煤第４８卷第３期 ｄｏｉ：１０．１ ｌ７９９／ｃｅ２Ｏ１６０３Ｏ２９ 炭工程 Ｖｏ１．４８．Ｎｏ．３ ＣＯＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 利用矿井瞬变电磁法超前探测走向导水断层研究 焦险峰 ，刘树才 。，姜志海 ，刘鑫明。 （１．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州３．河北联合大学矿业工程学院，河北唐山２２１１１６； ２２１１１６； ２．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州０６３０００） 摘 要：导水断层给井下安全生产带来严重的灾害隐患，为了推进矿井瞬变电磁法的实用 性．开展了导水断层瞬变电磁场响应特征研究。基于三维低阻薄板地电模型．采用理论分析、物 理模拟相结合的方式，探讨了板状导体上感应涡旋电流与一次场的激发关系，研究了走向导水断 层矿井瞬变电磁超前探测视电阻率响应特征。研究结果表明：①感应涡旋电流主要与板状体有效 切割一次场磁力线多少有关，激励角３０。～６０。时．感应涡旋电流较强；②矿井瞬变电磁超前探测 扇形视电阻率等值线图上。走向导水断层呈现左右对称分布２个低阻异常夹中间１个高阻异常的 响应特征 研究结果应用于工程实践。取得了良好效果。 关键词：走向断层：矿井瞬变电磁法；超前探测；响应特征 中图分类号：ＴＤ１６３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－０９５９（２０１６）０３—００９２．０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ—ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｔｒｉｋｅ ｆａｕｌｔ ＪＩＡＯ Ｘｉａｎ—ｆｅｎｇ ，ＬＩＵ Ｓｈｕ－ｃａｉ 一，ＪＩＡＮＧ Ｚｈｉ－ｈａｉ 一，ＬＩＵ Ｘｉｎ－ｍｉｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｄｅｅｐ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１ １ １６，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅｓ．Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ—ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｔｒｉｋｅ ｆａｕｌｔ ｉｎ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ３Ｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｈｅｅｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｈｏｗ ｔｈｅ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｖａｒｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ— ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｔｒｉｋｅ ｆａｕｈ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｄｖａｎｃｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＭＴＥＡＤ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ： ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｄｅｃｉｄｅｄ ｍａｉｎｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｔｒｏｎｇｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｓ ３０。～６０。