大同礦區(qū)煤系地層富水性預(yù)測CSAMT勘探試驗

張建智

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北省涿州市， 072750)

大同礦區(qū)是華北典型的雙紀(jì)煤田，對基底構(gòu)造的研究對成煤規(guī)律、構(gòu)造成因、采區(qū)工作面合理布置、安全防治水等工作都具有重要的指導(dǎo)意義。龔飛等研究了煤系地層的一維正演并與實(shí)測曲線進(jìn)行了對比, 余傳濤等研究了煤礦隱伏斷層的CSAMT探測效果，宋玉龍等研究了CSAMT探測煤礦采空區(qū)的應(yīng)用效果，于昌明等在大同陷落柱探測中取得了較好的效果。 這些研究針對影響煤礦開采的斷層、陷落柱、采空區(qū)等致災(zāi)因素的CSAMT響應(yīng)特征及效果進(jìn)行了討論，研究成果表明煤系地層中構(gòu)造是影響煤系地層富水性的重要因素。

煤礦富水區(qū)預(yù)測是關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容，目前主要采用了三維地震技術(shù)解釋導(dǎo)水通道(構(gòu)造、陷落柱等地質(zhì)異常)、采用電阻率法(直流電法、TEM等)解釋賦水范圍的方法進(jìn)行探測，并結(jié)合井下巷道揭露情況指導(dǎo)煤礦防治水工作，但對于大同煤田，由于淺層新生界地層電阻率較低，影響了瞬變電磁法和直流電法勘探深度，采用大功率CSAMT進(jìn)行試驗是解決深部煤層富水性預(yù)測的一個思路。本文從煤系地層富水區(qū)的控制因素出發(fā)，根據(jù)三維地震和測井建立數(shù)值模型，探討大同礦區(qū)煤系地層富水性特征，并據(jù)此開展了煤系地層富水性預(yù)測的CSAMT測試試驗。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

大同煤田位于牛心山和口泉山之間，大部分為低山丘陵地貌。區(qū)內(nèi)出露地層有太古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系及第三系、第四系地層，整體為一北東-南西向向斜構(gòu)造，東南翼窄，地層傾角陡，構(gòu)造較復(fù)雜，西北翼寬廣，地層及構(gòu)造簡單，如圖1所示。

圖1 大同礦區(qū)大地構(gòu)造綱要圖

區(qū)域內(nèi)河流由北至南依次為十里河、口泉河、

鵝毛口河、小峪河、大峪河、元子河等6條季節(jié)性河流，對地下水補(bǔ)給有限，地層含水性從上至下逐漸變?nèi)?。奧灰水位線標(biāo)高在1100～1200 m之間，水文地質(zhì)條件相對簡單，如圖2所示。

圖2 大同礦區(qū)奧灰等水位線圖

1.2 煤層及地質(zhì)構(gòu)造

井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系山西組。本次試驗區(qū)主采煤層為石炭系太原組5#煤層和8#煤層。根據(jù)三維地震成果，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，以高角度東西向正斷層為主，測區(qū)構(gòu)造綱要圖如圖3所示。

圖3 井田構(gòu)造綱要圖

1.3 試驗區(qū)地球物理特征

井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系山西組，太原組煤層總厚約為25 m，山西組煤層總厚5.5 m。根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計，各個地層電性參數(shù)見表1，各地層電阻率差異明顯，具有大地電磁法開展工作的物性條件。

表1 煤巖層電性參數(shù)特征表

2 煤系地層CSAMT響應(yīng)

CSAMT縱向分辨率相對較低，分辨煤層及頂?shù)装灞容^困難，但煤系地層中由于煤層頂?shù)装咫娮杪什町惷黠@，研究煤系地層的電磁響應(yīng)，有利于利用CSAMT研究煤系地層富水性在縱向的連通關(guān)系，指導(dǎo)生產(chǎn)。

2.1 水平層狀大地電磁場正演計算

由麥克斯韋方程得到的Ex、Hy解析表達(dá)式為：

采用漢克爾積分變換進(jìn)行求解計算?？醽喴曤娮杪视嬎愎綖椋?/p>

(3)

式中：Ex——電場水平分量，V/m；

Hy——磁場水平分量, A/m；

PE——電偶極子在層狀介質(zhì)表面產(chǎn)生的電磁場，A/m；

λ——采樣頻率，Hz；

i——電流強(qiáng)度，A；

u1——相對磁導(dǎo)率，H/m；

u0——真空中的磁導(dǎo)率，取4π×10-7H/m；

ω——角頻率，(°)；

r——偶極子長度，m；

k1——第一個電性層的波數(shù)；

ρ——卡尼亞視電阻率，Ω·m；

J1(λr)——以λr為變量的一階貝賽爾函數(shù)。

2.2 均勻半空間CSAMT模型正演

根據(jù)試驗?zāi)康?，在ZK860井附近進(jìn)行了試驗，并模擬了一維各向同性介質(zhì)條件下CSAMT的正演響應(yīng)，所用參數(shù)為：發(fā)射電極AB=2 km,發(fā)射電流10 A，收發(fā)距為12 km，根據(jù)ZK860測井曲線，模型參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)表

