古沖溝盆地區(qū)域煤層覆巖富水性瞬變電磁法探測技術研究

陳清通，牟 義

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

鄂爾多斯盆地是一個巨大而復雜的地下水盆地，自下而上埋藏有寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶地下水、石炭系-侏羅系碎屑巖裂隙水和白堊系碎屑巖孔隙裂隙水及新生界孔隙水，其賦存規(guī)律、埋藏條件、分布范圍和循環(huán)特征各異，各自構(gòu)成相對獨立的含水統(tǒng)一體[1-3]。根據(jù)盆地的地質(zhì)及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合含水介質(zhì)類型，將鄂爾多斯盆地含水巖系劃分為三大含水層系統(tǒng)，即寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統(tǒng)、白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水層系統(tǒng)和石炭系-侏羅系碎屑巖裂隙與上覆松散層孔隙含水層系統(tǒng)[4，5]。每一個含水層系統(tǒng)可進一步劃分為若干個亞系統(tǒng)。淖爾壕煤礦位于白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水層系統(tǒng)和石炭系-侏羅系碎屑巖裂隙與上覆松散層孔隙含水層系統(tǒng)邊界。淖爾壕煤礦主采4-2煤層，目前開采的北翼盤區(qū)1407及規(guī)劃開采的1408、1409等工作面位于古沖溝盆地潛水富水區(qū)，其上覆侏羅系碎屑巖裂隙與松散層孔隙含水層為主要含水層，特別是松散層較厚。本文在分析鄂爾多斯古沖溝盆地上覆巖層水文地質(zhì)條件的基礎上，有針對性的采用瞬變電磁法進行4-2煤層覆巖富水性探測技術研究，首先進行儀器一致性檢查及背景噪聲調(diào)查，確保降低場地及儀器本身干擾，提高數(shù)據(jù)客觀質(zhì)量，然后進行現(xiàn)場參數(shù)測試，確定鄂爾多斯古沖溝盆地區(qū)域覆巖富水性瞬變電磁法探測的最優(yōu)化參數(shù)，最后分析瞬變電磁探測結(jié)果，確定古沖溝盆地覆巖主要富水層及富水范圍，指導礦井防治水工作，也為了解鄂爾多斯古沖溝區(qū)域覆巖水文地質(zhì)條件提供了基礎資料。

1 古沖溝盆地水文地質(zhì)條件

淖爾壕煤礦目前主采4-2煤，回采工作面為1407綜采工作面。4-2煤層可采厚度2.33～4.96m，平均3.75m，當前工作面煤層平均厚度4m。平均埋藏深度90m，基巖平均厚60m。淖爾壕煤礦采用長壁大采高綜合機械化采煤工藝回采。

對于厚度大于3m的厚煤層開采導水裂隙帶高度預測國內(nèi)尚無標準預計公式，需根據(jù)國內(nèi)其他礦井類似厚度煤層開采形成的導水裂隙帶高度實測結(jié)果進行類比預測。本文選取鄂爾多斯市寸草塔二礦、察哈素礦導水裂隙帶高度實測資料結(jié)果為參照，對淖爾壕煤礦4-2煤層開采導水裂隙帶最大高度預測類比預測。寸草塔二礦和察哈素礦采用彩色鉆孔電視觀測法、鉆孔沖洗液消耗量觀測法及瞬變電磁法等多種方法對導水裂隙帶高度進行現(xiàn)場探測，探測結(jié)果如下：①寸草塔二礦22111工作面傾斜長度300m，埋深311m，開采煤厚2.8m，覆巖為中硬巖層，探測結(jié)果為：該礦工作面覆巖破壞導水裂隙帶高度41.06m，裂采比為14.66倍；②察哈素煤礦31303工作面埋深450m，走向長4250m，平均傾斜長300m，開采煤厚4.3～6.0m，平均4.75m，覆巖為中硬巖層，探測結(jié)果為：該礦工作面覆巖破壞導水裂隙帶高度67.1m，裂采比為14.12倍。

淖爾壕煤礦也位于鄂爾多斯市古沖溝盆地區(qū)域，工作面附近采區(qū)煤層厚度平均4m，與察哈素煤礦、寸草塔二礦等水文地質(zhì)條件類似，根據(jù)類比法可以對礦井煤層開采后垮落帶、導水裂縫帶發(fā)育進行預計，4-2煤導水裂縫帶發(fā)育高度約為58.6m。井田北翼盤區(qū)東部4-2煤埋藏深度約為95～105m，古沖溝盆地松散層厚度大，最大可達60m，基巖最薄為35m。煤層開采后導水裂縫帶發(fā)育高度約為58.6m，在北翼盤區(qū)東部古沖溝盆地區(qū)域?qū)芽p帶貫穿基巖發(fā)育至松散含水層內(nèi)。

