综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用

吴超凡，邱占林，路 拓，梁文全

(1.龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054 )

地质构造为地下水体提供了赋存空间和导水通道，控制着水体的分布与运移，是形成矿井突水的关键因素。对于隐伏地质构造的超前预测预报能够有效预防矿井水害的发生，为水害治理和采掘工作提供设计依据。目前井下对于地质构造的超前探测方法主要有钻探和物探。而钻探是矿井探放水最直接有效的方法，但与物探手段相比较，钻探工程用时长、效率低、探测范围有限，很难全面反映区域范围内的地质构造情况。矿井物探方法作为一种长距离、快速无损探测方法，在隐伏地质构造超前预报中发挥着日益重要的作用。地震反射波法对于探测异常界面较为有效，其在许多工程实例中得到检验；瞬变电磁法作为非接触式的物探手段，在探测导水构造等方面也表现出较为明显的优势。由于地质构造破坏了岩体的连续性和完整性，使得构造或构造破碎带与围岩相比存在明显的波阻抗差异，出现弹性波相位、能量等突变，在地震勘探中为良好的波阻抗界面。同时，地质构造打破原有地层电性异常界面(地电断面)在水平和垂向上的分异规律，如果构造不含水，局部电阻率值增高；若构造含水，会造成电阻率的降低，这就为矿井地震超前探测和矿井瞬变电磁技术的实施提供了良好的地球物理前提[1-5]。

龙岩市大弯煤矿岩浆活动剧烈、矿体分布不均、地质构造条件复杂，使得单一物探方法的处理和解释更加困难。为了精准定位掘进巷道前方地质构造位置并判断其富水性，文章采用矿井地震超前探测(MSP，Mine Seismic Prediction)和矿井瞬变电磁方法(MTEM，Mine Transient Electromagnetic Method)相结合的综合物探技术进行探查，两种方法相互比对验证，能够较全面的反映待测目标区域的水文地质信息[6-8]。

1 探测方法技术原理

1.1 震波超前探测技术原理

地震波超前探测主要采用地震波在岩层传播过程中遇到地质异常体(出现波阻抗Z差异)时会发生震波反射或折射的原理，在结合矿井巷道特性的基础上，沿井下巷道后方布设震波震源和三分量传感器来探测巷道采掘前方基本地质条件或水文地质情况的观测系统。井下现场采集时，震源点通常沿巷道侧帮(左、右两帮)平行洞底腰线位置成直线状排列并依次有序激发，这样可使炸药、锤击等人工激发震源所产生的地震波在碰到诸如岩层层面、裂隙面、节理面、线理或劈理面等面状不良结构面，尤其是断裂(断层)破碎分界面或岩溶、构造陷落柱等不良、软弱地质界面时，将导致反射波且由后方敷设的检波器所接收形成有效地震波拟断面。检波器后置的观测系统下使巷道前方地质构造的反射波具有负视速度的特征，如图1所示。通过提取负视速度的反射波即可对巷道采掘前方有效反射界面进行超前偏移成像[9，10]，从而取得掘进巷道前方地质异常信息。

图1 MSP观测系统及原理示意图

1.2 矿井瞬变电磁探测技术(MTEM)原理

图2 瞬变电磁全空间“烟圈效应”

矿井瞬变电磁法是使用不接地无极化回线向待探测目标地质异常体发射电脉冲式一次(原生)电磁场，在脉冲方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，异常地质体将出现涡流异常场，其大小主要决定于异常地质体的导电程度，就在原生一次场消失后，该次生涡流不会马上消失，它还存在一个过渡、递进衰减过程。该地电变异过渡过程再生成一个递进衰减的二次次生磁场向掌子面(迎头)传播，由无极化接收回线收集次生二次场，该次生磁场随时间t的演变表明不同深度h异常地质体的电性、地电场分布情况。任一时刻，其地下一定深度处的涡旋电流在地表相应产生的地电磁场可以等效为一个水平横向环状线电流的地电磁场并随时间改变而向外迅速扩散，等效电流环则如同是从发射无极化线圈中冒出来的“烟圈”，将感生电流向四周扩散的过程形象的称之为“烟圈效应”[11]，如图2所示。通过视电阻率的有效求取以及电磁波扩散深度的计算即可获得对应深度上目标介质的视电阻率[12-15]，从而推测探测范围内的地质信息与水文地质特征。

2 应用实例

2.1 矿区概况

大弯煤矿位于龙岩市的东北部，矿区属于侵蚀中低山地貌类型，介于分水岭至河谷地带之间，地形比较复杂，坡陡，高差较大，一般达50～280m，总的地势从东往西逐渐降低。矿区范围内地层主要有石炭系下统的林地组、上统的经畲组和二叠系下统的船山组、中统的栖霞组、文笔山组、童子岩组及二叠系上统的翠屏山组、大隆组。

矿区的区域构造处于政和—大埔区域断裂带西侧，龙永煤田复式向斜东翼，它由一系列北东及北西方向的压性扭曲断裂或挤压破碎带组成。矿区内的断层较发育，主要有北东向的F1正断层、F2逆断层、F3逆断层，这三条断层控制了区内地层的展布及矿层的空间分布，对矿层均起破坏作用，为水的运移、富集提供了有利的条件。通过井下现场调研，发现该矿在+10掘进巷道底板积水主要是在断层构造附近巷道围岩破碎的区域，而+10掘进巷道即将穿过前期三维地震解释断层破碎带，急需查明断层具体位置及其富水性，指导巷道掘进和探放水工作。

