源為煤系地層砂巖裂隙水。運(yùn)輸巷沿-650 m水平掘進(jìn)，按照設(shè)計(jì)方案巷道掘進(jìn)前方將揭露F22斷層組，該斷層是礦井內(nèi)一條規(guī)模較大的樞紐正斷層，走向SN，傾向W，傾角為60°～75°，貫穿礦區(qū)，走向延展長(zhǎng)度大于6.5 km，落差0～350 m，運(yùn)輸巷附近F22斷層落差約為240 m，F(xiàn)22-1斷層落差90 m。斷層破碎帶寬約38 m，切割3#、7#、8#、10#煤層。因斷層為大型斷層，破碎帶較寬且充填復(fù)雜，且斷層附近構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，裂隙發(fā)育不均一，可能存在局部裂隙較發(fā)育且相對(duì)富水區(qū)域，威脅到巷道的安全掘進(jìn)。故采用綜合地球物理技術(shù)對(duì)運(yùn)輸巷掘進(jìn)前方地質(zhì)情況進(jìn)行勘探，以探明前方異常體分布情況，為巷道安全掘進(jìn)提供參考。

3.1 地質(zhì)概況

礦方針對(duì)該斷層設(shè)計(jì)了水文地質(zhì)勘探鉆孔。在斷層區(qū)域主要布置Z1、Z2、Z3等3個(gè)鉆孔，斷層及鉆孔示意圖見圖3。

圖3 斷層及鉆孔示意圖

根據(jù)勘探鉆孔揭露情況，F(xiàn)22斷層破碎帶一般多為泥質(zhì)充填，巖性較混雜，擠壓和揉皺現(xiàn)象嚴(yán)重，巖芯較破碎，鉆探穿過斷層時(shí)沒有發(fā)生漏水現(xiàn)象。

Z1孔位于斷層下盤，鉆孔揭露32煤層至太灰全部地層，終孔于灰?guī)r下44 m。Z1孔在進(jìn)入基巖界面251.08～258.45 m巖芯破碎，成分復(fù)雜，并見有滑動(dòng)面，經(jīng)與勘探資料對(duì)比，可確定該段為F22斷層帶，但斷層角礫及斷層泥尚未發(fā)現(xiàn)，也未見明顯涌漏水現(xiàn)象,鉆孔揭露灰?guī)r時(shí)無(wú)出水或漏水現(xiàn)象。Z3孔原設(shè)計(jì)在645 m處見F22斷層，經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)，在601.61～656.04 m段巖芯破碎，成分復(fù)雜，并見有滑動(dòng)面，未見明顯涌漏水現(xiàn)象，其中633.03 m以上巖芯為紫紅色斑紋泥巖及粉砂巖，633.03 m以下則多為灰-深灰色的泥巖及粉砂巖，未見32煤層以及上石盒子組底部的K3砂巖。經(jīng)鉆孔資料對(duì)比，Z3孔601.61～656.04 m段巖芯破碎可確定為F22斷層帶，斷層面在633.03 m處。通過Z1孔對(duì)斷層下盤附近深部的部分太灰含水層進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，含水層單位涌水量為0.021 L/s·m；Z2孔對(duì)斷層上盤的32煤層基巖混合水進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，含水層單位涌水量為0.002 L/s·m；Z3孔對(duì)F22斷層破碎帶進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，單位涌水量為0.003 L/s·m和0.005 L/s·m。表明在本區(qū)煤系地層砂巖、F22斷層帶、深部太灰等含導(dǎo)水性均弱。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

3.2.1 礦井直流電阻率法探測(cè)成果

根據(jù)巷道掘進(jìn)實(shí)際情況，在巷道掘進(jìn)到P60點(diǎn)前54 m位置時(shí)，采用礦井直流電阻率法和礦井瞬變電磁法超前探查掘進(jìn)頭前方斷層破碎帶電性特征。