ZK860點(diǎn)的正演理論值和實(shí)測值對比圖見圖4。從圖4可以看出，理論視電阻率曲線和實(shí)測曲線基本重合，理論相位和實(shí)測曲線相差較大，這是地下地質(zhì)條件復(fù)雜的特征，由此驗證正演計算可靠，可以指導(dǎo)野外生產(chǎn)和數(shù)據(jù)反演、解釋。

3 煤系地層富水性預(yù)測試驗

為了驗證煤系地層富水性預(yù)測CSAMT效果，選擇大同煤田中部的已知構(gòu)造富水區(qū)開展了CSAMT探測試驗。

3.1 試驗區(qū)地質(zhì)特征

試驗線整體為F98、F99控制的地塹，構(gòu)造發(fā)育。整個剖面有4個鉆孔控制，根據(jù)測井曲線統(tǒng)計，煤層頂?shù)装迮c煤層電阻率有一定差異(見表1)，利用CSAMT開展試驗具有良好的地球物理電性前提。

圖4 均勻半空間CSAMT正演結(jié)果圖

3.2 工作方法

試驗區(qū)煤層埋深在300～450 m之間，可控源音頻大地電磁發(fā)射、接收工作頻段為5～3840 Hz，共28個頻點(diǎn)，各頻點(diǎn)在對數(shù)坐標(biāo)軸上基本均勻分布，實(shí)際試驗收發(fā)距為12 km,發(fā)射源長度為1.5 km,發(fā)射機(jī)供電電流7 A，供電電壓400 V，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，每個點(diǎn)疊加次數(shù)為50次，在正式測量前按規(guī)范對不極化電極的一致性進(jìn)行了測試，對儀器和探頭進(jìn)行了標(biāo)定。

3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

在充分收集區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)、水文和相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對前期的相關(guān)地質(zhì)報告進(jìn)行了分析，根據(jù)已知鉆孔附近采集的資料，進(jìn)行地電特征分析，結(jié)合本區(qū)的地球物理特征，對獲得的資料進(jìn)行反復(fù)認(rèn)識和推敲，為進(jìn)一步資料處理和解釋工作提供前提。資料處理主要包括預(yù)處理、一維正演和一維反演等工作；預(yù)處理包括了畸變點(diǎn)剔除、曲線平滑、靜態(tài)校正、近場校正等。

3.3.1 曲線特征分析

試驗線L10線的部分原始視電阻率曲線如圖5所示。中高頻段視電阻率在20～40 Ω·m之間，小于15 Hz低頻部分視電阻率隨頻率降低而逐漸上升，對比視電阻率曲線，試驗線地層可分為二層，上部低阻和下部高阻層，與實(shí)際地層結(jié)構(gòu)基本一致。

圖5 L10線實(shí)測視電阻率曲線

3.3.2 擬斷面分析

L10線實(shí)測數(shù)據(jù)擬斷面圖見圖6，圖中橫坐標(biāo)為距離樁號，縱坐標(biāo)為頻率的對數(shù)。由圖6(a)可知，視電阻率從低頻到高頻呈高-低-高特征，整體上頻率在32 Hz附近電阻率呈低電阻，頻率小于20 Hz視電阻率呈逐漸增大趨勢，成層性好。由圖6(b)可知，視相位斷面也有類似的層狀結(jié)構(gòu)，是煤系地層的CSAMT典型特征。

圖6 L10實(shí)測數(shù)據(jù)擬斷面

3.3.3 成果解釋

反演采用了鉆井和測井曲線約束的OCCAM法，最終獲得用于解釋的反演剖面圖。L10線反演電阻率剖面與地震時間剖面疊合的綜合解釋圖見圖7，電阻率為反演電阻率的常用對數(shù)值。整體上剖面電性層呈中間低兩側(cè)高的趨勢，與本區(qū)的地層變化趨勢一致，受F99、F98、DF109和DF325斷層影響，各組地層發(fā)生明顯的錯斷，圖中同向軸與電阻率變化趨勢基本一致。

