基于三維數值模擬及礦井瞬變電磁法的導水構造探測研究

孫 林，曹路通

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013)

我國大多數含煤盆地歷史上經歷過多期次構造運動影響，導致其多數煤層構造發育、非均質性強[1]。隨著我國煤礦開采的不斷加深，煤層潛在的底板突水構造及導水斷裂威脅日益加大。尤其是斷層、陷落柱以及巖溶等常見的隱伏災害地質體，在巷道掘進或煤炭開采過程中，若不能清晰地揭示這些災害地質體的空間方位特征，不能探明其富水狀況，將影響煤礦正常的掘進及開采進程，甚至會造成礦井突水等嚴重災害[2]。目前常用于井下富水異常區域地球物理超前探測的方法有直流電法、無線電波透視法、瞬變電磁法、地質雷達、地震反射波法等。其中，礦井瞬變電磁法以其探測深度大、指向性好、效率高、對低阻異常反映靈敏等優勢被廣泛應用[3-6]。1998年中國礦業大學首次在井下開展了瞬變電磁法的實驗研究，隨后于景邨[7]基于井下試驗及物理模擬提出了時深轉換算法并開展了井下干擾因素分析，為井下瞬變電磁法的應用奠定了基礎。薛國強[8]通過分析不同現況及電性地電情況，提出了計算瞬變電磁法探測深度范圍的方法和依據。王揚州等[9]基于礦井瞬變電磁法超前探測理論，論證了該方法超前探測地質異常的可行性。程久龍等[10]提出了礦井瞬變電磁波長變換及綜合成像方法，實現了地層電性界面的精確定位。牟義[11]采用瞬變電磁法結合切片技術，探明了工作面頂板富水異常。為了提高地質復雜條件下的探測精度，李江華等[12]采用瞬變電磁法和槽波勘探2種物探方法綜合探測，有效揭示了工作面內部的導水構造。袁德鑄[13]采用遠距離聲波超前探測法和礦井直流電法，綜合查明了落差大于等于1/2煤層厚度的隱伏含水斷層，雖然2種或2種以上綜合物探方法會提高探測精確度，但同時工程量增大，成本增加，且井下施工時間更長，會造成影響生產進度等諸多潛在問題。

本文以內蒙古烏海市滴力幫烏素煤礦西翼北部軌道下山存在的導水斷層探測為研究目標，首先，基于目標區域巖層地電特征及導水構造賦存情況建立三維地質模型，運用Maxwell軟件進行數值模擬，揭示區域導水構造的電磁響應特征，為后期探測成果解譯奠定基礎；然后，利用礦井瞬變電磁方法，通過系統性的數據采集、適應性的處理、反演計算和綜合解釋，揭示了巷道左側幫及掘進巷道掘進面前方的導水斷層，修正了前期三維地震勘探所解釋該斷層的空間位置；最后，通過鉆孔實施了驗證。因此，在區域三維地電模型數值模擬的基礎上，通過系統性的礦井瞬變電磁法采集—處理—解譯，可有效地探明區內導水構造的空間方位，證明了該方法的可靠性，為該區及相鄰地區的煤礦導水斷層探測提供了較好的借鑒意義。

1 研究區概況

研究區位于桌子山背斜與崗德爾—西來峰斷層之間，整體為一向南西傾斜的單斜構造，地層走向N20°W，地層產狀平緩，一般8°～12°，平均9°。區內主要開采石炭—二疊系的9號和16號煤層，其中16號煤層厚度1.25～7.05 m，平均厚3.87 m，屬厚煤層，目標回采煤層。井田東翼為11采區，西翼為12采區。此次研究的軌道下山位于本井田西翼北部，為12采區的輔助運輸。軌道巷施工至變坡點下部365 m處，巷道頂板、左幫、右幫均發現出水現象，經注漿處理后，巷道兩幫及煤層頂板的滴淋水現象逐漸減小，但其掘進面靠左幫水量變大，甚至總涌水量達65.8 m3/h，造成該巷道無法繼續向前施工。針對這種現象，需技術人員開展探測工作，探明導水異常，為生產的持續安全推進提供支持。

