綜合物探方法在煤礦水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

曹清章，趙民

（河南省航空物探遙感中心，鄭州450053）

綜合物探方法在煤礦水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

曹清章，趙民

（河南省航空物探遙感中心，鄭州450053）

針對(duì)河南省禹州某煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件不明等問題，采用地震和瞬變電磁法相結(jié)合的方法進(jìn)行勘探。為保證解釋結(jié)果相互印證，在垂直于地層走向上布設(shè)了4條重合測(cè)線，并以其中的DZ03地震時(shí)間剖面和TEM03視電阻率斷面圖為例，依據(jù)其物理特征分別對(duì)陷落柱與斷層進(jìn)行了解釋。結(jié)果表明，二種方法在解釋異常位置、深度、形態(tài)及富水性等方面高度吻合。利用該方法解釋礦區(qū)存在1個(gè)陷落柱，8條組合斷層。根據(jù)斷層的位置及富水區(qū)分布情況，推斷F3和F5以北，富水性強(qiáng)且面積較大，特別在斷層交匯部位巖溶水極其發(fā)育，且上下連通，另外陷落柱具有強(qiáng)富水性；F3以北和興F2以西存在較大面積的中等富水區(qū)。

煤礦；水文地質(zhì)；地震勘探；瞬變電磁法；斷層；陷落柱；富水性

0引言

河南省禹州市某礦區(qū)在勘探階段未進(jìn)行水文地質(zhì)勘查工作，存在水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件等不明問題，導(dǎo)致礦井開拓、生產(chǎn)過程中多次發(fā)生底板突水事故。如二1煤層底板在2007年7月與2009年7月發(fā)生突水事故，涌水量分別達(dá)240、300 m3/h。突水事故嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失。為確保礦山安全生產(chǎn)，采用地震及瞬變電磁等綜合物探方法，基本查清了礦區(qū)的構(gòu)造發(fā)育及富水情況，為礦方開展礦井防治水提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1地質(zhì)概況

礦區(qū)屬低山丘陵區(qū)，為基巖半裸區(qū)，地勢(shì)東北高西南低，海拔標(biāo)高237～337 m，地形起伏明顯。區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為寒武系、石炭系、二疊系及第四系，其中石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組為含煤地層，二1煤層厚度較為穩(wěn)定，平均厚度5.87 m。

據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料可知，礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，張性斷層破碎帶中斷層角礫發(fā)育，斷裂面張開性好，影響帶寬度大，具有較好的透水與富水性，形成該區(qū)地下水的強(qiáng)富水帶，尤其在張性斷層的相交處，地層巖石破碎強(qiáng)烈，多形成地下水富集區(qū)。

該地區(qū)的地下水類型劃分為孔隙水、裂隙水和巖溶水三種，其中分布在石炭上統(tǒng)太原組（C2t）灰?guī)r和寒武系上統(tǒng)鳳山組（∈3f）灰?guī)r中的巖溶水面積、水量較大，是造成該區(qū)二1煤層礦井突水事故的主要水源，也是該區(qū)煤礦防治水的主要對(duì)象。

2地震勘探

2.1施工方法

全區(qū)共布設(shè)9條地震測(cè)線，垂直于地層走向方向布置4條主測(cè)線，線距200 m，垂直于主測(cè)線方向布置5條聯(lián)絡(luò)測(cè)線，線距200 m，數(shù)據(jù)采集采用60 Hz檢波器串（兩串兩并），觀測(cè)系統(tǒng)采用道間距5 m、炮間距10 m、接收道數(shù)96道、中間不對(duì)稱激發(fā)（36+ 60）。根據(jù)礦區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)條件，生產(chǎn)過程中選取不同震源激發(fā)，在巖石出露或基巖較淺區(qū)域選擇井炮震源激發(fā)，在黃土覆蓋區(qū)選取可控震源激發(fā)。

2.2解釋方法

礦區(qū)深部二1煤層為主要可采煤層，煤層厚度較為穩(wěn)定，平均厚度5.87 m，煤層頂板巖性多為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖或砂巖，煤層與其頂?shù)装鍑鷰r存在較大的波阻抗差異，反射系數(shù)比一般巖石要大，可形成較強(qiáng)的反射波（T2）?；趯?duì)特征波T2的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行波組追蹤對(duì)比，根據(jù)波的強(qiáng)度、相位、連續(xù)性特征，在時(shí)間剖面上確定反射層的起伏和錯(cuò)斷情況。

