高密度電法和瞬變電磁法在轉龍灣煤礦富水區(qū)探測中的應用

孟小杰，孫文斌，肖 磉

(1.核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長沙 410007;2.北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100071)

1 引 言

轉龍灣煤礦位于鄂爾多斯高原東北部，最深可采煤層埋深在240 m左右，其安全開采直接受到煤層頂、底板砂巖含水層和第四系含水層、地表水系的影響。通常情況下，由于隔水層的存在，富水區(qū)很難對礦坑充水并構成威脅，然而，一旦冒落帶裂隙高度達到含水層時，這些富水區(qū)的存在很可能轉為充水源,并間接向礦坑充水，導致潰水甚至潰沙的危險，這將給煤層采掘工作帶來巨大的困難和安全隱患。因此，查明研究區(qū)煤層富水區(qū)范圍是防治礦井水害的關鍵，可以為礦井生產(chǎn)提供安全保障。

礦區(qū)水害探測及防治一直是工程地質(zhì)災害防治領域的研究熱點和難點問題[1]。近年來，研究人員在含水層富水性研究領域開展了大量物探、鉆探、水文地質(zhì)等工作[2]。地球物理勘探方法因其具有快速、準確、經(jīng)濟等特點，已成為煤礦含水層探測的常用勘探方法之一[3-8]。其中，高密度電阻率法和瞬變電磁法具有對低阻敏感、經(jīng)濟、高效等顯著優(yōu)勢，在煤礦富水性探測方面得到了廣泛應用，并取得了良好的探測效果[9-11]。例如：劉國勇等[12]采用高密度電法對貴州六盤水市某廢棄煤礦采空區(qū)進行探測，圈定出多個低阻異常區(qū)，并推斷其為采空區(qū)積水和構造含水所致。翟培合等[13]采用高密度電法對微山煤礦富水區(qū)探測，在二維反演的基礎利用三維可視化處理得到了煤層頂板砂巖地層、底板三灰地層和大屯斷層帶富水性的三維分布特征。于師建[14]采用瞬變電磁探測有效確定了含水層的富水異常區(qū)范圍。劉百祥等[15]將瞬變電磁探測與鉆探和前期地質(zhì)工作相結合，查明了某煤礦工作面上覆采空區(qū)的富水區(qū)域。鐘聲等[16]利用地面與井下瞬變電磁探測相結合的方法，控制水害分布范圍和圈定富水區(qū)域，指導下一步的抽排水工作。丁永祿[17]等采用瞬變電磁探測技術探明工作面橫向范圍與縱向頂板上方80 m范圍巖層富水性，圈定了富水異常區(qū)段及等級。除煤礦富水區(qū)探測外，張紅權等[18]還將瞬變電磁法應用于江西省貴溪市羅塘石膏礦區(qū)采空區(qū)探測并成功揭示出地下隱伏采空區(qū)的空間展布。張軍等[19]利用瞬變電磁法探測地下灰?guī)r溶洞取得良好效果。樊娟[20]利用瞬變電磁法探測黔北礦區(qū)青龍煤礦頂板巖溶發(fā)育情況及水力聯(lián)系，圈定出頂板巖溶含水層的主要異常區(qū)，證明瞬變電磁法在巖溶水勘查等應用方面方法有效。由于單一地球物理勘探存在局限性，近年來，煤礦富水區(qū)探測逐漸向綜合地球物理探測方向發(fā)展。李文[21]進行的地面物探方法特點及適用性研究總結出了不同物探方法的探測埋深，為實現(xiàn)煤礦水害地面精細探測提供物探方法組合，提高物探精度。李洪嘉等[22]通過數(shù)值模擬分析了高密度電法和瞬變電磁法不同裝置類型對地下目標地質(zhì)體的探測能力，并成功應用于煤礦采空區(qū)探測，查明了80 m以淺的地層分布和200 m以下的采空區(qū)分布特征，并得到了鉆探結果的驗證。江微娜[23]在瞬變電磁探測的基礎上，利用高密度電法成功圈定出煤層內(nèi)的低阻異常，并推測其是煤礦老空水所致，表明綜合地球物理探測可以有效提高探測的可靠性。此外，梁向陽[1]采用瞬變電磁和音頻電透視法在巴彥高勒煤礦深埋礦井富水區(qū)探測中成功劃分出4處頂板富水區(qū)。由此可見，采用綜合地球物理方法對煤礦富水區(qū)進行探測，將有助于礦井水害的防治。