2 方法原理

2.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetics Method)是以地殼中巖(礦)石的導電性與導磁性差異為主要物質基礎，根據電磁感應原理，利用不接地回線或接地線源向地下發射脈沖電磁波作為場源(一次脈沖磁場)，在一次脈沖磁場的間隙，基于線圈或接地電極觀測地下目標體在激發場的作用下產生的感應渦流場，研究該場的時空分布規律，進而解決相關地質問題的一種時間域電磁法[14-16]。一般情況下，在探測方向導電巖礦體中產生的感應電流在斷電后，由于熱損耗會隨時間衰減，該衰減過程可分為早期、中期和晚期。其中，早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；晩期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征[7]。

2.2 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法的基本理論與地面瞬變電磁法基本一致。但由于在地下數百米深度內的巷道里實施探測的，電磁場呈全空間的分布特征，即為瞬變電磁全空間響應，此時在線圈的兩側都會產生“煙圈效應”(圖1)。

圖1 全空間瞬變電磁場的傳播Fig.1 Propagation of transient electromagnetic field in full space

在井下實施探測時，以線框法線方向和目標探測方向一致，在發射線圈內通以躍階電流，并通過接收線圈觀測二次場。基于二次場的感應電動勢隨時間的變化，揭示了有效探測距離內目標體的電磁響應規律，通過對測得數據進行系統性的處理和解譯進而揭示目標方向有效范圍內的地質現象，如異常的空間方位、異常體的大小、異常幅度等，進而為煤礦的安全、高效生產提供地質依據[7，17]。礦井瞬變電磁法探測過程中，線圈接收到的是巷道周圍全空間內有效探測距離內所有巖層電性特征的綜合響應。因此，礦井瞬變電磁測得的區域視電阻率應為探測區域內全空間巖層電性特征的綜合響應，相應的視電阻率的計算公式演化為[18]：

10-12(SN)2/3(V/I)-2/3t-5/3

式中，C為全空間響應系數；S為發射線圈面積；N為發射線圈匝數；t為二次場衰減時間；V為感應電位；I為激發電流強度。

3 三維數值模擬

不同的巖性，其內部結構、組分、礦物成分、物性等的差異會導致其電阻率值不同，使同一種巖性其內部受孔—裂隙、是否含破碎帶、含水體和軟弱夾層等的影響也會導致其電阻率值存在較大的差異[19-20]。區內16號煤層頂板為深灰色砂質泥巖、粉砂巖，局部為細粒砂巖，底板為灰泥質砂巖、泥巖。基于區域鉆孔煤層段三側向電阻率曲線表明煤層段電阻率明顯高于頂底板其他層位的電阻率。煤層與圍巖間電性差異越大，其電磁響應越明顯，其探測效果越顯著。結合地層巖性及電性分布，建立了如圖2(a)中的地電模型：泥質砂巖頂板、中部煤層、導水構造和巷道以及砂質泥巖底板。其中，空巷電阻率最高為10 000 Ω·m，煤層為450 Ω·m，而導水構造帶的電阻率最低(20 Ω·m)。地電模型中的具體參數設置見表1。

圖2 三維模型及其超前探測正演結果Fig.2 3D model and forward modeling results of advanced detection

表1 正演模型地電參數Tab.1 Geoelectric parameters of forward model

基于巷道掘進面靠左幫水量變大現場情況，建立模型過程中將導水構造帶設置在掘進面左幫前方50 m方位(圖2(b))。模型超前探測正演結果如圖2(c)所示，揭示了掘進面前方視電阻率分布情況。其中，在巷道掘進面的位置由15 m左右的盲區，左右側幫及正前方有效探測距離80 m。整體來看，在掘進面左前方30°～60°方位，存在1個明顯的低阻異常現象，異常范圍距離掘進面在45～60 m，其余區域為中高阻響應。該正演結果的異常空間位置與模型中異常體的相對位置較為吻合，表明了瞬變電磁法超前探測方法可以在本區較為準確地揭示掘進面前方的異常地質現象。