礦井直流電阻率法施工采用三極裝置，在掘進(jìn)頭后方沿同一直線布置4個(gè)發(fā)射電極A1、A2、A3、A4，之后沿上述直線方向向后跑極，直到測(cè)完所需數(shù)據(jù)。礦井直流電阻率超前探測(cè)原始數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖4可以看出，兩組電極系探測(cè)成果對(duì)應(yīng)較好，主要異常位置均有反應(yīng)。利用兩組電極系數(shù)據(jù)并結(jié)合巷道揭露地質(zhì)情況，處理成果如圖5所示，圖中A、B、C泛指發(fā)射點(diǎn)。

圖4 礦井直流電阻率超前探測(cè)原始數(shù)據(jù)成圖

圖5 礦井直流電阻率超前探測(cè)成果圖

3.2.2 礦井瞬變電磁法探測(cè)成果

礦井直流電阻率法施工完成后，在巷道掘進(jìn)頭位置開展礦井瞬變電磁超前探測(cè)。共施工5個(gè)探測(cè)方向：仰角50°、仰角25°、順層、俯角25°、俯角50°方向。具體探測(cè)方向及散點(diǎn)圖見圖6。

圖6 礦井瞬變電磁超前探測(cè)散點(diǎn)圖

圖中掘進(jìn)頭位置坐標(biāo)(X,Y,Z)=(0,0,0)，從圖6中可以清晰的看出5個(gè)探測(cè)方向所組成的扇面。5個(gè)探測(cè)方向數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，將瞬變電磁成果在三維空間立體顯示情況如圖7所示。

圖7 瞬變電磁超前探測(cè)成果三維顯示

3.3 綜合物探資料解釋

為便于兩種方法比較，將瞬變電磁超前探測(cè)順層方向成果圖與直流電阻率法超前探測(cè)成果圖疊加到一起進(jìn)行解釋，疊加成果如圖8所示。

由圖8可以看出，將瞬變電磁正前方成果與直流電法成果進(jìn)行對(duì)比，直流電法成果3個(gè)異常與瞬變電磁正前方成果中異常位置吻合，但直流電法1號(hào)和2號(hào)異常位置偏向瞬變電磁異常邊界附近。瞬變電磁中異常范圍更大，分析原因?yàn)樗沧冸姶盘綔y(cè)時(shí)容易受巷道中金屬體影響，干擾較大，所以直流電法在深度方向控制精度優(yōu)于瞬變電磁法，且瞬變電磁法存在一定的體積效應(yīng)。

圖8 瞬變電磁與直流電阻率超前探測(cè)成果疊圖

根據(jù)物探結(jié)果及地質(zhì)情況，礦方進(jìn)行超前鉆探驗(yàn)證，根據(jù)超前探查鉆孔巖性特征、破碎程度等資料顯示，在巷道掘進(jìn)頭前方1號(hào)異常位置斷層帶破碎嚴(yán)重，主要由5#煤層組及其頂?shù)装迥鄮r充填，由于泥巖相對(duì)松散，加上煤層及瓦斯的影響，鉆孔存在塌孔情況；2號(hào)和3號(hào)異常位置斷層帶破碎，主要由紫斑泥巖充填，夾灰色泥巖及少量細(xì)砂巖。探測(cè)成果與實(shí)際地質(zhì)情況吻合較好。

4 結(jié)論

大型斷層破碎帶規(guī)模較大，充填介質(zhì)復(fù)雜，給煤礦巷道安全開拓造成了威脅。在巷道開拓過程中可采用綜合物探方法對(duì)大型斷層破碎帶進(jìn)行探測(cè)。經(jīng)實(shí)例證明，綜合物探方法探測(cè)精度較高，探測(cè)結(jié)果能互相印證，可信度較高。采用三維顯示技術(shù)對(duì)物探成果進(jìn)行顯示，可以更加方便地對(duì)異常體位置及范圍進(jìn)行圈定。探測(cè)資料能夠?yàn)榈V井水害治理提供有力的技術(shù)保障。