：②ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ ｏｆ ＭＴＥＡＤ，ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ— ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｔｒｉｋｅ ｆａｕｌｔ ｉｓ ｏｎｅ ｍｉｄｄｌｅ ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ａｂｎｏｒｍａｌ ａｒｅａ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ａｂｎｏｒｍａｌ ａｒｅａｓ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅｆｔ ａｎｄ ｉｒｇｈｔ ｓｉｄｅｓ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ ｇａｉｎｅｄ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｉｋｅ ｆａｕｌｔ；ｍｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ；ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ２０世纪末．国内开展了煤矿井下瞬变电磁法的实验丁 作．采用多Ｎ／ｂ回线装置形式，在煤矿井下巷道中进行采 煤工作面顶、底板导含水构造探测 Ｉ－３］。近年，矿井瞬变电 磁理论与方法技术不断完善 ，逐渐形成以偶极一偶极与 重叠回线两种装置形式的扇形超前探测方法 ，在掘进 工作面前方积水采空区、充水钻孔、隐伏导含水构造等探 收稿日期：２０１５—０８—１２ 基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２０１３ＣＢ２２７９００）；国家自然科学基金青年基金项目资助 （４１３０４１１３） 作者简介： 焦险峰（１９７１一），男，山西高平人，博士研究生，高级工程师，从事矿山地球物理勘探理论与应用技术方 面的研究 作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｓｃ３８８５４３４＠１２６．ＣＯｒｎ。 焦险峰，刘树才，姜志海．等．利用矿井瞬变电磁法超前探测走向导水断层研究［Ｊ］．煤炭＿Ｔ程，２０１６，４８ 引用格式： （３）：９２—９４，９８． ９２ ２０１６年第３期 煤炭工程 测中．取得了较好的应用效果ｌｌ ］。该技术还用于隧道不 良地质体的超前探测，形成隧道瞬变电磁超前探测技术与 解释方法 １３－１６］。准确把握地质异常体的响应特征是地球物 理资料合理解释的基础，为此，笔者曾采用物理模拟与数 值模拟的方法对巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理进 行了研究．并探讨了典型地质异常体瞬变电磁超前探测异 常响应规律¨ ， ］。有关学者利用视纵向电导微分成像与 ＡＮＳＹＳ有限元模拟，研究了隧道超前地质预报中不良地质 体的瞬变电磁响应特征［１９］。瞬变电磁响应特征随导含水构 Ｘ ｌ｝ 造的空间发育以及与发射、观测装置相对位置关系的变化 而变化。导含水断层可近似看作良导薄板地球物理模型， 当空间赋存方位与激发方向不同时，瞬变响应差异较大， 容易误导资料解释，因而研究激发方向不同时良导薄板的 响应特征是正确推断断层发育的前提。 １矿井瞬变磁场分布特征分析 矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置形式，发射源可 看作磁偶极子， 。为磁导率，磁矩为ｍ的磁偶极子在ｒ处 产生的磁场日为： ： 一 ４Ｔ ｏ ４ ＿｜０ｒｊ 在ＸＯＺ平面内产生的磁场： ｍ ＝ ＝ 莽 根据上述两式得到的ＸＯＺ平面内磁力线分布如图１所 示．该图同时示意了薄板体与激发源空问位置７种关系下 磁力线的切割情况。薄板体上感应的二次涡旋电流与激励 角以及板状体空间分布面积有关，即磁通量。位置１薄板 体所在平面与激发源所在平面垂直，磁力线方向与薄板体 走向一致．此时薄板体有效切割磁力线最小，磁通量最小， 其所激发的二次涡旋电流最小，对于探测而言所接收到的 感应电动势响应最小。