司马矿安城断层探测中井下综合物探技术的运用

    姚占伟

    摘要：随着煤矿综合机械化的不断发展，对地质工作的要求越来越高，司马煤矿三采区胶带巷掘进前方存在一安城正断层，为了提前更合理的设计巷道，保障安全生产，综合利用地震波超前探测技术和矿井瞬变电磁法技术对巷道迎头前方安城断层及附近小型断裂构造的位置、富导水性做了进一步探测，通过验证情况分析认为：利用地震波超前探测技术和矿井瞬變电磁法技术既可以探测巷道前方构造的位置以及富导水性，又可以将两种物探结论综合分析，相互验证，提高井下物探资料解释的精度和可靠性。

    关键词：综合物探；构造异常区；富水性

    一、技术原理

    1.1矿井巷道震波超前探测技术（MSP）。MSP技术基于反射波地震勘探原理，利用矿井巷道空间布置激发点和接收点，地震波在指定的震源点（巷道的左或右侧边）作小量炸药（锤击）产生，地震波在地层中以球面波传播，当遇到波阻抗界面（断层、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分信号被反射回来，反射信号被高灵敏度检波器所接收。在全空间波场条件下，巷道前方界面的反射波在时距规律、相位特征与巷道周边界面具有明显差异，这为利用地震反射波来探测前方构造提供了有利条件。

    1.2矿井瞬变电磁法技术。瞬变电磁法又称时间域电磁法，它是利用不接地回线或接地线源（电极）向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源（电极）观测二次涡流场的方法。当存在构造破碎带（断层、裂隙和陷落柱等）时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体，为以岩石导电性差异为物理基础的电磁法探测方法提供了良好的地质条件。

    二、数据采集、处理、解释

    2.1矿井巷道震波超前探测

    2.1.1现场观测系统布置及技术参数

    观测系统：本次MSP采取同侧后置，共布设24个炮点，2个检波点，炮点和检波点同侧布置，位于井下设施较少的同一侧帮腰线上，检波点布置在炮点后侧远离迎头的地方，总测线长69m。

    技术参数：接收孔：采用三分量加速度传感器，其中X方向对着迎头方向，Y与X正好垂直，而Z分量是沿帮向里的垂直方向，通过打气筒向传感器气室中充入高压空气，保证驱动贴壁装置与孔壁耦合。放炮孔：孔径以矿用放炮煤电钻为准，药量50g，下药后用炮泥将炮孔封至孔口，雷管为矿用一段瞬发雷管正向起爆。仪器因素：采样点数2048，采样间隔200us。

    2.1.2资料处理及解释。数据处理时以后置检波器点为相对坐标零点，以胶带巷正北为X正方向，Y正方向指向右帮建立坐标系，分别来确定接收点和激发点的相对坐标。将现场采集到的物探数据在专业软件（MSP2.0）平台上进行了处理和分析，其处理流程为：记录解编——数据预处理（主要有频谱分析、初至拾取、带通滤波、振幅调整）——核心处理（主要有反射波提取、速度分析、深度偏移）——结果解释（界面提取）。

    2.2矿井瞬变电磁法技术

    2.2.1现场观测系统布置及技术参数。观测系统：在井下巷道迎头实地观察后，结合探测目的任务，选择了更适于全面探测迎头前方情况的U型观测系统，其中每个U形观测点在垂直方向上都观测了5个方向，包括迎头斜上45°、斜上30°、顺层、斜下30°和斜下45°。

    2.2.2资料处理及解释。将井下采集的数据在矿井瞬变电磁处理解析软件上进行了数据圆滑、干扰校正、电阻率计算等处理和分析，在迎头前方的立体空间中，发现三处相对低阻异常区。

    根据瞬变电磁各个探测方向的结果，对迎头附近顶底板及顺层的含水性逐一分析如下：

    顶板：根据顶板斜上30°和顶板斜上45°探测结果分析，迎头顶板的左前方阻值相对较低，分析存在局部富水；正前方80～120m处也存在局部低阻，分析为局部弱富水；右方及右前方顶板视电阻率较高，含水性较差。

    顺层：顺层探测结果表明，迎头左方及左前方30～100m存在低阻异常区，可能为局部构造导水；正前方及右方视电阻率较高，含水性较差。

    底板：底板探测结果表明，迎头底板的左方及左前方，视电阻率很低，反映出该部位底板的富水性较强；正前方80～100m处底板也存在低阻异常区，不过视电阻率值反映出该部位富水性较弱；右方及右前方视电阻率较高，含水性较差。

    三、综合物探成果

    地震解释的R1界面，在其附近瞬变电磁资料显示没有明显低阻异常，因此，R1含水性较差，破碎程度较低，分析可能为落差较小的构造或岩性较为破碎地段；地震解释的R2界面，在其附近瞬变电磁资料显示只有底板斜下30°，当日迎头前方60～100m有局部低阻异常，分析R2可能为局部富水的小型断裂构造，导通的可能性较小；地震解释的R3界面，分析该界面应该为安城正断层，落差较大，破碎程度较高，在其附近瞬变电磁资料显示该部位在顶板45°、顶板30°、底板30°、底板45°，当日迎头前方80～100m均存在相对低阻异常，分析认为局部存在相对较弱的富水区，需要引起注意。瞬变电磁资料解释的迎头左前方40m以外的较强富水区，根据本次矿井地震资料及地面地震资料分析，可能为安城断层和DX12陷落柱附近的构造富水，由于该异常区阻值较低，富水性较强，需引起矿方注意。四、验证情况

    在当日探测迎头前方30米左右处，存在一小型断裂构造，与矿井巷道震波超前探测解释的R1异常反射界面较为吻合。由于本次巷道是与水平方向成以+9度破顶前进，R2异常反射界面在本次巷道掘进过程中未得到验证，预计该异常为煤层内部存在小的破碎带；R3异常反射界面与本次验证情况较为相符，为安城断层赋存区域，预计落差31米左右，比正常地段涌水量大。

    结论：通过本次综合物探技术在司马矿井的运用及验证情况分析认为，利用地震波超前探测技术和矿井瞬变电磁法技术既可以探测巷道前方构造的位置以及富导水性，又可以充分发挥各种物探方法优势，使各种方法的解释成果相互佐证、取长补短，提高井下物探资料解释的精度和可靠性。为煤矿安全、高效生产及防治水工作提供准确地质资料。

    参考文献

    [1]关民全等.山西潞安集团司马煤业有限公司三采区胶带巷（里段）安城正断层超前探测报告[R].河北邯郸：中国煤炭地质总局水文物测队，2012.