圖7 L10反演電阻率剖面綜合解釋圖

在縱向上電阻率剖面可劃分為6個電性分層：第一電性層位為第四系覆蓋層，呈低阻特征；第二電性層位為二疊系山西組泥巖和煤段，呈高阻特征；第三電性層位為二疊系下石盒子和上石盒子砂巖段，呈低阻特征；第四電性層位為石炭系太原組泥巖、煤層，呈低阻特征；第五電性層位為本溪組地層，呈低阻特征；第六電性層位為奧陶系灰?guī)r段，呈高阻特征。根據(jù)剖面電性特征，對比測井曲線，推斷了5#煤層、8#煤層和奧灰頂界面的地層界線。

通過對本區(qū)地質(zhì)資料收集可推斷，斷層中地下水的分布極不均勻，這是由于斷層本身結(jié)構(gòu)的不均勻性造成的，斷層結(jié)構(gòu)的不均勻性同時也造成斷層富水性研究的復(fù)雜性。因此，利用視電阻率值判斷斷層的富水性是常用的煤礦采區(qū)富水性預(yù)測方法。由圖7可知，相對電阻率最低的為本溪組地層，為K1灰?guī)r含水層，測井資料顯示K1灰?guī)r含水層富水性中等，是影響煤層開采的主要含水層。結(jié)合電阻率剖面，F(xiàn)99和F98連通第四系、煤系地層和奧陶系，控制了地下水的空間格局，因此斷層水是影響煤層開采的主要影響因素。斷層的富水性與電阻率斷面圖上的低阻異常對應(yīng)，對斷面上的電阻率異常進(jìn)行分析認(rèn)為，F(xiàn)99和F98在5#煤層附近富水性較強(qiáng)。其中F99和F98與上覆含水層連通, F99和F98可能與奧灰連通。

3.4 煤層富水區(qū)綜合預(yù)測

5#煤層富水性預(yù)測圖見圖8。圖中的等值線為順5#煤層電阻率值，巖層富水性評價借助電阻率參數(shù)，電阻率低對應(yīng)富水性強(qiáng)，反之亦然。依據(jù)電阻率順層切片，預(yù)測5#煤層富水性。通過研究各剖面電阻率斷面圖和5#煤層電阻率順層切片，對5#煤層附近斷層的影響范圍及富水強(qiáng)度進(jìn)行分類，圖中藍(lán)色區(qū)域(電阻率80～120 Ω·m)為強(qiáng)富水區(qū)域，黃色區(qū)域(電阻率150～250 Ω·m)為中等富水區(qū)域，紅色區(qū)域(電阻率大于250 Ω·m)為弱富水區(qū)域，503、504、505工作面回采過程中頂、底板有輕微滲水，DF87斷層富水性差，與CSAMT預(yù)測富水性中等基本一致。

圖8 5#煤層富水性預(yù)測圖

根據(jù)各條斷面電阻率斷面圖和順5#煤層電阻率切片對斷層進(jìn)行了綜合解釋，F(xiàn)99、F98為區(qū)域性深大斷裂，連通煤系地層與奧灰，其他斷層規(guī)模較小，導(dǎo)水性弱；在5#煤層附近，F(xiàn)99、DF109、DF170斷層富水性中等，其他斷層富水性較弱；在電阻率斷面上，F(xiàn)99、F98、DF325斷層電阻率畸變特征明顯，屬于較可靠電阻率異常，斷層富水性、導(dǎo)水性分級評價見表3。

表3 斷層富水性、導(dǎo)水性分級評價表

4 結(jié)論

目前，采用地面三維地震和瞬變電磁綜合開展煤礦采區(qū)富水性探測已經(jīng)取得了較好的效果，但在地球物理條件比較復(fù)雜的礦區(qū)，瞬變電磁法在勘探深度和精度上都受到制約。本文通過對比大同礦區(qū)煤系地層的CSAMT正演響應(yīng)與實(shí)測數(shù)據(jù)的特征，開展CSAMT勘探試驗，建立由井約束的精確地電斷面對煤層、構(gòu)造的富水性進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明：

(1)通過數(shù)值模擬，在大同地區(qū)，CSAMT能有效識別煤系地層中含水砂層，煤層及奧灰界面，可以作為煤礦采區(qū)礦井水文地質(zhì)勘探的技術(shù)手段。

(2)通過大同礦區(qū)煤系地層的CSAMT勘探試驗，認(rèn)為CSAMT方法在影響煤層開采的富水區(qū)預(yù)測和探測中具有一定的優(yōu)勢。

在以往的煤系地層CSAMT勘探中，由于奧灰高阻界面的響應(yīng)與CSAMT近場效應(yīng)重合，影響了深部勘探的精度。隨著CSAMT技術(shù)在理論方面的不斷完善，全區(qū)精確電阻率計算的應(yīng)用為CSAMT解決煤系地層、奧灰富水性評價提供了條件，本次試驗也為深部煤礦富水性預(yù)測積累了經(jīng)驗。