随着薄板体与激发方向间角度增大， 如位置２、位置３、位置４、位置５，穿过薄板体的磁力线逐 渐增多．磁通量逐渐增大，二次涡旋电流逐渐增大，接收 到的感应电动势响应增强。随夹角增大，如位置６、位置 ７，受磁力线稀疏影响．薄板体上磁通量又逐渐减小，所感 应二次涡旋电流逐渐减小。基于此，对于环形扇面扫描方 式的矿井瞬变电磁超前探测而言，导含水断层、裂隙等类 似于薄板状的低电性地质构造体，在视电阻率等值线图上， 构造体与激发方向一致的扫描点上呈相对的高阻异常反应， 而两侧呈现一定的相对低阻异常反应。 ２物理模拟 ２．１模型设置 时间域瞬变电磁场物理模拟的基本准则 图１磁力线分布图 口ｆ ＝ ＼＼Ｌｍｒ ） 式中， 为电导率，单位是西门子（Ｓ）；Ｌ为线型尺 度，ｍ； 表示模拟系统；ｆ表示被模拟的野外系统；ｋ为 线性比例尺．即缩比系数。 基于上述准则，采用了空气中的良导薄板模型，力求 符合高电性围岩介质中导含水断层的实际地质模型。实验 中缩比系数约１０．对应实际超前探测条件：发射接收线框 边长２ｍｘ２ｍ：巷道围岩电阻＞５００￣·ｍ。 ２．２参数设置 采用ＴＥＲＲＡＴＥＭ型瞬变仪，发射线圈：２０ｃｍ×２０ｃｍ× ４０匝．０．１５ｍｍ 规格漆包线：接收线圈：２０ｃｍ×２０ｃｍ×８０ 匝，０．０１ｍｍ 规格漆包线。异常体采用４０ｃｍ×２５ｃｍ×２ｍｍ 的铝板。采样延时从０．０５ｍｓ至８．６２５ｍｓ，计２２个窗口，增 益１００档位，发射电流４Ａ。 ２．３结果分析 模拟时探测方式与井下实际工作方法完全一致，铝板 距探测位置３０ｃｍ．垂直放置于实验台上，由左侧１５。开始 以１５。间隔向右侧依次进行扫描。模拟实验视电阻率等值线 图如图２所示．左右两侧４５。扫描方向纵向上４０ｃｍ起，略 呈相对低阻异常反应；９０。及左右两侧７５。扫描方向上略呈 相对高阻异常反应。这一特征表明，在矿井瞬变电磁超前 探测视电阻率等值线图上，薄板状低阻异常体的响应特征 由薄板走向与发射线圈激发方向的相对位置关系决定，当 薄板处于探测点前方且走向与超前探测中间扫描方向近乎 一致时，异常位置出现在异常体左右两侧，而异常位置处 却呈高阻反应。物理模拟结果与上述理论定性分析一致。 这一特征要求矿井瞬变电磁探测时应充分考虑探测目标体 的空间赋存形态与所采用装置形式的耦合关系，以便进行 正确的资料解释。 ３应用实例 山东新宏煤矿开采９号煤层，该煤层厚约０．７～１．０５ｍ， 平均０．８ｍ左右，其底板下有３个灰岩含水层，依次为七 灰、八灰、十灰。七灰厚是基本底板，厚１．３～１．８ｍ。八灰 含水层，上距９煤层约５１．５０ｍ，厚度１．４０—５．３０ｍ，平均 ９３ 煤炭工程 ２０１６年第３期 ２）在采空区边缘区域地表水平移动受地表滑移的影响 ｆ 晕 ｇ 基 ４ ３ ２ ｌ Ｏ 较大，地表斜坡坡度越大，其影响越大；在山区凹形地貌 ２ ３ ４ ＜ 下采动地表水平移动较平原地区要大，在山区凸形地貌下 ． 淤 苗 ＼＼／ 采动地表水平移动较平原地区要小。 ３）地表曲率受地表起伏的影响较大，主要表现为在山 谷区域，地表曲率值较平地采动要小；在山顶区域，地表 图１０倾向主断面水平变形曲线图 根据图７～１Ｏ分析可得： 曲率值较平地采动要大；在山区凸形地貌下开采地表曲率 较平原地区要小。 ４）在山谷区域，采动后地表受压缩的影响较大，水平 １）对比地表下沉曲线和页岩面下沉曲线（如图７所示） 可以得出：在采空区边缘区域，地表下沉值受地表滑移的 变形压缩值较平地采动后要大；在山顶区域，采动后地表 受拉伸的影响较大，水平变形拉伸值较平地采动后要大。 参考文献： ［１］ 邹友峰，邓喀中，马伟民．矿山开采沉陷工程［Ｍ］．徐 州：中国矿业大学出版社．２００３． 影响较大，使得地表下沉值增大，下沉值增量随地表坡体 坡度的增加而增大。 ２）对比地表和页岩面水平移动曲线（如图８所示）可以 得出：在山区凸形地貌下采动地表水平移动较平原地区要 小，分析其原因主要是凸形地貌两边的坡体相对于ｌＴ作面 ［２１ 胡友健，吴北平，戴华阳，等．山区地下开采影响下地表 移动规律［Ｊ］．焦作工学院学报，１９９９，１８（４）：２４２—２４７． ［３］ 何万龙．山区地表移动与变形规律的研究［Ｊ１煤炭学报． １９９２，１７（４）：１—１５． ＿ｒＬ为负坡坡体，地表的滑移增量表现为负值，使得水平移动 减小。 Ｍ ３）对比地表和页岩面曲率曲线（如图９所示）可以得 出：在山区凸形地貌下采动地表曲率较平原地区要小。 ４）对比地表和页岩面水平变形曲线（如图ｌ０所示）可 以得出：在山区凸形地貌下采动地表水平变形较平原地区 ［４］ 康建荣，何万龙，胡海峰．山区采动地表变形及坡体稳定 性分析ｆＭ１．北京：中国科学技术出版社，２００２． ［５］ 马超，康建荣，何万龙．山区典型地貌表土层采动滑移 规律的数值模拟分析［Ｊ］．太原理工大学学报，２００１，３２ （３）：２２２—２２６． 要小；在山顶区域，采动后地表受拉伸的影响较大，水平 变形拉伸值较平地采动后要大。 ｆ６］ 王贵荣，袁志明．韩 飞．黄土山区矿井地表移动变形数 值模拟『Ｊ］．西安科技大学学报，２００７，２７（２）：２３６—２３９． ［７］ 康建荣．山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析［Ｊ１． 岩石力学与工程学报，２００８，２７（１）：５９—６４． ３结论 １）在采空区边缘区域．地表下沉值受地表滑移的影响 较大；同时在山顶和山谷区域，地表下沉变化较为平滑， 表明该区域采动影响的倾斜值较小。 ８１ 戴华阳，翟厥成，胡友健．山区地表移动的相似模拟实验 研究『Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（４）：５０１—５０４． （责任编辑郭继圣） （上接第９４页） ［６］ 姜志海，岳建华，刘树才．多匝重叠小回线装置形式的矿 井瞬变电磁观测系统［Ｊ］ 煤炭学报，２００７，３２（１１）： ｌ１５２－１ｌ５６． 中的应用『Ｊ１．工程地球物理学报．２０Ｏ７，４（４）：２９１—２９４． 李貅，武军杰，曹大明．等．一种隧道水体不良地质体 超前地质预报方法［Ｊ］．工程勘察，２００６（３）：７０—７６． 李术才 薛翊国，张庆松，等．高风险岩溶地区隧道施Ｉ ［７］ 于景邮，刘树才，王扬州．巷道内金属体瞬变电磁响应特 征及处理技术［Ｊ］．煤炭学报，２００８，３３（２）：１４０３－１４０８． ［８］ 刘志新，刘树才，刘仰光．矿井富水体的瞬变电磁场物理 模型实验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００９，２８（２）： ２５９—２６６． 地质灾害综合预报预警关键技术研究『¨．岩石力学与］＿ 程学报，２００８，２７（７）：１２９７一Ｉ３０７． 薛国强，李貅．瞬变电磁隧道超前预报成像技术ｆ Ｊ１． 地球物理学报，２００８，５１（３）：８９４—９００． ［９］ 郭纯，刘自宙，白登海．地下全空间瞬变电磁技术在煤 苏茂鑫，李术才，薛翊国，等．隧道地质预报中的瞬变电 磁视纵向电导解释方法研究［Ｊ］．岩土工程学报，２Ｏｌ０， ３２（１１）：１７２２—１７２６． 矿掘进头的连续跟踪超前探测［Ｊ］地震地质，２００６，２８ （３）：４５６—４６２． ［１０］ Ｊｉａｎｇ Ｚｈｉ—ｈａｉ，Ｙｕｅ Ｊｉａｎ—ｈｕａ，Ｌｉｕ Ｓｈｕ—ｃａｉ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｗａｔｅｒ—ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ｕｓｉｎｇ 姜志海．巷道掘进Ｔ作面瞬变电磁超前探测机理与技术研 究『Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２００８． ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｈｉｎａ ｕｎｉｖｅｒ— ｓｉｔｙ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．１７（２）：１６４—１６７． 姜志海，焦险峰．矿井瞬变电磁超前探测物理实验［Ｊ］． 煤炭学报，２０１ｌ，３６（１ Ｌ）：１８５２—１８５７． 苏茂鑫．李术才，薛翊国，等．隧道掌子面前方低阻夹层 的瞬变电磁探测研究『Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１０ ［１１］ 刘志新，于景邮，郭栋．矿井瞬变电磁法在水文钻孔探 测中的应用［Ｊ］．物探与化探，２００６，３０（１）：５９－６１． 『ｌ２］ 姜志海，岳建华，刘志新．矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测 ９８ （ｓ１）：２６４５—２６５０． （责任编辑郭继圣）
