瞬变电磁法和钻探法相结合在探测王晁井田马楼断层中的应用

朱信龙

（枣庄王晁煤矿有限责任公司，山东 枣庄 277518）

引言

煤矿在勘探阶段由钻孔控制的落差较大断层，位置控制准确性差，轻者会造成资源回收率低，严重时会因水文地质条件不清而造成水灾事故，因此在采掘过程中接近断层时必须做好探测工作，查明断层位置和水文地质特征。利用物探和钻探相结合的方法进行超前探测，可以准确查明前方区域的断层位置和水文地质条件，而瞬变电磁法是物探中最为常用和有效的手段之一，应用较为广泛。经多次探测表明，瞬变电磁法超前探测可以准确反应出巷道前方低阻区地质体的空间分布特征和富水特征，可以为矿井防治水害提供依据。

1 工作面概况

王晁煤矿20406工作面、20408工作面均位于-400 m水平204采区南翼，主采12下煤层，东部为20404工作面采空区，西部为20410工作面，北部为-400东翼轨道巷和皮带巷，南部为生产矿井地质报告提供的马楼断层。

1.1 煤层概况

20406工作面、20408工作面圈定范围内煤层赋存稳定，12下煤层一般厚度1.25 m，煤层结构简单，煤层倾角5°～8°，顶板为4～10 m厚的灰黑色泥岩，局部相变为细砂岩，底板为平均厚度2.5 m的八灰。煤层普遍存在一层0.1～0.3 m厚的泥岩伪顶和伪底。

1.2 水文地质概况

20406巷道、20408巷道部分区段穿过马楼断层，该断层在王晁井田尚未揭露，根据《生产矿井地质报告》（2013）提供资料，该断层为正断层，走向北东，倾向北西，倾角70°，落差60～0～65 m左右，东西落差大而中间落差小。在38～39勘查线附近，煤岩层倾角较大，断层两盘落差由于煤岩层倾角加大而不明显，在201轨道巷、皮带巷、20121材料道和20118皮带巷掘进过程中均未揭露，证明马楼断层在201采区已尖灭。井田东部靠近留庄矿附近，根据留庄矿开采情况，其并未揭露马楼断层，本井田20402工作面接近马楼断层区域时，煤层倾角变大（最大达到35°）。相邻201采区20110上材料道掘进至910 m接近马楼断层时，底板八灰出水，出水量5～8 m3/h，经观测八灰裂隙发育，发育宽度0.1～0.2 m，长度0.3～0.5 m，随后进行了直流电法探测，经探测发现前方存有低阻异常区，并符合断层的特征，后停止了该巷道的掘进。

2 矿井瞬变电磁法

2.1 矿井瞬变电磁法原理、特点

煤矿瞬变电磁法基本原理与地面常用的瞬变电磁法的工作原理是一样的，采用的物探仪器和大量测量数据的各种装置形式、时间、窗口、原因也是一样的。地面常用的瞬变电磁法为半空间瞬变响应，该瞬变响应全部来自于地表浅部以下半空间煤、岩层。而煤矿瞬变电磁法为全空间瞬变响应原理，这种瞬变响应是来自于回线平面的上下（或两侧）地层。

煤矿矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点：

1）由于井下测量环境、地质水文环境不同于地表，不可能采用地表测量时使用的大线圈（边长大于50m）设备，只能采用边长1.0～2.5 m的多匝小线圈，测定方式一般采用中心观测方式或偶极观测方式。因此数据采集工作量非常小，测量设备轻便，不需要太多的人员，工作时间短，工作效率较高。

2）由于设备所用的线圈边较小，测量点距较密（一般为5～15 m），可以有效降低体积效应的影响，从而提高物分辨率和准确性，特别是横向分辨率得到了大幅提高。

3）由于井下物探装置距离异常体更近，大大提高了测量信号的信噪比，实际测量结果可以完全证明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强度高20～150倍。井下的相对干扰信号相对有用信号近似等于零（大于30 ms时间段），而地面测量信号在衰减到一定时间段（一般小于10 ms）就被干扰信号所覆盖。

4）地面瞬变电磁法勘探的方法，一般只能将线圈水平放于地面进行测量，而煤矿井下瞬变电磁法可以将线圈平面以任意的角度放置于巷道或工作面之中进行全方位测量，能够有效探测线圈平面法线方向一定深度内含水异常体垂向和横向发育的水文地质规律。因此，通过对发射线圈方位的细节调整完全可以实现对整个巷道内顶板和底板一定范围内含水低阻异常体分布规律的准确探测。

2.2 数据分析方法

物探数据的采集由电脑自动控制进行，自动记录和存储分析，与电脑连接可实现测量数据回放，并进行数据分析。由于探测采用的是小线框，各测点的距离可以根据勘探任务要求发生变化。但进行实际测量时，采用多匝线圈，在巷道侧一帮进行测量时，线框平面可以根据探测任务的要求设计进行相应的探测方向。由于发射线框和接受线框分别为匝数不等、并且安全分离的两个独立线框，用以与地下（前方）异常体产生最佳耦合效果互相响应。

2.3 资料处理流程

瞬变电磁资料的处理和解释工作往往是同时交互进行的，它们之间存在一种从实践到认识的提高过程。资料解释是建立在资料处理后的视电阻率拟断面图的基础上。在初步解释成果的基础上，进一步调整处理的窗口之后，再作反复的分析及解释，必要时可进行反复的处理及解释，如图1所示。

在首先进行了原始观测数据的整理之后，经过反复进行畸变数据的剔除与校正、各测点的视电阻率反演与正演以及与地层地质资料的对比等过程，最终绘制出测线的视电阻率等值线图。

2.4 工作量

本阶段探测工作在20406材料道共进行3次物探，在20408材料道共进行2次物探，为更好地验证本次物探结果的可靠性，王晁煤矿利用MYJ-650型专用探放水钻机进行钻探验证，钻探过程中，仅有少量出水现象，估测水压应小于0.1 MPa，出水量在3～5 m3/h，由此证明，此次瞬变电磁法的效果较好，结论较为准确。

2.5 探测结果对比

3 结语

本次对马楼断层探测采用物探与钻探相结合的方法，瞬变电磁法选取得当、设计合理，每次物探后均进行钻探验证，在资料处理时，加强了资料的分析对比研究力度，获得了良好的地质效果。此阶段的探测均未探测到明显断层特征，出水量较为顶板砂岩含水层及薄层灰岩裂隙含水层所致，后经掘进实测揭露煤岩层倾角在15°～20°，较之前正常块段的5°～8°明显变大。原生产矿井地质报告提供的马楼断层，是根据钻孔高差与正常煤岩层倾角推断，由此证明该推断方法可靠性性差，与实际差距较大。通过探测结果综合分析马楼断层在204采区南翼局部区域落差变小并尖灭，但未探测区域不能排除存在断层的可能，断层落差修正为0～62 m。