瞬变电磁法在野三关东坡二井透水事故抢险中的应用

徐小连，刘金涛，周万勇

(1．湖北煤炭地质局，湖北武汉 430062;2．湖北煤炭地质物探测量队，湖北武汉 430200)

巴东县野三关矿业东坡二井“8·13”透水事故发生后，湖北省、恩施州及巴东县政府高度重视，组织多家地质单位到现场勘查，力求找到透水通道及补给来源，经过几天勘查并未取得理想成果。井下抽水，水位没有明显下降，救援形势较严峻，因此，本单位采用瞬变电磁法进行探测，查明透水通道及补给来源，为现场救援提供基础地质资料。

1 测区地质概况

矿区地层由新至老分别为:第四系(Q)、三叠系下统(T1)、二叠系(P)、泥盆系(D)、志留系中统(S2)。

第四系(Q)为冲积物、坡积物、残积物等，主要发育于麻沙河、刘家岭、黄凉坪等处，最大厚度可达115．16 m，一般为4～15 m。

三叠系下统(T1)主要为大冶群(T1dy)，分为三层，岩性为灰色中厚层状微晶灰岩、泥质灰岩，与下伏地层呈假整合接触。

二叠系(P)上统由大隆组(P2d)、长兴组(P2c)、龙潭组(P2l)组成，下统由孤峰组(P1g)、茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)、马鞍组(P1ma)组成。岩性主要为硅质岩、灰岩、泥质灰岩、石英砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩等组成，马鞍组含煤一层，有分叉现象。

石炭系中统(C2)黄龙群(C2hn)岩性为厚层状隐晶质灰岩、白云岩。与下伏地层呈假整合接触。

泥盆系(D)上统(D3)写经寺组(D3xj)为灰—灰绿色厚层状泥灰岩，黄家蹬组(D3h)为粉砂质泥岩、砂岩。中统(D2)云台观组(D2yn)为灰白色厚层状细粒石英砂岩，夹紫红色中厚层状粉砂岩，与下伏地层呈假整合接触。

志留系中统(S2)纱帽群(S2sh)为黄绿色泥质粉砂岩。

麻沙矿区位于次一级的长阳—五峰箱状褶皱束与巴东—咸丰紧密褶皱束接壤处的四级构造云台荒向斜北翼。

区域内构造以褶皱为主，由北向南，主要有葛藤山—五龙背斜，云台荒向斜，榔坪背斜及长岭向斜。断裂构造一般都发生于褶皱拐弯处及褶皱之倾伏端。

麻沙矿区地层倾向南南东，倾角较平缓，一般8°～20°。在东南部倾角变陡可达48°～65°。东坡二号井煤矿矿区范围内有 F4、F8、F9、F11四条断层。

大气降水是本区地下水的主要补给来源之一。其补给方式主要有二种:其一是通过含水层露头地表裂隙、溶隙呈面状渗入补给;其二是由岩溶洼地、漏斗汇集(包括降水及上复含水层的悬挂水)，并通过其中的落水洞呈灌注式补给。地下水的另一种重要补给来源为山间溪表流水，这种补给源主要见于麻沙矿区一带。河水通过河下的岩溶裂隙通道，对地下水形成经常性的、线状的补给。

矿区内含水层自上而下有:第四系孔隙含水层(主要分布于麻沙河谷地带)、三叠系下统大冶群灰岩、二叠系上统长兴组灰岩、二叠系下统茅口组和栖霞组灰岩，以及中石炭统黄龙群灰岩。对煤矿充水有直接影响的主要为黄龙群灰岩、栖霞与茅口组灰岩及分布于麻沙河谷地段的第四系含水层。

隔水和相对隔水层(组)自上而下有:上二叠统大隆组及龙潭组，下二叠统孤峰组和马鞍组，以及上、中泥盆统写经寺、黄家蹬与云台观组。上述隔水、相对隔水层(组)相间分布于各岩溶裂隙含水层之间，从而使矿区含水层具有多层结构的特点。