為此，本文在轉龍灣煤礦開展瞬變電磁和高密度電阻率法探測，通過對覆蓋全區(qū)的綜合地球物理數(shù)據(jù)進行反演，獲得了研究區(qū)煤層含水層富水性的分布特征，并結合地質(zhì)和鉆探資料，重點分析了Ⅱ-3號煤層含水層的富水性，為該煤層的順利開采提供了基礎資料和安全保障。

2 地質(zhì)概況與地球物理特征

2.1 地質(zhì)概況

轉龍灣礦區(qū)位于鄂爾多斯高原東北部，大地構造屬于華北地臺鄂爾多斯臺向斜、東勝隆起的東南部。區(qū)內(nèi)構造相對簡單，總體為一單斜構造。傾向W—SWW，傾角為1°～2°。僅有一些寬緩的波狀起伏和斷距小于20 m的斷層。研究區(qū)內(nèi)地形總體趨勢呈現(xiàn)西高東低、北高南低的態(tài)勢，最小和最大標高分別為1 183和1 405 m，高差約222 m，地形起伏較小。

研究區(qū)地層由新到老大致可以劃分為6套地層，分別是第四系全新統(tǒng)(Qh)和上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Qp3s)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)和直羅組(J2z)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)和三疊系上統(tǒng)延長組(T3y)。其中，第四系全新統(tǒng)(Qh)分布在研究區(qū)中部及東部，以風積砂為主(Qheol)、次為階地堆積(Qhpl)和沖洪積(Qhal)。風積砂以細粒石英為主，階地堆積物成分以松散的細粉砂土組成，沖、洪積物以中、粗粒砂為主，含小礫石，分布于河床及河漫灘。第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Qp3s)多在低洼處或基巖裸露區(qū)的兩側分布。上部以灰黃、灰褐色黃土狀亞砂土為主，中部為土黃色、雜色砂礫石層，下部為土黃色土層，由結構松散的粉細砂土組成。侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)在區(qū)內(nèi)未出露，主要巖性為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，黃褐色塊狀長石石英砂巖。侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)在公捏爾蓋溝及西部較高的山坡上零星出露，巖性為淺藍色粉砂質(zhì)泥巖、夾土黃色砂巖透鏡體。侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)為采區(qū)內(nèi)含煤地層，地表無出露，巖性主要為青灰色、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，灰白色、淺灰白色砂巖，細、粉砂巖和煤層組成。厚99.78～257.83 m，平均187.01 m。含煤3～18層，可采煤層3～7層，全組含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五個煤組。三疊系上統(tǒng)延長組(T3y)為侏羅系含煤地層基底，該組地層在采區(qū)內(nèi)無出露，上部主要巖性為灰綠色、灰白色中、粗粒長石石英雜砂巖，局部見泥質(zhì)粉砂巖，偶含0.2 m左右的薄煤層。

研究區(qū)共分布4條斷層，分別為DF1、DF2、DF4、DF7斷層。其中，DF1和DF2正斷層均位于研究區(qū)南部，前者走向NNE，傾向SEE，傾角約為65°，后者走向NE，傾向NW，傾角約為67°。DF4正斷層位于研究區(qū)西部，走向NNE，傾向NWW，傾角約為72°。位于煤礦南部的DF7正斷層是區(qū)內(nèi)唯一的近NNW向斷層，其傾向為NEE，傾角約為70°。

研究區(qū)內(nèi)可采煤層共10層，其中Ⅱ-3煤層是主要的可開采煤層，煤層厚為0.8～5.96 m，平均厚度為4.9 m。煤層由東向西逐級增厚，東部為中厚煤區(qū)，西部為厚煤區(qū)。厚煤區(qū)約占總面積的一半。該煤層的頂板主要為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，也有砂巖、細砂巖；底板則以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，局部含細砂巖。煤層在大部分區(qū)域較厚且穩(wěn)定，全區(qū)可采，為一穩(wěn)定煤層。

