綜合電法在煤層底板含水性探查中的應(yīng)用

李文剛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司電法勘探技術(shù)研究所，陜西省西安市，710077)

目前，煤礦開采技術(shù)得到了很大的提高，但是由于許多煤田的水文條件、地質(zhì)構(gòu)造、外部環(huán)境等因素十分復(fù)雜，在受到巖溶水層的巨大壓力時(shí)，部分煤層在開采過程中可能受到礦井突水的威脅。近年來，斷層通水、采空區(qū)積水等造成的煤礦突水事故時(shí)有發(fā)生，可見，勘查礦區(qū)水文地質(zhì)情況、探明通水積水分布，治理斷層突水、采空區(qū)積水問題，提前采取必要的防水措施，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)來說十分必要。

本文根據(jù)探測(cè)區(qū)域開采揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，采用礦井音頻電穿透技術(shù)和礦井高分辨率直流電法，探查工作面底板0～80m范圍內(nèi)的含賦水性異常分布，并根據(jù)資料處理成果圖件和已知的地質(zhì)資料相結(jié)合進(jìn)行分析和解釋。

1 富水構(gòu)造的地球物理響應(yīng)

礦井在掘進(jìn)及工作面回采的過程中，巖層的天然平衡將被破壞，周圍的水體常通過斷層、陷落柱、溶洞、溶穴、隔水層以及巖層最薄弱的地方進(jìn)入采掘工作面。其中，陷落柱是巖溶裂隙在地下水的溶蝕及水動(dòng)力作用下逐漸發(fā)育和擴(kuò)大，而在地質(zhì)構(gòu)造力和上部覆蓋巖層的重力長(zhǎng)期作用下塌落下沉。通常陷落柱會(huì)成為地下水的良好通道，常誘發(fā)礦井水患，同時(shí)破壞了煤層的連續(xù)性，影響了煤礦生產(chǎn)建設(shè)的正常進(jìn)行。

通過電性特征分析巖性不同的地層，一般情況下灰?guī)r和煤層的電阻率值較其他巖石電阻率高、砂巖的電阻率次之、而粘土巖類的電阻率最低；根據(jù)這種電性規(guī)律可知，泥巖和粘土巖等圍巖與灰?guī)r和煤層等目標(biāo)巖層的導(dǎo)電性有著明顯差異。在不受構(gòu)造變動(dòng)改造的情況下，沉積地層的電性特征在縱向上保持著一般的變化規(guī)律，而在地層的橫向變化相比之下較為均一。當(dāng)沉積地層在構(gòu)造變動(dòng)產(chǎn)生破碎帶時(shí)，若構(gòu)造內(nèi)不存在積水或含水量很小的情況下，地層的導(dǎo)電性能較差，導(dǎo)致測(cè)量的電阻率值較高；若構(gòu)造內(nèi)存在大量積水，由于地質(zhì)體積水后相當(dāng)于良導(dǎo)體，他與不含水的圍巖存在明顯的導(dǎo)電性差異，在測(cè)量結(jié)果中呈現(xiàn)電阻率低值，容易識(shí)別。總之，沉積地層中如果存在斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，并且存在積水的情況下，在含水構(gòu)造與煤層或圍巖的接觸邊界兩側(cè)存在著明顯的電性差異。由于電法勘探技術(shù)是以導(dǎo)電性差異作為理論基礎(chǔ)的，因此上述的電性特征為實(shí)施電法勘探提供了很好的地球物理前提。

2 物探方法的選擇及必要性

目前，煤礦工作面底板含水性探測(cè)中用到的物探方法很多，各種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，反射地震法、常規(guī)直流電法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法等。本次勘探選擇了礦井音頻電穿透法和礦井直流電法，主要原因如下:

(1)測(cè)區(qū)內(nèi)地層相對(duì)穩(wěn)定，沉積序列清晰。正常地層組合條件下，地層電性特點(diǎn)在橫向與縱向上都有固定的變化規(guī)律，使用工作面礦井音頻電穿透法技術(shù)能探測(cè)工作面底板中的平面上的低阻含水構(gòu)造分布特征；

(2)礦井直流電法主要用于單獨(dú)探測(cè)工作面底板中的地質(zhì)構(gòu)造，可以發(fā)現(xiàn)垂直于地層方向上不同深度的地質(zhì)構(gòu)造問題；

(3)為了真實(shí)準(zhǔn)確地反映地下含水構(gòu)造的埋深、分布形態(tài)等，進(jìn)行綜合勘探、對(duì)比分析能達(dá)到聚焦、立體探測(cè)的目的。

