基于钻孔瞬变电磁法的断层富水性三维空间探测

陈 强，杨建华，韦 华，邢修举

(1.兖州煤业股份有限公司 济宁三号井煤矿，山东 济宁 272000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

水害是煤矿巷道掘进中面临较为突出的地质问题，断层、破碎带、陷落柱是常见的导含水通道，其发育范围及位置严重影响煤矿安全生产[1-3]。在巷道掘进时，提前做好超前地质预报工作，为巷道掘进提供较准确的地质参考资料就显得尤为重要。大量文献资料详细阐明了断层构造发育规律和突水、涌水特点以及相关预防预测技术，但对于复杂地质条件或地质资料不详的区域，如何有效预测巷道前方潜在的地质构造异常仍然是技术难点。目前用于巷道掘进面的地质预报方法有钻探法和物探法，其中钻探方法具有一定的盲目性，施工周期较长、效率低；物探方法因其无损、高效被广泛应用[4]。目前探测富水断层的物探方法有矿井直流电法和矿井瞬变电磁法等，传统的瞬变电磁法具有工作效率高、纵横向分辨率高和对低阻反应灵敏等优点，同时极易受到巷道内金属体等干扰，影响探测成果解释精度[5-6]。相对于传统的瞬变电磁法，钻孔瞬变电磁法改变收发装置的尺寸及探测方式，将收发装置推送进钻孔中，同时探测3个分量的瞬变电磁响应信号，由于更靠近目标体的探测，通过分析解释可以有效分辨异常在钻孔四周的分布范围。如果钻孔有出水，结合异常分布范围，可以有效辨别出水是来自钻孔顶部还是底部，指导后续采取措施。

1 钻孔瞬变电磁探测技术

1.1 钻孔瞬变电磁法

矿井钻孔瞬变电磁法是矿井瞬变电磁法的一种装置形式，即将发射线圈和接收探头在钻孔中逐点进行测量，在发射场源激励下钻孔周围地质体中产生瞬变电磁场，装置形式如图1所示。钻孔瞬变电磁法是一种时间域瞬变电磁法，在发射线圈中通一间歇性电流，在间歇期间，三分量接收探头接收来自发射线圈激发煤层及周围岩体产生的二次场电磁感应信号，通过对三分量信号的强度及时间关系的分析，探测空间内异常体在钻孔周围空间分布及强弱[7-8]。

图1 钻孔瞬变电磁探测示意

1.2 钻孔瞬变电磁探测技术

钻孔瞬变电磁探测装置主要分3个部分：主机、收发探头、连接大线。在探测目标区域首先将要探测的钻孔清孔，确保探头能够顺利推进及拉出。利用钻孔瞬变电磁三分量探测技术探测断层富水性的施工流程主要通过以下步骤实现。①准备工作。将主机开机设置好发射频率及采样频率等相关参数，将连接线和三分量收发探头连接好，确保设备正常工作。②测量工作。准备工作完成后，将三分量探头推送进钻孔至第1个测量点后静止，开始测量并记录当前位置探管方位姿态信息(倾角、方位角和工具面角)，孔口记录当前测量时间及深度信息；然后每推进1.5 m后，重复记录当前位置探管方位姿态信息，孔口记录当前测量时间及深度信息，直到达到探测需求的深度。③探管送至孔底后完成探测工作，通过孔口装置对孔中探管内部存储数据发起回读操作。④钻孔瞬变电磁工作方法本质上仍属于中心回线装置类型，其垂直分量实测数据曲线形态与矿井瞬变电磁探测数据曲线形态基本相同，仅是因为发射线圈尺寸与匝数的原因而导致电感影响较大。因此，数据处理方法可参考矿井瞬变电磁，对于采集的原始数据导入计算机进行重复数据的挑选、剔除畸变点→数字滤波→感应电位—时间的对应关系转换成视电阻率值—时间的对应关系→时深转换，计算每个时间道对应的深度→处理成图→依据X、Y方向接收到的瞬变电磁曲线形态来确定异常中心的空间位置。

2 钻孔异常空间定位数值模拟

定性分析是孔中TEM 资料解释的重要手段，其出发点是对涡流场分布的认识和假设。为了强调不均匀场的影响，蒋邦远以偶极场中直立薄板位置处的一次场(H1X)场强的计算及二次场(H2X)的测试做了实验，结论是感应场最强的部位正是被感应场最强的部位，相应的涡流以二次场(H2X)为中心最强，向两侧、向下涡流密度越来越小，而板的上缘部分涡流受边界约束而加密，故将二次场极大值处(H2Xmax)称为“等效涡流中心”，瞬变场的磁力线可以看作中心在这里的等效偶极子场或等效电流环场的磁力线[9-11]。基于以上研究成果，设计模型如图2所示。在钻孔深度方向50 m处，放置一个规模为20 m×20 m×6 m的板状异常体，异常体中心点距离钻孔15 m，与水平方向的夹角为45°。绘制三分量异常响应多测道如图3所示。为了方便讨论模型空间位置，规定X分量与Y分量正方向之间区域为第一象限，逆时一次定义为二、三、四象限(图3(d))。

