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摘 要：为了提高煤矿复杂地质构造判断的准确性，利用矿井震波超前探测和瞬变电磁法相结合的方式可进行有效探查。通过对袁店二矿断层超前综合探查，结果表明，综合物探技术对矿井复杂地质构造体分辨能力较强，对构造体的空间特征及其含水状况判断准确，超前探测效果较好，可为矿井安全稳定生产提供技术依据和保障。
关键词：综合物探技术；瞬变电磁法；矿井震波超前探测；断层构造复杂区
中图分类号：P631文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0052-04
收稿日期：2011-03-24
作者简介：胡光雨(1963-)，男，安徽无为人，工程师，大专，主要从事煤矿开采技术与管理工作。
[WT3BZ]Application of Geophysical Prospecting Technique in Fault Complex Geological Structure in Yuandian No.2 Coal Mine
HU Guang-yu1, XIN Zhan-dong1,PAN Le-xun2
(1.Yuandian No.2 Coal Mine, Huaibei Mining Group Co., Ltd., Huaibei Anhui 236800, China; 2.Anhui Huizhou Institute of Subterranean Calamity, Hefei Anhui 230088, China)
Abstract:In order to improve the accuracy of mine complex geological structure judgment, used Mine Seismic Prediction and Transient electromagnetic methods were used to detect complex geological bodies. The result of the application of one complex structure about the fault in Yuandian No.2 Coal Mine showed that the comprehensive geophysical prospecting technique had a stronger ability to distinguish the complex geological bodies, and to determine accurately the spatial characteristics and aquosity of the bodies, and had better advanced detection. It can provide technical basis for security and stability of mine production.
Key words:integrated geophysical prospecting technique; transient electromagnetic method; mine seismic prediction; fault complex geological structure
在矿井建设和生产过程中，存在着各种影响安全生产的地质因素，如煤岩体中的断层构造、陷落柱、采空区及含水异常等，这些因素严重影响并制约着矿井安全生产进度，甚至造成重大的安全生产事故。近年来地球物理探测技术的快速发展以及探测手段的日益成熟，为精确探测矿井内复杂地质构造体提供了有效手段。煤矿井下探测空间有限，且物探方法具有多解性，单一方法很难对构造体进行准确判断，其分辨能力低。因此对于复杂构造的探测与解释更需要多种物探方法的综合运用，并且对各种探测结果进行综合对比分析，进而提高对地质体判断的准确性。通过在构造复杂区域进行探测布置，综合对比不同探测方法的探测结果，可有效地查明目的区域内地质构造的展布状况，为煤矿安全高效生产提供可靠的技术保障［1-5］。
袁店二矿属于袁店井田西半部，井田内断层较多。其中高长营子断层是位于井田东部的一条正断层，有12条分支断层，走向北东—北，倾向北西—西，倾角55°～65°，落差440～560 m，向两端展布出边界。F高-7正断层是高长营子断层的一条分支断层，走向东—北东，倾向北—北西，倾角60°～70°，落差110 m。两端分别被WF4、高长营子断层切割。在袁店二矿巷道掘进过程中，F高-7断层在大巷穿过地点落差达到100 m，其中南翼回风大巷、运输大巷、轨道大巷均过该断层，且在81采区回风上山(现为7211工作面风巷)35勘探线附近受DF4断层影响，72煤与10煤间距变小，存在灰岩水突出威胁(见图1)，图中阴影部分为进行物探探测巷道分布区域，这些巷道受F高-7断层影响较大。
1 综合物探技术
11 瞬变电磁超前探测
瞬变电磁法是利用不接地回线(线圈)或接地导线发射脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感生的二次电流，在发射脉冲的间隙利用回线或接地电极测量二次场随时间变化的响应。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性特征、规模和产状等，达到解决地质问题的目的。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效地质勘探手段。