4 富水異常探查及驗證

4.1 數據采集方案

研究區前期地面三維地震勘探解釋的SF32斷層發育于該掘進巷道的左側并延伸至掘進面正前方，在掘進面前方存在SF31斷層，鑒于在注漿處理后，巷道兩幫及煤層頂板的滴淋水現象逐漸減小，但其掘進面靠左幫水量變大，總涌水量達65.8 m3/h，此次探測在實施掘進面超前探測的同時在巷道的左側幫上也進行了工作布置。具體工作探測區域如圖3所示。

圖3 探測區域示意Fig.3 Schematic of detection area

此次探測在掘進面完成斜向上45°、水平方向以及斜向下45°三個超前探剖面，每個剖面都完成了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°共13個角度的測量。左側剖面按10 m的點距完成斜向下45°、水平剖面以及垂直向下剖面3個剖面各310 m的探測。此次礦井瞬變電磁探測采用最新Terra-TEM型瞬變電磁儀。2 m×2 m的多匝重疊回線裝置，發射線框為40匝，接收線框為50匝。

4.2 數據處理及成果分析

采用礦井瞬變電磁法探測精細處理軟件系統，對采集的原始數據進行預處理、磁場計算、視電阻率計算、基于煙圈理論的數據反演、深度校正、時深轉換等處理，獲得了掘進面超前探和巷道左側幫多角度瞬變電磁探測視電阻率數據及其圖件，并結合區域地質背景進行成果分析和解譯。

(1)巷道左側幫多角度探測成果分析。巷道左側幫視電阻率等值線如圖4所示。圖4(a)中，該區域整體電阻率值偏小，相對低電阻率異常明顯，距巷道45～50 m處為視電阻率轉換臨界深度，45 m以深為低電阻率異常反映，45 m以淺為中—高電阻率反映。基于此，探測深度45～50 m以里的區域為富水異常發育，推斷富水性較強。而從巷道左側幫斜向下45°視電阻率等值線圖可以看出，該區域揭示的相對低電阻率異常不甚明顯(剖面50～70 m處為干擾引起的低阻響應)，在75～85 m深度存在一視電阻率轉換臨界面，該深度在水平和垂向上和圖4(a)中的視電阻率轉換界面相對應。由圖4(c)可知，在巷道下部有效探測距離以內(100 m范圍內)均為中高阻反映，無低阻異常，認為巷道下部無富水異常發育。

圖4 左側幫多角度視電阻率等值線Fig.4 Apparent resistivity contour map direction of left side slope

綜合分析巷道左側幫不同角度瞬變電磁視電阻率探測成果(圖4)，表明在巷道水平方向45～50 m處存在1個視電阻率轉換臨界面，該臨界面以深為低電阻率異常反映，以淺為中—高電阻率反映。在巷道斜向下45°探測結果中視電阻率轉換臨界面與水平方向探測相吻合，在垂直向下探測中未揭示低阻異常。綜合認為，該導水斷層在巷道左側幫，且距巷道左側幫水平方向45～50 m的位置。

(2)掘進面超前探多角度探測成果分析。軌道下山巷道掘進面斜向上45°、水平方向和斜向下45°超前探視電阻率等值線如圖5—圖7所示。不同角度探測結果顯示，各個角度上其電阻率普遍較低，表明在巷道掘進面的前方總體富水異常較發育。圖6清晰地揭示了在巷道掘進面左側40 m和前方40 m范圍內表現為相對高電阻率反映，大于40 m的區域呈現低阻現象，表明該導水斷層的位置是在掘進面的左側和前方，這與巷道左側幫呈現的視電阻率特征及其推斷的導水斷層方位相一致。掘進面斜向上45°超前探視電阻率特征(圖5)表明左側距離40 m以外為低電阻率反映，水平方向超前探視電阻率特征(圖6)表明左側距離60 m以外為低電阻率反映，而斜向下45°超前探視電阻率特征(圖7)表明左側距離80 m以外為低電阻率反映，由此可以推斷該斷層是向巷道的左側傾斜，這與地面三維地震推斷的斷層傾向也一致。