图2 板状异常体模型示意图及参数

图3 模型一的三分量异常场

从图3可以可以看出，三分量响应均在异常深度处(50 m)有明显的变化特征，水平表现为感应电动势变号，其中，X分量为由负变正、Y分量为由正变负，即巷—孔瞬变电磁探测中用来表述水平分量响应形态的“S”形态和反“S”形态，垂直分量在异常深度处呈现单峰形态。

通过多组不同方位异常体模拟结果来看，根据Z分量单峰位置判断异常深度、根据水平分量“S”形态判断异常所在的象限的方法是可行的[12-14]。具体规律如图4所示。

图4 异常位水平分量响应形态

3 应用实例

兖州煤业股份有限公司183下05工作面辅运巷靠近切眼段外侧环形构造是由地面三维地震资料解释的多个断层组成的，主要由KF1819、KF1820、KF1820-2共3个断层组成，在183下04工作面切眼北侧延伸至济宁二号井井田。其中，经实际揭露和综合分析，KF1819、KF1820-2断层最大落差分别为6、5 m；两断层在济二煤矿93下08、93下09巷道揭露时均无水。在济三煤矿183下04辅运巷施工的6个3煤顶板探放水，其中4孔出水，最大水量43 m3/h，水压0.25 MPa，水质为SO4HCO3-Na·K型。在183下05辅运巷以东，到KF1819断层最近65 m，到KF1820断层距离最近235 m。为进一步查明该区域富水情况，减少对183下05工作面回采时的充水影响，在183下05辅运巷侧帮向断层方向顺煤层打2个水平钻孔，如图5所示。1号钻孔深93.0 m，2号钻孔深101.5 m。其中，2号孔在钻进至12 m处有少量出水，出水量约0.3 m3/h。采用钻孔瞬变电磁法在1、2号钻孔进行了钻孔瞬变电磁探测施工，为该区段环形地质构造对183下05工作面回采的水文地质影响做出分析评价。

图5 钻孔瞬变电磁探测施工位置

在视电阻率断面图上，若地层不受含水区或含导水构造影响，煤系地层的电阻率有序变化，在视电阻率断面图上等值线呈似层状分布；当存在低阻含水区或含导水构造时，异常处电阻率值降低，等值线分布表现为扭曲、变形或呈密集条带等形状。视电阻率断面图横轴为水平距离。其中，0 m位置对应钻孔靠近巷道帮壁位置，测量编号0号点，纵轴为探测深度。

1号钻孔瞬变电磁探测视电阻率低阻异常断面如图6所示。此次该孔最大探测深度为32 m。

图6 1号钻孔瞬变电磁探测视电阻率等值线断面

图6中共发现3处相对低阻异常区，分别编号为1号、2号、3号异常区。①1号异常发育在钻孔深度19～33 m，垂直钻孔4～29 m；②2号异常发育在钻孔深度39～54 m，垂直钻孔0～25 m；③3号异常发育在钻孔深度80～93 m，垂直钻孔0～32 m。

2号钻孔瞬变电磁探测视电阻率低阻异常断面如图7所示。此次最大探测深度为32 m。图7中共发现4处相对低阻异常区，分别编号为1号、2号、3号、4号异常区。①1号异常发育在钻孔深度12～22 m，垂直钻孔0～32 m；②2号异常发育在钻孔深度38～46 m，垂直钻孔0～28 m；③3号异常发育在钻孔深度64～73 m，垂直钻孔0～26 m；④4号异常发育在钻孔深度92～101 m，垂直钻孔12～32 m。

图7 2号钻孔瞬变电磁探测视电阻率等值线断面

通过综合对比1号、2号钻孔瞬变电磁探测成果中顺钻孔方向(Z方向)异常位置对应的水平方向(X、Y方向)的瞬变电磁响应曲线形态，确定异常在钻孔的孔间位置。经过综合处理后，通过Voxler三维成图软件，将异常空间展示在1号、2号钻孔周围，其异常的空间形态如图8所示，异常主要分布在钻孔的上方，推测主要是钻孔顶部砂岩层位局部弱富水所致，钻孔底部30 m范围没有明显的低阻异常区，推测该断层不存在导通底部灰岩层含水层的通道。

图8 钻孔瞬变电磁异常的空间形态

资料提交后，矿方在183下05辅运巷外侧帮K导线点南10 mN导线点北20 m之间区段对煤层顶板砂岩施工4个探查孔、底板方向施工3个探查孔，顶板探查孔依次采用仰角10°、和30°钻进，钻进过程中钻孔均有少量出水，终孔后水量几乎为0，推测是顶板局部静储量砂岩水；顶板方向均采用俯角60°钻井，钻孔孔深均为75 m，3个底板钻孔均无水，验证了此次探测结果的准确性。说明了钻孔瞬变电磁法探测该类问题的有效性，为物探方法的合理使用和对该类问题的提前探测提供了良好的技术参考。

4 结论

(1)钻孔瞬变电磁法探测三分量的地质异常体瞬变电磁响应特征，通过X、Y分量形态可有效判别地质异常体在钻孔的空间位置。

(2)在济宁三号井煤矿的应用结果显示，钻孔瞬变电磁探测可效有细分异常体的空间范围，能够对断层富水性及出水来自煤层顶底板做出判别，可有效减少钻探工作量，提高煤矿生产效率。