基于鉆孔瞬變電磁法的斷層富水性三維空間探測

陳 強，楊建華，韋 華，邢修舉

(1.兗州煤業股份有限公司 濟寧三號井煤礦，山東 濟寧 272000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

水害是煤礦巷道掘進中面臨較為突出的地質問題，斷層、破碎帶、陷落柱是常見的導含水通道，其發育范圍及位置嚴重影響煤礦安全生產[1-3]。在巷道掘進時，提前做好超前地質預報工作，為巷道掘進提供較準確的地質參考資料就顯得尤為重要。大量文獻資料詳細闡明了斷層構造發育規律和突水、涌水特點以及相關預防預測技術，但對于復雜地質條件或地質資料不詳的區域，如何有效預測巷道前方潛在的地質構造異常仍然是技術難點。目前用于巷道掘進面的地質預報方法有鉆探法和物探法，其中鉆探方法具有一定的盲目性，施工周期較長、效率低；物探方法因其無損、高效被廣泛應用[4]。目前探測富水斷層的物探方法有礦井直流電法和礦井瞬變電磁法等，傳統的瞬變電磁法具有工作效率高、縱橫向分辨率高和對低阻反應靈敏等優點，同時極易受到巷道內金屬體等干擾，影響探測成果解釋精度[5-6]。相對于傳統的瞬變電磁法，鉆孔瞬變電磁法改變收發裝置的尺寸及探測方式，將收發裝置推送進鉆孔中，同時探測3個分量的瞬變電磁響應信號，由于更靠近目標體的探測，通過分析解釋可以有效分辨異常在鉆孔四周的分布范圍。如果鉆孔有出水，結合異常分布范圍，可以有效辨別出水是來自鉆孔頂部還是底部，指導后續采取措施。

1 鉆孔瞬變電磁探測技術

1.1 鉆孔瞬變電磁法

礦井鉆孔瞬變電磁法是礦井瞬變電磁法的一種裝置形式，即將發射線圈和接收探頭在鉆孔中逐點進行測量，在發射場源激勵下鉆孔周圍地質體中產生瞬變電磁場，裝置形式如圖1所示。鉆孔瞬變電磁法是一種時間域瞬變電磁法，在發射線圈中通一間歇性電流，在間歇期間，三分量接收探頭接收來自發射線圈激發煤層及周圍巖體產生的二次場電磁感應信號，通過對三分量信號的強度及時間關系的分析，探測空間內異常體在鉆孔周圍空間分布及強弱[7-8]。

圖1 鉆孔瞬變電磁探測示意

1.2 鉆孔瞬變電磁探測技術

鉆孔瞬變電磁探測裝置主要分3個部分：主機、收發探頭、連接大線。在探測目標區域首先將要探測的鉆孔清孔，確保探頭能夠順利推進及拉出。利用鉆孔瞬變電磁三分量探測技術探測斷層富水性的施工流程主要通過以下步驟實現。①準備工作。將主機開機設置好發射頻率及采樣頻率等相關參數，將連接線和三分量收發探頭連接好，確保設備正常工作。②測量工作。準備工作完成后，將三分量探頭推送進鉆孔至第1個測量點后靜止，開始測量并記錄當前位置探管方位姿態信息(傾角、方位角和工具面角)，孔口記錄當前測量時間及深度信息；然后每推進1.5 m后，重復記錄當前位置探管方位姿態信息，孔口記錄當前測量時間及深度信息，直到達到探測需求的深度。③探管送至孔底后完成探測工作，通過孔口裝置對孔中探管內部存儲數據發起回讀操作。④鉆孔瞬變電磁工作方法本質上仍屬于中心回線裝置類型，其垂直分量實測數據曲線形態與礦井瞬變電磁探測數據曲線形態基本相同，僅是因為發射線圈尺寸與匝數的原因而導致電感影響較大。因此，數據處理方法可參考礦井瞬變電磁，對于采集的原始數據導入計算機進行重復數據的挑選、剔除畸變點→數字濾波→感應電位—時間的對應關系轉換成視電阻率值—時間的對應關系→時深轉換，計算每個時間道對應的深度→處理成圖→依據X、Y方向接收到的瞬變電磁曲線形態來確定異常中心的空間位置。

2 鉆孔異常空間定位數值模擬

定性分析是孔中TEM 資料解釋的重要手段，其出發點是對渦流場分布的認識和假設。為了強調不均勻場的影響，蔣邦遠以偶極場中直立薄板位置處的一次場(H1X)場強的計算及二次場(H2X)的測試做了實驗，結論是感應場最強的部位正是被感應場最強的部位，相應的渦流以二次場(H2X)為中心最強，向兩側、向下渦流密度越來越小，而板的上緣部分渦流受邊界約束而加密，故將二次場極大值處(H2Xmax)稱為“等效渦流中心”，瞬變場的磁力線可以看作中心在這里的等效偶極子場或等效電流環場的磁力線[9-11]。基于以上研究成果，設計模型如圖2所示。在鉆孔深度方向50 m處，放置一個規模為20 m×20 m×6 m的板狀異常體，異常體中心點距離鉆孔15 m，與水平方向的夾角為45°。繪制三分量異常響應多測道如圖3所示。為了方便討論模型空間位置，規定X分量與Y分量正方向之間區域為第一象限，逆時一次定義為二、三、四象限(圖3(d))。