斷點(diǎn)確定的一般依據(jù)：

①反射波同相軸錯(cuò)斷或重復(fù)；

②反射波同相軸數(shù)目增加或減少，波組間隔或產(chǎn)狀突然發(fā)生變化；

③反射波突然出現(xiàn)中斷或發(fā)生小段空白，中斷或空白處兩側(cè)同相軸具有明顯的時(shí)差；

④反射波相位的分叉與合并；

⑤反射波同相軸或相位強(qiáng)烈扭曲，伴隨時(shí)差，一般為小斷層的反映；

⑥出現(xiàn)繞射波、斷面波等異常波。

根據(jù)以上特征確定疑似斷點(diǎn)，然后再與其它測(cè)線進(jìn)行閉合并結(jié)合地質(zhì)規(guī)律對(duì)斷層作出判別。

本次對(duì)比追蹤從波組特征比較明顯的DZ07線開始對(duì)比，然后利用交點(diǎn)閉合的關(guān)系延伸到其他測(cè)線（圖1）。

圖1　DZ07線Figure 1 Line DZ07

圖2　DZ03線地震時(shí)間剖面解釋結(jié)果Figure 2 Line DZ03 seismic time section interpreted results

選擇礦區(qū)西部DZ03線為例，對(duì)該區(qū)斷層與陷落柱的典型特征進(jìn)行說明（圖2）。從圖中可以看出：二1煤層反射波較為連續(xù)，波組特征明顯。在樁號(hào)430～510之間二1煤反射波缺失且其附近（上、下）波組零亂，結(jié)合與其重合的瞬變電磁剖面特征，推斷解釋為一陷落柱反映；此外，在樁號(hào)620、740和820附近二1煤反射波同相軸錯(cuò)斷（或扭曲）明顯。結(jié)合已有資料及相鄰地震剖面特征，分別推斷為F3、F2、F1。

3瞬變電磁

3.1施工方法

垂直主構(gòu)造線方向布設(shè)9條瞬變電磁勘探線，線距100 m，其中4條與地震勘探主測(cè)線重合，其余5條為加密測(cè)線。接收線圈采用直徑為1 m的MTEM-AL中頻瞬變電磁接收線圈，以減少一次場(chǎng)影響、提高分辨力。為保證本次瞬變電磁勘探工作取得高信噪比、高質(zhì)量的原始資料，在生產(chǎn)前進(jìn)行了儀器標(biāo)定工作和詳細(xì)充分的試驗(yàn)工作。經(jīng)過試驗(yàn)工作最終確定本區(qū)的主要工作參數(shù)有：使用發(fā)射線框600 m×600 m的大定源回線裝置，回線內(nèi)觀測(cè)，發(fā)射電流7 A，發(fā)射頻率：25 Hz。

3.2資料解釋

礦區(qū)存在多種含水地質(zhì)體，含水?dāng)鄬?、裂隙的電阻率比周圍圍巖的電阻率低，寒武系灰?guī)r的電阻率高于其上覆地層的電阻率，煤系的電阻率高于圍巖。另外斷層穿越不同巖性的地層，其斷層破碎帶中的物質(zhì)成分不同，所形成的斷層角礫不同，導(dǎo)致的透水性與富水性也不同，其中在灰?guī)r和砂巖中，斷層破碎帶的富水性較好，電阻率真低；而在泥巖、砂質(zhì)泥巖中的斷層破碎帶的富水性較差，其電阻率就高。這是瞬變電磁法評(píng)價(jià)斷層裂隙和含水層富水性的物理依據(jù)。

3.3典型剖面解釋

這里選擇與地震剖面DZ03線重合的TEM03線為例來說明瞬變電磁法的解釋效果（圖3）。

圖3　TEM03視電阻率斷面圖Figure 3 TEM03 line apparent resistivity section

從TEM03線視電阻率斷面圖可看出，剖面的電性總體表現(xiàn)為在地面標(biāo)高50 m以上視電阻率等值線橫向分布較均勻，其視電阻率中-低-中-低特征則是煤系的反映，這部分受斷裂等影響橫向均勻性變化較大；地面標(biāo)高50 m以下視電阻率等值線橫向分布較均勻，其視電阻率特征表現(xiàn)為逐步升高是C—∈灰?guī)r的反映。在樁號(hào)450～500 m，地面標(biāo)高0m以下有一低阻異常，推斷為一陷落柱；在620、740和820附近，地面標(biāo)高50～100 m視電阻率等值線扭曲，且出現(xiàn)局部低阻異常，推斷為斷層影響且存在富水區(qū)，二種方法解釋結(jié)果基本吻合。