发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布如图2所示，等效电流环像从发射回线中“吹”出的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象的称为“烟圈效应”。“烟圈”的半径r、深度
12 矿井震波超前探测
矿井震波超前探测是应用地震波在传播过程中，遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道特点设计的沿巷道后方布置震源和传感器，来探测巷道前方地质和水文地质条件的观测系统［7］。震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震剖面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。通过对地震剖面的偏移处理获得前方地质体的反射能量反应，并进行地质解释。
2 探测技术的应用
2009年7月至2010年8月期间，分别在袁店二矿-535南翼回风大巷、-560南翼轨道大巷、81采区回风石门、81采区7211工作面风巷进行了9次井下综合超前探测；另在81采区回风上山7211工作面风、机巷进行了7次单一方法超前探测。通过对探测巷道前方煤岩体的构造情况以及富水性综合预报， 主要对巷道施工时受影响的F高-7断层和DF2断层的构造位置、赋水状况进行评价分析，取得了良好的效果。为此选取其中一次探测工程，对断层复杂构造区物探技术的应用进行分析研究。
据已知地质资料分析， 现场在探测巷道(-560 m南翼轨道大巷)内布置测线，其中在左、右帮各布置3个测点，测点间距为5 m；巷道正迎头方向布置6个测点，测点间距为05 m，两拐角处各布置1个测点；单次探测总共布置14个测点。每个测点处做顶板、顺层、底板方向探测(见图3)。
图3 瞬变电磁观测系统布置图
将瞬变电磁探测电阻率进行反演，从反演结果中(见图4)可以看出，剖面中电阻率横向上10～100 m范围内整体电阻率值较高，表明探测巷道迎头前方100 m范围掘进段岩层整体赋水性差。而巷道两帮均采用锚网支护，其对探测有较大影响，故在电阻率反演剖面中，两帮表现为相对低阻。
图4 瞬变电磁法超前探测结果图
根据巷道地质条件，现场同时采用了矿井震波超前探测技术(Mine Seismic Prediction,MSP)进行了探测。矿井MSP探测在迎头有限空间内展开，采用炸药震源。测线布置右帮上，共设置右帮炮孔20个；接收传感器点为2个即C1和C2(见图5)。设计炮间距2m。其中C1传感器距离P20号炮点15 m，C2点距C1传感器5 m。
图5 MSP观测系统布置图
MSP探测偏移能量剖面如图6所示，其中各个相位波组特征明显。-560 m南翼轨道大巷D7+95 m当日迎头点起至前方142 m范围内，共存在2组主反射异常段，即GR1、GR2界面。其中在迎头前方35~47 m段存在GR1异常界面，在迎头前方90~110 m段存在GR2异常界面，且每一组界面影响范围达10 m左右。结合地质资料分析GR1界面可能存在岩性相变、岩层较为破碎；GR2界面可能为断层构造异常位置。
3 掘进验证分析
通过对-560 m南翼轨道大巷迎头进行的瞬变电磁探测并分析认为，当日迎头前方100 m掘进段岩层整体电阻率值较高，其含水性相对较弱。后经掘进实际验证：本段探测区域内迎头前方基本无水，巷道安全掘进通过。MSP探测结果是：当日迎头前方15～20 m范围内有异常界面；在35～47 m段存在GR1异常界面；在90～110 m段存在GR2异常界面，且每一组界面影响范围达10 m左右；后经掘进验证，迎头前方15～20 m范围内的异常区为破碎带；GR1异常界面是由一正断层造成的异常反应；GR2异常界面是由煤线引起的异常反应。
袁店二矿地质异常区综合超前探测结果表明：MSP探测技术可直接对巷道前方地质构造界面进行探测与预报，确定其位置及极性特征，有效控制距离在120m左右；而在复杂地质区域，采用与瞬变电磁等方法相结合，可进行综合超前探测，其较大的提高了对构造复杂区域前方不良地质构造的预报精度，综合预报准确率达82％以上。
4 结束语
随着矿井开采深度增加，各种地质问题变得相对复杂，综合使用物探技术将对复杂构造探查起到重要的作用，是未来矿井探测技术研究与应用的方向。袁店二矿地质异常区综合超前探测结果表明，矿井震波超前探测技术可直接对巷道前方地质构造界面进行探测与预报，确定其相对准确位置及特征；而结合瞬变电磁等方法综合超前探测，可进一步提高对前方不良地质构造的预报精度。根据现场地质条件，选择合适的综合物探技术，结合地球物理中地震波属性、电性参数，做好对地质异常体的分辨的标准试验研究，为矿井安全生产提供更为有性的技术参数和保障。
参考文献：
［1］ 张平松，刘盛东，吴健生.坑道掘进空间反射波超前探测技术［J］.煤炭学报，2010，35(8)：1 331-1 335.
［2］ 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007：10-25.
［3］ 侯云廷.隧道地质调查中综合物探方法的应用研究［D］.北京：中国地质大学，2006：5-10.
［4］ 毛志国.利用综合物探方法解决矿井地质问题［J］.河北煤炭，1999(1)：13-15.
［5］ 李志华，朱旭东.复杂地质隧道的综合物探技术［J］.铁道工程学报，2008(8)：58-61.
［6］ 张平松，刘盛东.井巷煤岩体内构造特征反射波探测技术与应用［J］.矿业安全与环保，2006(6)：43-46.