3 電法勘探實(shí)例分析與解釋

本次勘探區(qū)域位于安徽省濉溪縣西北劉橋鎮(zhèn)境內(nèi)的劉橋第一煤礦，該礦在東北方向上距淮北市約12km，東距濉溪縣約7km，井田呈北東—南西向展布，礦井走向長(zhǎng)7km，傾向?qū)?.5～2.0km，礦井面積為14.2604km2，生產(chǎn)能力為130Mt／a。礦井范圍內(nèi)無基巖出露，均被新生界松散層所覆蓋，經(jīng)鉆孔揭露，地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系和第四系。劉橋一礦3＃、4＃煤層均受到七含砂巖裂隙水和太灰?guī)r溶承壓含水層的影響，對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)造成了較為嚴(yán)重的安全隱患。因此，需查明該工作面的水文地質(zhì)情況，為工作面的采前防治水及回采過程中采取適當(dāng)技術(shù)措施提供依據(jù)。

3.1 音頻電穿透法

本次音頻電穿透法分兩個(gè)層位進(jìn)行勘探，勘探工作面底板下不同深度層段音頻電穿透成果如圖1、圖2所示，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷均以工作面煤壁為起點(diǎn)，以10m為點(diǎn)距編號(hào)標(biāo)點(diǎn)，運(yùn)輸巷設(shè)36個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，回風(fēng)巷設(shè)35個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，工作面設(shè)19個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。圖1、圖2中等值線值表示視電導(dǎo)率，單位為西門子／米 (用S／m表示)，視電導(dǎo)率等值線圖主要反映4＃煤層底板砂巖含水層的富水情況。由圖1可以看到主要有2處視電阻率低阻異常區(qū)，在底板下第七含水層段附近，1號(hào)低阻異常區(qū)位于工作面回風(fēng)巷西和工作面之間，異常條帶性較強(qiáng)，范圍較小，異常幅度相對(duì)較強(qiáng)；2號(hào)低阻異常區(qū)主要位于工作面回風(fēng)巷東和運(yùn)輸巷東之間，異常條帶性較強(qiáng)，范圍較大，異常幅度相對(duì)中等。圖2為勘探工作面底板下40～80m深度層段音頻電穿透成果圖，此處也可以看到2處視電阻率低阻異常區(qū)，1號(hào)低阻異常區(qū)零星分布在工作面和回風(fēng)巷西，范圍較小，異常幅度相對(duì)較強(qiáng)；2號(hào)低阻異常區(qū)主要位于工作面回風(fēng)巷東和運(yùn)輸巷東之間，異常條帶性較強(qiáng)，范圍較大，異常幅度相對(duì)中等。

圖1 0～40m深度層段音頻電穿透成果圖

不同層段地層視電導(dǎo)率特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，從兩個(gè)不同高度層段巖層視電導(dǎo)率平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)比較可看出:40～80m層段比0～40m層段巖層的視電導(dǎo)率大；0～40m層段主要是第七含水層，40～80m層段主要是第八含水層，結(jié)合地質(zhì)資料說明底板下40～80m巖層局部賦水性相對(duì)較強(qiáng)。