通過以上分析可知，礦井北翼盤區(qū)東部古沖溝盆地區(qū)域基巖厚度薄，導水裂縫帶貫穿基巖發(fā)育進入松散含水層，基巖含水層與第四系松散含水層水能通過導水裂縫帶進入井下采掘空間。因此，第四系(Q4)松散層潛水含水層在導水裂隙帶溝通的情況下，已成為工作面的直接充水水源，充水強度大，對礦井產(chǎn)生威脅。

2 瞬變電磁場響應特征

由于鄂爾多斯盆地區(qū)域沉積環(huán)境的關系，煤系地層一般具有層狀分布的特點，其電性分布具有特定的規(guī)律。在同一巖層內(nèi)，電性分布相對均一(橫向均一性)；不同巖層組合，其垂向電性分布和變化是有序的且與巖性組合順序相對應(垂向有序性)[6，7]。根據(jù)鉆孔測井曲線和該地區(qū)大量物探實踐經(jīng)驗，正常情況下，試驗區(qū)地層從上至下依次表現(xiàn)為：第四系地層，電阻率整體呈低～中阻特征；4-2煤層頂板侏羅系-白堊系地層巖性多以砂巖為主，夾泥巖，電阻率整體呈中高阻特征；4-2煤層則屬導電性較差的中高阻層；4-2煤層底板巖性多以泥巖為主，夾砂巖，其電阻率整體呈低阻特征[8，9]，如圖1所示。綜上所述，當?shù)貙映练e層序穩(wěn)定，不含局部地質(zhì)構(gòu)造、含/積/富水區(qū)時，地層由淺至深的電性呈穩(wěn)定的“中(低)阻～高阻～低阻”的K型特征，如圖2所示。

圖1 典型異常體電阻率衰減曲線

圖2 典型異常體電阻率剖面圖

當?shù)貙痈凰虬凰牡刭|(zhì)異常體時，其電阻率會顯著降低，橫向上同一地層的電性均一性也會被破壞，在電阻率衰減曲線中富水層位會出現(xiàn)明顯的低阻特征，含水采空區(qū)就表現(xiàn)出低于正常地層的低阻“彎曲凹陷”特征，在電阻率斷面圖或平面圖上會出現(xiàn)等值線的密集扭曲、圈閉等現(xiàn)象，圖2中第四系地層中的低阻異常1、2、3及穿層低阻異常4、5呈現(xiàn)相似特征。同理，當?shù)貙硬缓虬桓凰牡刭|(zhì)異常體，則出現(xiàn)明顯的高阻特征，圖1中出現(xiàn)高阻“凸起”特征，圖2中的高阻1、2、3均有此特征，本次主要探測低阻富水體，高阻不富水體不再細述。這種明顯的電性差異，為瞬變電磁法探測富水性提供了良好的應用前提。

3 瞬變電磁法優(yōu)化試驗

3.1 儀器一致性檢查

試驗過程中為了提高施工效率，投入2臺接收機和3個接收線圈，為確保不同接收機、線圈的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在現(xiàn)場進行了一致性檢測[10]。進行一致性檢測時保持其他條件不變，分別更換接收機或接收線圈進行工作，檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖3和圖4可見，不同接收機和線圈的數(shù)據(jù)曲線基本重合，說明各接收機和線圈沒有出現(xiàn)故障，可以相互兼容，一致性較好。根據(jù)一致性檢測數(shù)據(jù)計算的平均均方誤差，接收機間的最大誤差為0.11%，線圈間的最大誤差為0.24%，滿足規(guī)范和施工要求。

圖3 儀器一致性對比

圖4 線圈一致性對比

3.2 背景噪聲調(diào)查

在發(fā)射機沒有工作的情況下，接收機直接采集背景噪聲，然后發(fā)射機工作采集正常信號[11]。背景噪聲與正常信號強度對比如圖5所示，從圖5可見，所有測道正常信號的強度遠大于噪聲信號，表明該區(qū)背景噪聲水平較低。同時噪聲信號的最大值為0.0547，有效信號的最后一個測道值為0.1804，滿足規(guī)范中信噪比大于3的要求，說明晚期測道的數(shù)據(jù)也很可靠。