［7］ 李希宝，朱文，付茂如.矿井复杂地质构造综合探测技术应用研究［J］.安徽理工大学学报：自然科学版，2010，30(3)：13-16.
(责任编辑：何学华，范 君)
关键词：综合物探技术；瞬变电磁法；矿井震波超前探测；断层构造复杂区
中图分类号：P631文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0052-04
收稿日期：2011-03-24
作者简介：胡光雨(1963-)，男，安徽无为人，工程师，大专，主要从事煤矿开采技术与管理工作。
[WT3BZ]Application of Geophysical Prospecting Technique in Fault Complex Geological Structure in Yuandian No.2 Coal Mine
HU Guang-yu1, XIN Zhan-dong1,PAN Le-xun2
(1.Yuandian No.2 Coal Mine, Huaibei Mining Group Co., Ltd., Huaibei Anhui 236800, China; 2.Anhui Huizhou Institute of Subterranean Calamity, Hefei Anhui 230088, China)
Abstract:In order to improve the accuracy of mine complex geological structure judgment, used Mine Seismic Prediction and Transient electromagnetic methods were used to detect complex geological bodies. The result of the application of one complex structure about the fault in Yuandian No.2 Coal Mine showed that the comprehensive geophysical prospecting technique had a stronger ability to distinguish the complex geological bodies, and to determine accurately the spatial characteristics and aquosity of the bodies, and had better advanced detection. It can provide technical basis for security and stability of mine production.
Key words:integrated geophysical prospecting technique; transient electromagnetic method; mine seismic prediction; fault complex geological structure
在矿井建设和生产过程中，存在着各种影响安全生产的地质因素，如煤岩体中的断层构造、陷落柱、采空区及含水异常等，这些因素严重影响并制约着矿井安全生产进度，甚至造成重大的安全生产事故。近年来地球物理探测技术的快速发展以及探测手段的日益成熟，为精确探测矿井内复杂地质构造体提供了有效手段。煤矿井下探测空间有限，且物探方法具有多解性，单一方法很难对构造体进行准确判断，其分辨能力低。因此对于复杂构造的探测与解释更需要多种物探方法的综合运用，并且对各种探测结果进行综合对比分析，进而提高对地质体判断的准确性。通过在构造复杂区域进行探测布置，综合对比不同探测方法的探测结果，可有效地查明目的区域内地质构造的展布状况，为煤矿安全高效生产提供可靠的技术保障［1-5］。
袁店二矿属于袁店井田西半部，井田内断层较多。其中高长营子断层是位于井田东部的一条正断层，有12条分支断层，走向北东—北，倾向北西—西，倾角55°～65°，落差440～560 m，向两端展布出边界。F高-7正断层是高长营子断层的一条分支断层，走向东—北东，倾向北—北西，倾角60°～70°，落差110 m。两端分别被WF4、高长营子断层切割。在袁店二矿巷道掘进过程中，F高-7断层在大巷穿过地点落差达到100 m，其中南翼回风大巷、运输大巷、轨道大巷均过该断层，且在81采区回风上山(现为7211工作面风巷)35勘探线附近受DF4断层影响，72煤与10煤间距变小，存在灰岩水突出威胁(见图1)，图中阴影部分为进行物探探测巷道分布区域，这些巷道受F高-7断层影响较大。
1 综合物探技术
11 瞬变电磁超前探测
瞬变电磁法是利用不接地回线(线圈)或接地导线发射脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感生的二次电流，在发射脉冲的间隙利用回线或接地电极测量二次场随时间变化的响应。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性特征、规模和产状等，达到解决地质问题的目的。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效地质勘探手段。
发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布如图2所示，等效电流环像从发射回线中“吹”出的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象的称为“烟圈效应”。“烟圈”的半径r、深度