圖5 斜向上45°超前探視電阻率等值線Fig.5 Apparent resistivity contour map of 45° upward

圖6 水平方向超前探視電阻率等值線Fig.6 Apparent resistivity contour map in horizontal direction

圖7 斜向下45°超前探視電阻率等值線Fig.7 Apparent resistivity contour map inclined downward 45°

4.3 綜合分析

基于巷道左側幫探測及巷道掘進面不同角度超前探測成果這里對前期三維地震解釋斷層位置進行了修正(圖8)。圖8中，原來由地面三維地震揭示的斷層，即SF32斷層呈現NW-SE向穿過巷道及掘進面位置，且存在此次礦井瞬變電磁左側幫剖面的相對高電阻率反映，這與現場掘進面靠左幫總涌水量65.8 m3/h的事實不符。在巷道掘進過程中，并沒有揭露該斷層，表明三維地震解釋的斷層位置及其精度存在一定的誤差。而此次礦井瞬變電磁探測方法，依據左側幫及巷道掘進面視電阻率剖面上的低阻異常分布規律對導水斷層的位置進行了重新厘定，圖8中的粗虛線為本次綜合解釋的斷層展布特征。該斷層在距巷道左側幫水平方向45～50 m的區域，延伸至掘進面左前方40 m區域出現了向掘進面前方偏右方向的偏移，且在掘進面方向的視電阻率剖面上的低電阻率異常較顯著，推斷SF32導水斷層在該范圍內的富、導水性較強。

圖8 綜合推斷成果Fig.8 Comprehensive inference result

4.4 驗證情況

根據礦井瞬變電磁法的探測分析成果，分別在左側幫、右側幫和巷道掘進面布置了鉆探工作，左側幫的鉆孔剖面50 m處和10 m處，分別水平鉆進，結果在前方40 m處出現地層破碎現象，斷層得到揭露，與礦井瞬變電磁推斷的導水斷層位置相一致。同時，在右側幫也進行了水平鉆探工作，雖然水平鉆進60 m，也沒有發現巖層破碎現象，也沒有水量涌出。由于推斷SF32斷層在掘進面前方方向發生了變化，與掘進面方向垂直，為了安全起見，鉆探工作進行前在巷道掘進面砌了厚20 m的密閉墻，在此基礎上進行了多個鉆孔的鉆探工作，結果是在掘進面正前方鉆進到40m時開始出水，鉆進深度越大，則出水量越大，水的壓力也越大。也就是說，在掘進面正前方反映的出水量比在左側幫大，這種現象在剖面視電阻率絕對值上也得到明顯反映。

綜合表明，SF32導水斷層在此次礦井瞬變電磁法探測中得到了明顯的電性異常響應。在數值模擬的基礎上，結合礦井瞬變電磁法探測結果，準確反映了SF32導水斷層的位置與導水性，修正了地面三維地震解釋斷層位置的誤差，為下一步導水斷層的注漿治理提供了良好的地質依據。

5 結論

(1)基于區域地電特征的三維數值模擬正演可以揭示區內異常構造的電磁響應特征，明確響應現象，為后期數據處理及資料解釋提供依據。

(2)基于巷道左側幫和掘進面超前探測，綜合分析明確了SF32導水斷層的方位，在距巷道左側幫45～50 m的區域呈東西向展布，延伸至掘進面左前方40 m區域出現了向北西方向的轉向。經鉆孔驗證了該導水斷層的方位。

(3)此次探測基于區域地電特征實施三維數值模擬正演揭示區內異常構造的電磁響應特征，并通過有針對性的礦井瞬變電磁法探測及解釋，可以較為有效地揭示區內異常地質現象，為礦井防治水工作提供了良好的地質依據。