圖5 背景噪聲與正常信號強度對比

3.3 參數(shù)優(yōu)化選取

3.3.1 發(fā)射頻率

本次探測的目標層位最大埋深約110m，各測道的視電阻率約為20～60Ω·m。規(guī)范中最大時窗估算公式為：

式中，t為電流關斷后延時，ms；H為最大勘探深度，m；ρ(t)為延時t時刻視電阻率，Ω.m。

按式(1)估算，電流關斷后延時0.78ms即可滿足勘探深度要求，而25Hz的發(fā)射頻率最大延時約為7ms，還具有盲區(qū)較小的優(yōu)點，完全滿足試驗要求。

3.3.2 發(fā)射電流

發(fā)射電流越大，信噪比越高，因此實際施工時在保證儀器穩(wěn)定工作的前提下，應選擇盡可能大的發(fā)射電流，在此不再贅述[12，13]。

短期內(nèi)對考上內(nèi)初班、內(nèi)高班、大中專本科院校的貧困戶子女給予資金獎勵，提高貧困戶子女學習積極性，保證其能夠順利完成學業(yè)；從長遠來講，加大對基層教育的投入力度，改善基層教育環(huán)境，提高教學質(zhì)量。扶貧扶智是扶貧開發(fā)的重要任務，也是阻斷貧困代際傳遞的重要途徑［4］。

3.3.3 增益

不同增益設置下的數(shù)據(jù)曲線對比如圖6所示，三種增益的數(shù)據(jù)曲線基本重合，說明在該區(qū)背景噪聲低于最后一個測道值的情況下，無論哪一種增益都能取得較好的數(shù)據(jù)?？紤]到測區(qū)部分區(qū)段(如高壓線、房屋附近)干擾較大，選擇抗干擾能力強的1X增益。

圖6 不同增益數(shù)據(jù)曲線對比

3.3.4 發(fā)射線框

根據(jù)試驗區(qū)地質(zhì)情況和最大勘探深度，設計兩種發(fā)射框，邊長分別為120m和240m的正方形邊框。保持其它參數(shù)不變的情況下，兩種發(fā)射框采集到的數(shù)據(jù)反演后結(jié)果如圖7所示。從圖7可見，兩個地電斷面在垂向上都表現(xiàn)出了該區(qū)“中(低)阻～高阻～低阻”的K型特征，但與發(fā)射框邊長120m的結(jié)果相比，邊長240m的結(jié)果分辨率更高，4-2煤層對應的高阻層位置更準確，在地下30多米處有1低阻層(白色虛線框部分)，推斷該層為第四系地層富水所致，物探結(jié)果與已知地質(zhì)資料吻合，而120m的結(jié)果則缺少該富水層的反映，因此發(fā)射框邊長確定為240m。

圖7 不同邊長發(fā)射框數(shù)據(jù)反演結(jié)果對比

綜上所述，本次試驗采用的接收機和接收線圈不存在故障，誤差在規(guī)程范圍之內(nèi)，一致性高，且試驗區(qū)域背景噪聲較低，試驗數(shù)據(jù)采集可有效壓制背景噪聲，為參數(shù)優(yōu)化試驗及數(shù)據(jù)采集提供了可靠保證；針對鄂爾多斯古沖溝盆地區(qū)域覆巖富水性瞬變電磁法探測優(yōu)化的參數(shù)為：發(fā)射頻率25Hz、增益1X、正方形發(fā)射線框邊長240m、盡可能大的發(fā)射電流，此參數(shù)適用于鄂爾多斯古沖溝盆地覆巖富水性探測。

4 覆巖富水性瞬變電磁法探測成果

依據(jù)瞬變電磁資料和成果，結(jié)合鄂爾多斯古沖溝盆地區(qū)域覆巖含水層發(fā)育特征，由點到線，由線到面，對本次物探資料進行解釋[14]。測區(qū)地層由地表至煤層為第四系、侏羅系，僅有4-2煤1層可采煤層，侏羅系地層巖性以砂泥巖為主，根據(jù)上文分析的水文地質(zhì)條件，主要的含水層分別為第四系(Q4)松散層潛水含水層和侏羅系碎屑巖類承壓水含水層，這些地質(zhì)條件是資料分析解釋的基礎[15，16]。

4.1 衰減曲線

以V-t曲線為依據(jù)，通過對比不同測點的曲線，定性分析地質(zhì)體的分布[17，18]。典型的0線60號測點和90號測點V-t曲線對比如圖8所示，在早期，90號點的衰減速度比60號點曲線明顯要快，晚期兩者則基本重合，這說明90號測點淺部的電阻率低于60號測點，而在深部兩者的電阻率則趨于一致，根據(jù)地質(zhì)資料推斷90號測點處的第四系地層淺部的富水性要比60號測點強。