研究區(qū)地表水系較為發(fā)育，地表有烏蘭木倫河，東南有公捏爾蓋溝長年流水。通常情況下，地表水下部都有一穩(wěn)定的隔水層阻礙其向礦井充水。但是，在基巖厚度較薄區(qū)域，尤其是距離公涅爾蓋溝較近的區(qū)域，如果開采時頂板導水裂隙帶發(fā)育到第四系附近，就很可能導致間接充水。

研究區(qū)共存在3個含水組，自上至下依次是第四系松散巖類孔隙潛水含水組、Ⅱ-3煤層頂?shù)装迳皫r含水組和Ⅴ-1煤層頂?shù)装迳皫r含水。其中，Ⅱ-3煤層頂?shù)装迳皫r含水組為主要充水水源，尤其是頂板砂巖中的承壓水(Ⅱ-a′含水層、Ⅱ-a含水層、Ⅲ-a含水層)，而第四系松散巖類孔隙潛水含水組則是間接的充水含水層。表1為侏羅系地層含(隔)水層的組合關系，從中可以發(fā)現(xiàn)，Ⅱ-3煤層自身含水，裂隙發(fā)育，鉆進到此層位時多發(fā)生涌水、漏水現(xiàn)象。值得注意的是，區(qū)內(nèi)隔水層的隔水條件比較好，各含水層之間基本沒有水力聯(lián)系。

表1 侏羅系地層含(隔)水層組合關系

2.2 地球物理特征

研究區(qū)地層巖性主要有粉砂巖、砂巖和泥巖。煤層作為開采的目標地質(zhì)體，其電性特征與其他地層存在顯著的差異。通常情況下，泥巖、粉砂巖、細砂巖、中粗砂巖、煤層的電阻率值依次增高。在致密完整的情況下，巖層電阻率相對較高，如果巖層中有充水裂隙或巖溶等構造存在時，或受斷層切割，破碎帶含水、導水時，由于水體良好的導電性，使該巖層與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，其電阻率明顯下降。由此可見，富水區(qū)與圍巖之間的電性差異為高密度電阻率法和瞬變電磁法探測提供了應用前提和地質(zhì)解釋的依據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

礦區(qū)預主采Ⅱ-3煤層為近水平煤層，平均厚度約4.3 m，煤層平均埋深190 m。為了更好地掌握探測區(qū)域內(nèi)地下水的分布情況,及進一步減少各種物探方法探測成果解釋的多解性，提高探測精度，采用高密度電阻率法勘探與地面瞬變電磁法勘探相結合的綜合物探方法調(diào)查探測區(qū)內(nèi)的地下水的分布情況，為礦井防治水規(guī)劃提供參考資料。

3.1 數(shù)據(jù)采集

物探測線布置見圖1。全區(qū)瞬變電磁法按照40 m×20 m測網(wǎng)進行布置，即線距40 m，點距20 m。共設計測線21條，測點3 485個；共設計3條高密度電法測線，分別命名為L1～L3，電極距10 m，隔離系數(shù)為50,其中：

圖1 物探測線布置

L1布置于L440線，起點位于760點，終點位于1760點，測線長度1 000 m；

L2布置于L600線，起點位于920點，終點位于1720點，測線長度800 m；

L3布置于L280線，起點位于120點，終點位于1120點，測線長度1 000 m。

高密度電阻率法采用了E60M型直流電法工作站，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選取了一條測線，分別采用單邊A三級、B三級、溫納等實驗裝置進行了試驗，最后采用溫納裝置進行了施工，進一步豐富本次探測的成果資料，提高本次探測的成果解釋精度。

本次采用加拿大Geonics公司生產(chǎn)的ProTEM57瞬變電磁儀，中心回線裝置。經(jīng)發(fā)射邊框、發(fā)射頻率、發(fā)射電流、積分時間等參數(shù)的試驗后確定施工參數(shù)：發(fā)射線框280 m×280 m；發(fā)射電流為10 A；發(fā)射頻率為6.25 Hz；積分時間為60 s。

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)研究區(qū)鉆孔資料，采區(qū)最深可采煤層為V-1煤，其埋深在240 m左右。數(shù)據(jù)處理首先對已知鉆孔ZK5933、ZK5932附近測線L480、L440進行反演，結合鉆孔資料分析視電阻率斷面圖中地層和鉆孔揭露的地層層狀分布是否相吻合。