地下岩溶以溶洞为主，溶隙次之。溶洞最发育的地层为栖霞组，其次为黄龙群及长兴组，再次为茅口组，在揭露的溶洞中，为卵石、细砂和粘土充填的有43个，总充填高度240．45 m，充填率为33．4%。

马鞍组底板黄龙群灰岩溶隙承压水(以下简称底板水):主要通过煤层底板石英砂岩裂隙发育带、断层带及底板原始凸起部位进入矿井。东坡二井运输大巷布置于黄龙群灰岩中，即破底板掘进，则底板水的进水面积将明显增加，并使底板水朝此大巷云集。

井田工业煤层与栖霞组灰岩底板垂距一般仅4～10 m，有的不足2 m，其间没有足以起隔水作用的岩层存在，开采过程中，顶板溶隙水将直接进入坑道，成为矿井水补给源之一。

2 地球物理特征

测区煤层位于二叠系下统马鞍组，煤层距地表深度约210～220 m。第四系地层电阻率为50～100 Ω·m;二叠系地层电阻率为200～700 Ω·m;石炭系灰岩电阻率为300～400 Ω·m。各地质层之间电性差异明显，具备使用地球物理勘探方法的前提条件。完整灰岩视电阻率相对较高，如果灰岩中岩溶发育，则电阻率会显著变低。此次产生突水的大巷位于煤层底板石炭系中统黄龙群灰岩中，若有导水通道存在电阻率会明显降低，这也正是利用电性差异探测富水异常的前提条件。

3 方法原理概述

瞬变电磁法是研究电磁感应二次场的一种地球物理勘探方法。在发射回线内发射一脉冲阶跃电流，当电流断开的瞬间地表将产生感应涡流电磁场，随着时间的延长，感应涡流电磁场向下向外扩张。当发送回线中电流突然断开时，在下半空间中就要被激励起感应涡流以维持在断开电流以前存在的磁场，此瞬间的电流集中于Tx附近的地表，并按r-4规律衰减(r为Tx中心至观测的距离)。随后电流开始扩散到下半空间中，在切断电流后的任一晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的“环带”形，随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩展［1-2］。

M．N．Nabighian指出，感应涡流电场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流场的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环相等效，图1表示了电流切断以后三个时刻的地下等效电流环分布略图，它为一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”，它的等效电流为感应涡流电磁场向下向外扩张的同时在接受回线内激发起二次感应电磁场，二次感应电磁场的磁场矢量在晚期由下式确定:，其中:M为发送磁距，ρ为岩石视电阻率，t为延时。由上式可知，接受信号的强弱不仅跟发送磁距M和延时t有关，而且还与回线下半空间岩石综合电阻率ρ有关。

图1 半空间中的等效涡流环

因而可利用采集的数据求取各个测点不同深度的岩石视电阻率，利用岩石视电阻率差异来探测和分辨地质体［3-4］。

4 野外工作

4．1 仪器及工作装置的选择

数据采集使用加拿大产PROTEM-67D瞬变电磁勘探系统，该系统具有以下特点:①动态范围大;②抗干扰能力强，施工方式灵活;③灵敏度高，发射机电流大［5］。

主要性能参数为:最大供电电流25 A;积分时间0．25 ～120 s;增益 20～26倍;采样道数 20/30;同步方式为石英钟同步/参考线同步;动态范围 29 bits(175dB);输出电压18～150 V，连续可调;发射框可无限大;接收线圈为三分量接收探头(有效面积200 m2)。

工作装置采用大定源回线装置(见图2)。Tx为供电发射线框，Rx为接收线圈。物探工作布置主要围绕出水点，以出水点为中心布置一个矩形框，在线框中心地段观测。

图2 大定源回线装置示意图

大定源回线装置与目标体具有最佳耦合，异常幅值大，形态简单，受旁侧地质体影响小;对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力。这种场源具有发射磁矩大，场均匀及随距离衰减慢等特点，适合于密集点距采样，利于精细探测。