圖8 衰減曲線對比

4.2 二維剖面

典型的視電阻率斷面圖如圖9所示。由圖9可見，縱向上由淺至深“中(低)阻～高阻～低阻”的變化特征表現(xiàn)得十分明顯，與該區(qū)實際地質(zhì)層位的電性變化規(guī)律吻合。在地表以下到高程約1260m左右有一連續(xù)性較好的低阻層，根據(jù)地質(zhì)資料，推斷為第四系地層富水的反映，該富水層整體北高南低的趨勢也與測區(qū)地下水流向基本一致。由4-2煤煤層底板至其上高程約1260m，整體視電阻率值明顯高于淺部地層，表明該范圍內(nèi)的侏羅系地層(煤層頂板)的富水性要顯著弱于第四系地層。

圖9 典型視電阻率斷面圖

4.3 三維切片

由于測區(qū)不同地層或巖層之間電性差異較大，可比性較差，在視電阻率斷面圖上，真正需要的某一層位的電性異常在某種程度上被掩蓋[19，20]。為更好地比較同一層位不同區(qū)域的富水性，圈定弱異常，根據(jù)各條測線反演得到的高程-視電阻率數(shù)據(jù)，形成三維數(shù)據(jù)體，由高至低分別抽取了典型層位的順層視電阻率平面圖，據(jù)此分析第四系地層和侏羅系-白堊系地層含水層的富水性。間隔10m抽取的順層視電阻率三維切片如圖10所示，圖中總體可以看出第四系地層視電阻率值整體較低，富水性相對強-中等，而侏羅系-白堊系及4-2煤層整體視電阻率值整體相對要高，富水性弱或不富水。

圖10 順層視電阻率三維切片

1)第四系地層富水性分析。由測區(qū)高程1270m層位的視電阻率分析可見，高程1270m層位富水性呈現(xiàn)低阻富水區(qū)明顯增大、區(qū)域相互聯(lián)通的特征。與高程1280m平面圖相比，低阻異常范圍大面積增加，北部低異常區(qū)從1407工作面上方開始延伸到1408工作面，中、南部低阻異常區(qū)開始東西覆蓋1407和1408工作面上方，隨著深度的增加，高程1270m層位中、南部的富水范圍呈現(xiàn)區(qū)域化、互通化，特別是4376000線以南低阻富水區(qū)全部聯(lián)通，4375000線以南低阻富水區(qū)全覆蓋，富水性也極大增強，1408工作面南段局部出現(xiàn)較強低阻富水區(qū)。

2)侏羅系-白堊系地層富水性分析。由測區(qū)高程1220m層位的視電阻率分析可見，高程1220m層位富水性呈現(xiàn)整體無低阻富水區(qū)、弱富水性的特征。

3)4-2煤層分析。由測區(qū)高程1200m層位(4-2煤層)的視電阻率分析可見，高程1200m層位富水性呈現(xiàn)整體無低阻富水區(qū)、弱富水性的特征。

5 結(jié) 論

1)鄂爾多斯古沖溝盆地區(qū)煤層覆巖主要有第四系松散層和侏羅系-白堊系地層。正常地層電性呈穩(wěn)定的“中(低)阻～高阻～低阻”的K型特征，當存在含水異常體時就表現(xiàn)出低于正常地層的低阻“彎曲凹陷”特征。

2)鄂爾多斯古沖溝盆地區(qū)域覆巖富水性瞬變電磁法探測優(yōu)化的參數(shù)為：發(fā)射頻率25Hz、增益1X、正方形發(fā)射線框邊長240m、盡可能大的發(fā)射電流，此參數(shù)有效適用于鄂爾多斯古沖溝盆地覆巖富水性探測。

3)鄂爾多斯古沖溝盆地區(qū)域覆巖主要含水層為為第四系松散層孔隙含水層和侏羅系碎屑巖裂隙含水層，第四系巖層整體富水性較強，侏羅系巖層整體的富水性較弱，越接近4-2煤層富水性越弱。淖爾壕礦區(qū)第四系地層北部富水范圍變化不大，富水區(qū)較分散，南部富水區(qū)面積較北部明顯增大，且形成層狀分布，局部富水強～較強，富水區(qū)聯(lián)通性較強，富水性變化與該區(qū)地下水流向吻合；而侏羅系巖層富水區(qū)范圍明顯減小，零散孤立分布，不富水或富水性弱。