2.2 震波超前探测技术现场布置

为了精确探查采掘前方断层位置、裂隙或节理发育情况及其含、富水性，井下运用矿井地震超前探测(MSP)和矿井瞬变电磁方法(MTEM)相结合探测与预报，为掘进施工安全提供有效的技术参数。

本次MSP探测震源及检波器沿+10掘进巷道左帮布置。震源采用炸药震源，共计施工24炮，炮间距2m，2个三分量检波器接收，即C1、C2，其中C1传感器距离P24号炮点20.2m，C2点距C1点(有效检波距)5.5m，传感器及炮孔敷设顺序和方位(观测系统)如图3所示。采用GeoPen-SE2404NTm型多道分布排列式综合工程探测及TZBS系列(主频为100Hz)3D传感器进行数据采集，采样间隔200μs，记录长度4096个点。

图3 迎头震波超前探测测线布置图

2.3 矿井瞬变电磁探测技术现场布置

由于受井下瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，运用矿井瞬变电磁探测技术(MTEM)法对巷道迎头预测预报时只能使用与巷道宽度接近的采集装置；而MTEM法的探测深度又与其发射边框有一定的关系。

为了能最大程度满足探测的深度及解决相应的地质问题，本次探测过程中采用了以线框作为发射线圈TX(无极化)和接收线圈RX(无极化)，用于原生场激发并接收次生感应磁场。两者均采用边长L为1.5m×1.5m优质无极化铜线、匝数通常为32匝，24V的有效发送初始电压。在掌子面(迎头)及两帮共敷设布置一条测线，共计15个测点，其中每个测点可有效探测顶底板、底板及顺层三个方向。具体探测测线及测点布置如图4所示。

图4 MTEM法测点现场布置图

2.4 数据处理与结果分析

2.4.1 震波超前探测深度偏移分析

由于雷管延迟误差及巷道条件的影响，首先要对地震记录进行静校正、带通滤波、自动增益控制(AGC)等预处理。通过τ-p有效滤波快速提取视速度v为负值的迎头(掌子面)采掘前方反射波，如图5(b)所示，然后根据初值拾取获得的地震波速度进行绕射扫描叠加偏移获得深度偏移剖面。

图5 迎头前方反射波提取

深度偏移剖面直接反映了井下巷道采掘前方弹性异常差异分界面在空间的实际位置关系。该图通常采用不同的颜色来显示反射波振幅A的有效大小，颜色越深一般代表该处反射波能量E越强，浅色和深色分别代表正相位和负相位。数据采集采用三分量检波器，因此可以获得不同分量地震数据的偏移剖面。井下巷道迎头(掌子面)在X=74m处，如图6所示，从偏移剖面中可以看出，在迎头前方40～46m左右(X=114～120m)存在反射界面R1，且能量较强。该反射界面在X分量、Y分量和Z分量剖面上均有反应推测为断层裂隙带的影响。

图6 MSP深度偏移剖面

2.4.2 瞬变电磁超前探测数据处理与解释

通过对原始数据进行测线拆分、炮-检道参修改、有效圆滑处理、动-静干扰校正→计算后期视电阻率值→时深(t-h)有效转换获得视电阻率拟断面，如图7所示。由于仪器关断时间的影响，在浅部存在10m左右的盲区，迎头中心位置在坐标(0，0)处。从顶、底板及顺层视电阻率剖面可以看出，在巷道掘进方向前方无明显的低阻异常区域，但根据迎头顺层方向前方40～80m区域，存在较明显的电性分界面，其视电阻率值为45Ω·m，而且呈现出近乎线状延伸，两侧出现明显的电性差异，再结合其顶、底板的情况，可初步分析其向上延伸较短，而向下发育较深，与地震解释异常R1位置较吻合，且分析该处视电阻率值较高，说明R1位置推测断层破碎带为弱富水性。

图7 MTEM视电阻率剖面

综合地震超前探测和矿井瞬变电磁探测成果，在迎头前方40～46m范围内存在一断层破碎带(R1)，结合该位置附近视电阻率值较高，推测断层破碎带为弱富水性。后期掘进过程中在迎头前方39～42m位置揭露一断层，根据现场地质调查，该断层为正断层，且断层带内岩石较破碎，含构造角砾岩等断层证据(如图8所示)，见少量滴水，综合物探成果与实际工程揭露情况较为吻合。

图8 实际揭露巷道地质素描图

3 结 论

1)通过震波超前探测技术，可在迎头前方40～46m范围识别较强的反射界面R1，并判别其受断层裂隙带影响。

2)通过瞬变电磁超前探测技术，可在迎头顺层前方40～80m范围提取两侧存在明显电性差异且与R1一致的电性分界面，并根据电阻率值，推测为弱富水性的断层破碎带。

3)震波与瞬变电磁相结合的综合物探技术能够快速、有效地预测预报掘进巷道前方的地质构造位置及其含(富)性等水文地质信息，较单一物探方法更具精度优势，可相互补充、相互比对验证，从而为掘进巷道施工及防治水措施的选取提供更为准确的水文地质参数。