圖2 40～80m深度層段音頻電穿透成果圖

表1 音頻電穿透異常特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 高分辨率直流電法

針對(duì)上述分析得到的富水性分布結(jié)果，本次勘探在工作面上選擇了3條測(cè)線進(jìn)行直流電測(cè)深勘探，以進(jìn)一步分析和確定工作區(qū)的富水情況。運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷以及工作面的高分辨直流電法成果如圖3、圖4、圖5所示，圖中等值線值表示視電阻率相對(duì)幅值；運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷均以工作面煤壁為起點(diǎn)，均設(shè)33個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，工作面煤壁設(shè)19個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，坐標(biāo)點(diǎn)均以10m為點(diǎn)距。運(yùn)輸巷底板下方主要發(fā)育有2處相對(duì)低阻異常區(qū)，如圖3所示，其中1號(hào)異常區(qū)的范圍相對(duì)較小，主要在4＃煤層底板砂泥巖層段附近；2號(hào)異常區(qū)的范圍相對(duì)較大，在4＃煤層底板砂泥巖層段和第八含水層均有，且第八含水層異常范圍較大?；仫L(fēng)巷底板下方主要發(fā)育有2處相對(duì)低阻異常區(qū)，如圖4所示，其中1號(hào)異常區(qū)的范圍相對(duì)較大，主要在第八含水層段附近；2號(hào)異常區(qū)的范圍相對(duì)中等，在4＃煤層底板砂泥巖層段。工作面底板下方主要發(fā)育有1處相對(duì)低阻異常區(qū)，異常區(qū)范圍較大，其平面位置基本與揭露的疑似陷落柱一致，軸心稍微向回風(fēng)巷方向傾伏，從異常區(qū)的形態(tài)來看，低阻異常在縱向上有一定的連通趨勢(shì)。為了查明工作面底板下低阻異常區(qū)的平面分布形態(tài)，對(duì)泥砂巖層段和第八含水層附近的不同深度段切出30m、60m深度的低阻異常平面圖，如圖6、圖7所示。圖6反映4＃煤層底板下30m附近砂泥巖層段的裂隙發(fā)育情況，圖上2處異常區(qū)分別對(duì)應(yīng)了音頻電穿透結(jié)果中的2處異常區(qū)。其中，1號(hào)異常區(qū)范圍中等，異常幅度相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域靠近工作面；2號(hào)異常區(qū)條帶性較弱，范圍中等，異常幅度相對(duì)中等。圖7反映4＃煤層底板下60m附近砂巖含水層段的裂隙發(fā)育情況。其中，1號(hào)異常區(qū)范圍中等，異常幅度相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域靠近工作面；2號(hào)異常區(qū)條帶性較弱，范圍較小，異常幅度相對(duì)較小。

圖3 運(yùn)輸巷底板視電阻率低阻異常斷面圖

圖4 回風(fēng)巷底板視電阻率低阻異常斷面圖

圖5 工作面底板視電阻率低阻異常斷面圖

3.3 異常性質(zhì)分析

結(jié)合劉橋一礦采掘工程平面圖和上述勘探資料來看，1號(hào)異常區(qū)為本次井下綜合電法探測(cè)的主要異常區(qū)，位于工作面揭露的陷落柱和數(shù)條小斷層附近，受劉橋向斜和疑似陷落柱的影響，底板下砂泥巖隔水層相對(duì)比較破碎，尤其是在疑似陷落柱附近，深部也存在比較明顯的低阻異常，異常也有向斜上方導(dǎo)升的趨勢(shì)，推測(cè)該異常主要是第八含水層裂隙比較發(fā)育且相對(duì)賦水所致。音頻電穿透與高分辨率直流電法在該異常處對(duì)應(yīng)較好，整體而言1號(hào)異常區(qū)在淺部異常范圍較大，分析主要是淺部砂泥巖造成的，深部相對(duì)淺部異常范圍較小。2號(hào)異常區(qū)在兩種方法中都有反應(yīng)，該異常區(qū)主要位于劉橋向斜的西翼，受向斜構(gòu)造的影響，底板下砂泥巖隔水層相對(duì)比較破碎，深部也存在比較明顯的低阻異常，異常在局部位置也有向斜上方導(dǎo)升的趨勢(shì)，推測(cè)該異常區(qū)主要是第八含水層裂隙比較發(fā)育且相對(duì)賦水所致。

圖6 30m深度附近巖層低阻異常平面圖

圖7 60m深度附近巖層低阻異常平面圖

4 結(jié)論

本次井下綜合電法勘探工作采用的音頻電穿透法和高分辨率直流電法選擇合理，探測(cè)了工作面底板含水層含水性異常區(qū)的賦存位置和分布特征。主要成果為:根據(jù)物探資料在工作面底板共發(fā)現(xiàn)了2處低阻異常區(qū)，1號(hào)異常區(qū)位于工作面揭露的陷落柱和數(shù)條小斷層附近，2號(hào)異常區(qū)主要位于劉橋向斜的西翼，受向斜構(gòu)造的影響，推測(cè)兩處異常區(qū)主要是第八含水層裂隙比較發(fā)育且相對(duì)賦水所致。

鑒于以上的勘探結(jié)果，在勘探工作面內(nèi)應(yīng)注意將勘探異常區(qū) (以2處異常區(qū)為主)作為回采前防治水工作重點(diǎn)區(qū)。低阻異常區(qū)是客觀存在的，能否通過裂隙、構(gòu)造導(dǎo)升并發(fā)生突水，則受諸多人為因素影響和控制，地下水的突出必須具備一定的水文地質(zhì)條件，礦井電法勘探結(jié)果與已知地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料結(jié)合起來綜合分析，為煤礦安全生產(chǎn)和建設(shè)提供了理論依據(jù)和保證。

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