12 矿井震波超前探测
矿井震波超前探测是应用地震波在传播过程中，遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道特点设计的沿巷道后方布置震源和传感器，来探测巷道前方地质和水文地质条件的观测系统［7］。震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震剖面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。通过对地震剖面的偏移处理获得前方地质体的反射能量反应，并进行地质解释。
2 探测技术的应用
2009年7月至2010年8月期间，分别在袁店二矿-535南翼回风大巷、-560南翼轨道大巷、81采区回风石门、81采区7211工作面风巷进行了9次井下综合超前探测；另在81采区回风上山7211工作面风、机巷进行了7次单一方法超前探测。通过对探测巷道前方煤岩体的构造情况以及富水性综合预报， 主要对巷道施工时受影响的F高-7断层和DF2断层的构造位置、赋水状况进行评价分析，取得了良好的效果。为此选取其中一次探测工程，对断层复杂构造区物探技术的应用进行分析研究。
据已知地质资料分析， 现场在探测巷道(-560 m南翼轨道大巷)内布置测线，其中在左、右帮各布置3个测点，测点间距为5 m；巷道正迎头方向布置6个测点，测点间距为05 m，两拐角处各布置1个测点；单次探测总共布置14个测点。每个测点处做顶板、顺层、底板方向探测(见图3)。
图3 瞬变电磁观测系统布置图
将瞬变电磁探测电阻率进行反演，从反演结果中(见图4)可以看出，剖面中电阻率横向上10～100 m范围内整体电阻率值较高，表明探测巷道迎头前方100 m范围掘进段岩层整体赋水性差。而巷道两帮均采用锚网支护，其对探测有较大影响，故在电阻率反演剖面中，两帮表现为相对低阻。
图4 瞬变电磁法超前探测结果图
根据巷道地质条件，现场同时采用了矿井震波超前探测技术(Mine Seismic Prediction,MSP)进行了探测。矿井MSP探测在迎头有限空间内展开，采用炸药震源。测线布置右帮上，共设置右帮炮孔20个；接收传感器点为2个即C1和C2(见图5)。设计炮间距2m。其中C1传感器距离P20号炮点15 m，C2点距C1传感器5 m。
图5 MSP观测系统布置图
MSP探测偏移能量剖面如图6所示，其中各个相位波组特征明显。-560 m南翼轨道大巷D7+95 m当日迎头点起至前方142 m范围内，共存在2组主反射异常段，即GR1、GR2界面。其中在迎头前方35~47 m段存在GR1异常界面，在迎头前方90~110 m段存在GR2异常界面，且每一组界面影响范围达10 m左右。结合地质资料分析GR1界面可能存在岩性相变、岩层较为破碎；GR2界面可能为断层构造异常位置。
3 掘进验证分析
通过对-560 m南翼轨道大巷迎头进行的瞬变电磁探测并分析认为，当日迎头前方100 m掘进段岩层整体电阻率值较高，其含水性相对较弱。后经掘进实际验证：本段探测区域内迎头前方基本无水，巷道安全掘进通过。MSP探测结果是：当日迎头前方15～20 m范围内有异常界面；在35～47 m段存在GR1异常界面；在90～110 m段存在GR2异常界面，且每一组界面影响范围达10 m左右；后经掘进验证，迎头前方15～20 m范围内的异常区为破碎带；GR1异常界面是由一正断层造成的异常反应；GR2异常界面是由煤线引起的异常反应。
袁店二矿地质异常区综合超前探测结果表明：MSP探测技术可直接对巷道前方地质构造界面进行探测与预报，确定其位置及极性特征，有效控制距离在120m左右；而在复杂地质区域，采用与瞬变电磁等方法相结合，可进行综合超前探测，其较大的提高了对构造复杂区域前方不良地质构造的预报精度，综合预报准确率达82％以上。
4 结束语
随着矿井开采深度增加，各种地质问题变得相对复杂，综合使用物探技术将对复杂构造探查起到重要的作用，是未来矿井探测技术研究与应用的方向。袁店二矿地质异常区综合超前探测结果表明，矿井震波超前探测技术可直接对巷道前方地质构造界面进行探测与预报，确定其相对准确位置及特征；而结合瞬变电磁等方法综合超前探测，可进一步提高对前方不良地质构造的预报精度。根据现场地质条件，选择合适的综合物探技术，结合地球物理中地震波属性、电性参数，做好对地质异常体的分辨的标准试验研究，为矿井安全生产提供更为有性的技术参数和保障。
参考文献：
［1］ 张平松，刘盛东，吴健生.坑道掘进空间反射波超前探测技术［J］.煤炭学报，2010，35(8)：1 331-1 335.
［2］ 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007：10-25.
［3］ 侯云廷.隧道地质调查中综合物探方法的应用研究［D］.北京：中国地质大学，2006：5-10.
［4］ 毛志国.利用综合物探方法解决矿井地质问题［J］.河北煤炭，1999(1)：13-15.
［5］ 李志华，朱旭东.复杂地质隧道的综合物探技术［J］.铁道工程学报，2008(8)：58-61.
［6］ 张平松，刘盛东.井巷煤岩体内构造特征反射波探测技术与应用［J］.矿业安全与环保，2006(6)：43-46.
［7］ 李希宝，朱文，付茂如.矿井复杂地质构造综合探测技术应用研究［J］.安徽理工大学学报：自然科学版，2010，30(3)：13-16.
(责任编辑：何学华，范 君)