4成果及驗(yàn)證

通過本次工作，共解釋出斷點(diǎn)24個(gè)、陷落柱1個(gè)，圈定富水區(qū)域9塊。根據(jù)解釋出的斷點(diǎn)共組合出斷層8條，基本上查清了勘查區(qū)的地層、斷層富水性特征，圈定了寒武系灰?guī)r及石炭系灰?guī)r富水區(qū)分布范圍（圖4）。

寒武系上統(tǒng)灰?guī)r溶隙-裂隙承壓水發(fā)育，主要集中在F3和F5以北，面積大，富水性強(qiáng)，在斷層交匯部位巖溶水極其發(fā)育，具上下連通現(xiàn)象。發(fā)育在DZ03線樁號(hào)400～500的陷落柱，富水性強(qiáng)。

圖4　綜合成果圖Figure 4 Comprehensive results

石炭系上統(tǒng)太原組（C2t）灰?guī)r巖溶水，富水區(qū)主要集中在F3以北和興F2以西，面積較大，富水性中等。

經(jīng)鉆探驗(yàn)證，地震勘探和瞬變電磁勘探方法是本礦區(qū)水文地質(zhì)勘查工作行之有效的工作手段。位于富水性較弱區(qū)域鉆孔SZ1孔，太原組（C2t）巖溶含水層水位標(biāo)高為98.99 m，單位涌水量為0.912 L/（s· m），滲透系數(shù)為1.514 m/d，具有中等富水性。二1煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層水位標(biāo)高為73.56 m，該含水層的單位涌水量為0.546 L/（s·m），滲透系數(shù)為1.537 m/d，具有中等富水性；位于富水性較強(qiáng)區(qū)域鉆孔SZ2孔打穿了斷層破碎帶，破碎帶厚度約為40 m，寒武系上統(tǒng)鳳山組（∈3f）灰?guī)r和石炭系上統(tǒng)（C2t）灰?guī)r含水層的水位為128.43 m，單位涌水量為1.510 L/（s·m），滲透系數(shù)為2.248 m/d，具強(qiáng)富水性。

5結(jié)語

煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中采用瞬變電磁法、地震勘探，結(jié)合鉆探、抽水試驗(yàn)、水文地質(zhì)調(diào)查等資料查明礦區(qū)寒武系、石炭系、煤層頂?shù)装?、采空區(qū)等富水區(qū)的賦存位置、范圍和形態(tài)，以及斷層的含水、導(dǎo)水性，是一種較為理想且行之有效的勘探方法，可為礦井的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保證，因此綜合物探技術(shù)在煤礦水文地質(zhì)勘查方面具有良好的應(yīng)用于前景。

［1］熊章強(qiáng)，方根顯.淺層地震勘探［M］.北京：地震出版社，2002.

［2］李金銘，羅延中.電法勘探新進(jìn)展［M］.北京：中國地質(zhì)出版社，1996.

［3］劉海濤，楊娜.綜合物探方法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2011，3.

Application of Integrated Geophysical Prospecting in Coalmine Hydrogeological Exploration

Cao Qingzhang，Zhao Min
（Henan Provincial Airborne Geophysical Prospecting and Remote Sensing Center，Zhengzhou，Henan，450053）

In allusion to issues of uncertain hydrogeological condition etc.in a coalmine，Yuzhou，Henan，have carried out seismic prospecting combined with TEM method.To ensure the interpreted results can be mutually corroborated，4 coincident lines perpendicular to strata strike have been laid out.Taking the DZ03 seismic time section and TEM03 apparent resistivity section as example，according to their physical characteristics carried out subsided column and fault interpretations.The result has shown that interpretations of the integrated prospecting are highly consistent.Through the method，1 subsided column and 8 fault complexes have been interpreted. Based on fault position and water rich area distribution have inferred large area water rich zones to the north of F3and F5，especially karst water extremely developed on fault intersections and connected from top to bottom.Besides，subsided columns have strong water yield property.Rather large area medium water yield property zones have existed to the north of faults F3and XF2.

coalmine；hydrogeology；seismic prospecting；TEM；fault；subsided column；water yield property

P631

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.18

1674-1803（2016）08-0083-04

曹清章（1962—），男，高級(jí)工程師，主要從事地球物理勘探工作，現(xiàn)在河南省航空物探遙感中心工作。

2016-05-03

責(zé)任編輯：孫常長