4．2 试验工作

经现场试验，瞬变电磁法工作参数选择如下:发射线框边长:300 m×300 m;接收线圈面积:200 m2;发送基频:25 Hz;发送电流:15 A;积分时间:30 s。电压衰减曲线仅晚期1～2道略有畸变，信噪比较高。

4．3 测网布置及工作量

测网布置以D20出水点为中心布置5条平行的长测线，线距10 m，点距10 m，测线长100 m。D20附近加密测线，线距5 m，点距5 m，加密测线长40 m。共布置测线9条，坐标点126个。测线布置方向为北东向。

5 资料处理与解释

资料处理按图3流程进行。

图3 资料处理流程图

资料处理后，根据拟二维反演成像结果绘制深度—电阻率剖面图及相关目的层电阻率参数平面图。资料解释遵循从已知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到全区的原则。

井下出水点在地面的投影位置位于瞬变电磁法520～240测点(地面桩号为D20)垂深210～220 m左右。

图4为540测线电阻率剖面图，地表第四系覆盖很薄，部分有二叠系基岩出露，剖面图中上部为二叠系地层反映，中部及中下部分别为石炭系及泥盆系地层反映。在230～250测点下方存在一垂向高角度低阻异常，推断为富水异常。图5为520测线电阻率剖面图，地层结构反映清晰，在剖面图下方存在一个低阻异常，推断为富水异常。

图6为220 m深度电阻率等值线图，在D20南部发育有一个低电阻率条带，方向为北东—南西，推断此处为“8·13”透水事故透水主要导水通道，本次透水以黄龙灰岩的岩溶通道水为主。

从地形地质及井上下对照图上看，“8·13”透水事故透水点D20位于向斜轴部，在该向斜的西翼还发育有次一级褶皱，在D20西约200 m发育有一条规模较大的北东向破碎带，因此，该地段岩层较破碎，岩溶较发育，推测“8·13”透水事故主要水源位于该地段，即向斜西翼，破碎带与向斜轴之间区域。

图4 540测线电阻率剖面图

图5 520测线电阻率剖面图

6 结语

(1)测区内地形起伏较大，地表植被较厚，采用瞬变电磁大定源装置，可以有效地克服地形条件影响，数据采集质量高，解释效果显著。

(2)推断了本次透水的导水通道位于D20突水点的西南方向，导水类型为岩溶通道型，导水通道以垂向导水通道为主，岩溶体之间连通性较好，富水性强。

(3)推断本次岩巷突水，并非岩巷直接揭露水体，当岩巷掘进靠近岩溶导水通道时，产生应力释放，靠巷道一侧呈相对负压状态，原来的动态平衡被打破，导水通道的水压致岩巷瞬间突水，岩溶水来势凶猛，补给条件充沛。随着时间的流逝，孔隙岩溶之间充填的部分泥沙不断流失，从而进一步疏通了导水通道，导水通道变得更加通畅，推断水源为黄龙群灰岩岩溶水。

图6 220 m深度电阻率等值线图

(4)建议以封堵导水通道和巷道疏排相结合的方式进行抢险救灾。

［1］ 刘金涛．瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用［J］．资源环境与工程，2006，20(4):432-436．

［2］ 刘金涛，顾汉明，胡祥云．瞬变电磁法三分量解释剖析［J］．人民长江，2008，39(11):114-116．

［3］ 梁爽．中心回线装置瞬变电磁在矿山安全和工程勘察中的应用［J］．煤炭技术，2004，23(1):91-93．

［4］ 霍济峰，张保会．综合勘探在梧桐庄矿首采面防治水中的应用［J］．河北煤炭，2002(4):23-24．

［5］ 高波，王传雷，刘金涛等．瞬变电磁方法在河南某煤矿深部含水构造探测中应用［J］．工程地球物理学报，2006，3(4):283-287．