圖2 板狀異常體模型示意圖及參數

圖3 模型一的三分量異常場

從圖3可以可以看出，三分量響應均在異常深度處(50 m)有明顯的變化特征，水平表現為感應電動勢變號，其中，X分量為由負變正、Y分量為由正變負，即巷—孔瞬變電磁探測中用來表述水平分量響應形態的“S”形態和反“S”形態，垂直分量在異常深度處呈現單峰形態。

通過多組不同方位異常體模擬結果來看，根據Z分量單峰位置判斷異常深度、根據水平分量“S”形態判斷異常所在的象限的方法是可行的[12-14]。具體規律如圖4所示。

圖4 異常位水平分量響應形態

3 應用實例

兗州煤業股份有限公司183下05工作面輔運巷靠近切眼段外側環形構造是由地面三維地震資料解釋的多個斷層組成的，主要由KF1819、KF1820、KF1820-2共3個斷層組成，在183下04工作面切眼北側延伸至濟寧二號井井田。其中，經實際揭露和綜合分析，KF1819、KF1820-2斷層最大落差分別為6、5 m；兩斷層在濟二煤礦93下08、93下09巷道揭露時均無水。在濟三煤礦183下04輔運巷施工的6個3煤頂板探放水，其中4孔出水，最大水量43 m3/h，水壓0.25 MPa，水質為SO4HCO3-Na·K型。在183下05輔運巷以東，到KF1819斷層最近65 m，到KF1820斷層距離最近235 m。為進一步查明該區域富水情況，減少對183下05工作面回采時的充水影響，在183下05輔運巷側幫向斷層方向順煤層打2個水平鉆孔，如圖5所示。1號鉆孔深93.0 m，2號鉆孔深101.5 m。其中，2號孔在鉆進至12 m處有少量出水，出水量約0.3 m3/h。采用鉆孔瞬變電磁法在1、2號鉆孔進行了鉆孔瞬變電磁探測施工，為該區段環形地質構造對183下05工作面回采的水文地質影響做出分析評價。

圖5 鉆孔瞬變電磁探測施工位置

在視電阻率斷面圖上，若地層不受含水區或含導水構造影響，煤系地層的電阻率有序變化，在視電阻率斷面圖上等值線呈似層狀分布；當存在低阻含水區或含導水構造時，異常處電阻率值降低，等值線分布表現為扭曲、變形或呈密集條帶等形狀。視電阻率斷面圖橫軸為水平距離。其中，0 m位置對應鉆孔靠近巷道幫壁位置，測量編號0號點，縱軸為探測深度。

1號鉆孔瞬變電磁探測視電阻率低阻異常斷面如圖6所示。此次該孔最大探測深度為32 m。

圖6 1號鉆孔瞬變電磁探測視電阻率等值線斷面

圖6中共發現3處相對低阻異常區，分別編號為1號、2號、3號異常區。①1號異常發育在鉆孔深度19～33 m，垂直鉆孔4～29 m；②2號異常發育在鉆孔深度39～54 m，垂直鉆孔0～25 m；③3號異常發育在鉆孔深度80～93 m，垂直鉆孔0～32 m。

2號鉆孔瞬變電磁探測視電阻率低阻異常斷面如圖7所示。此次最大探測深度為32 m。圖7中共發現4處相對低阻異常區，分別編號為1號、2號、3號、4號異常區。①1號異常發育在鉆孔深度12～22 m，垂直鉆孔0～32 m；②2號異常發育在鉆孔深度38～46 m，垂直鉆孔0～28 m；③3號異常發育在鉆孔深度64～73 m，垂直鉆孔0～26 m；④4號異常發育在鉆孔深度92～101 m，垂直鉆孔12～32 m。

圖7 2號鉆孔瞬變電磁探測視電阻率等值線斷面

通過綜合對比1號、2號鉆孔瞬變電磁探測成果中順鉆孔方向(Z方向)異常位置對應的水平方向(X、Y方向)的瞬變電磁響應曲線形態，確定異常在鉆孔的孔間位置。經過綜合處理后，通過Voxler三維成圖軟件，將異常空間展示在1號、2號鉆孔周圍，其異常的空間形態如圖8所示，異常主要分布在鉆孔的上方，推測主要是鉆孔頂部砂巖層位局部弱富水所致，鉆孔底部30 m范圍沒有明顯的低阻異常區，推測該斷層不存在導通底部灰巖層含水層的通道。

圖8 鉆孔瞬變電磁異常的空間形態

資料提交后，礦方在183下05輔運巷外側幫K導線點南10 mN導線點北20 m之間區段對煤層頂板砂巖施工4個探查孔、底板方向施工3個探查孔，頂板探查孔依次采用仰角10°、和30°鉆進，鉆進過程中鉆孔均有少量出水，終孔后水量幾乎為0，推測是頂板局部靜儲量砂巖水；頂板方向均采用俯角60°鉆井，鉆孔孔深均為75 m，3個底板鉆孔均無水，驗證了此次探測結果的準確性。說明了鉆孔瞬變電磁法探測該類問題的有效性，為物探方法的合理使用和對該類問題的提前探測提供了良好的技術參考。

4 結論

(1)鉆孔瞬變電磁法探測三分量的地質異常體瞬變電磁響應特征，通過X、Y分量形態可有效判別地質異常體在鉆孔的空間位置。

(2)在濟寧三號井煤礦的應用結果顯示，鉆孔瞬變電磁探測可效有細分異常體的空間范圍，能夠對斷層富水性及出水來自煤層頂底板做出判別，可有效減少鉆探工作量，提高煤礦生產效率。