圖2是ZK5932鉆孔附近所在的瞬變電磁法L440線視電阻率斷面圖。從橫向上看，剖面1 420～1 760 m段，視電阻率等值線呈現(xiàn)低阻半閉合狀，推斷該段為侏羅系直羅組砂巖富水異常所致；其他地段，視電阻率值相對較大，為弱含水或不含水地層。圖3是ZK5933鉆孔旁瞬變電磁法L480測線360～660點范圍內(nèi)的視電阻率斷面圖。從圖3中可以看出，視電阻率值隨深度加深先增大，后減小，再增大；煤系地層層位穩(wěn)定，等值線平滑呈層狀，和鉆孔揭露的地層層狀分布相吻合。

圖2 瞬變電磁法L440線斷面

圖3 瞬變電磁法L480線斷面

從圖2和圖3可以看出，在縱向上，第四系、侏羅系安定組、直羅組及延安組煤系地層視電阻率視電阻率值呈現(xiàn)先升高、再下降、再升高的趨勢；在橫向上，視電阻率等值線基本沿著地層的傾向似層狀，反映了地層層狀分布的特點，局部地段出現(xiàn)視電阻率等值線低阻閉合現(xiàn)象，結合水文地質(zhì)資料分析，為砂巖富水所致。

文中資料分析綜合利用了以電性參數(shù)結合數(shù)理統(tǒng)計法，確定異常劃分依據(jù)，再結合測區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)資料，對構造發(fā)育相對較弱的地層，富水區(qū)的閾值作了適當?shù)恼{(diào)整，最終確定Ⅱ-3煤層底板相對富水區(qū)閾值為22 Ω·m。

4 成果解釋

4.1 斷面圖解釋

圖4為L1高密度電阻率法成果圖，該測線探測起點位于瞬變電磁法L440線760點，終點位于瞬變電磁法L440線1 760點。該成果圖可以在平面及深度上較準確地反應瞬變電磁法L440線附近地表以下0～170 m深度范圍內(nèi)視電阻率的變化趨勢。從圖4中可以看出，視電阻率等值線以低阻值和高阻值呈閉合或半閉合相間分布，視電阻率值基本在1.3～3.7 Ω·m之間變化，經(jīng)分析認為，低阻值區(qū)主要為砂巖富水地段，高阻值區(qū)主要為砂巖弱含水或不含水地段。根據(jù)電法資料，并結合區(qū)內(nèi)鉆孔及煤礦水文地質(zhì)資料綜合分析，將視電阻率值小于1.8 Ω·m區(qū)域劃分相對低阻異常區(qū)。從圖4上還可以看出，在橫向位置570～770 m、縱向深度50～110 m范圍內(nèi)視電阻率值小于1.8 Ω·m，命名為A相對低阻異常區(qū)。另外在深度30 m左右存在一層視電阻率值小于1.8 Ω·m區(qū)域，該區(qū)域位于第四系含水層。

圖4 L1高密度電阻率法成果

從圖5可以看出，在瞬變電磁法L440線1 380～1 760點之間存在相對低阻區(qū)域，與高密度電阻率法成果圖較為對應。A相對低阻異常區(qū)縱向深度在50～110 m范圍內(nèi)，該范圍所在含水層組為直羅組和安定組，該相對低阻異常區(qū)附近有ZK5932鉆孔，根據(jù)ZK5932號鉆孔資料分析，該地段砂巖厚度較厚，因此推斷該相對低阻異常區(qū)可能為頂板砂巖富水所致。

圖5 瞬變電磁法L440線剖面

圖6為L2高密度電阻率法成果圖，該測線探測起點位于瞬變電磁法L600線920點，終點瞬變電磁法L600線1 720點。該成果圖可以在平面及深度上較準確地反應瞬變電磁法L600線附近地表以下0～130 m深度范圍內(nèi)視電阻率的變化趨勢。從圖6中可以看出，視電阻率等值線以低阻值和高阻值呈閉合或半閉合相間分布，視電阻率值基本在0.1～2.9 Ω·m之間變化，經(jīng)分析認為，低阻值區(qū)主要為砂巖富水地段，高阻值區(qū)主要為砂巖弱含水或不含水地段。根據(jù)電法資料，并結合煤礦水文地質(zhì)資料綜合分析，將視電阻值小于1.3 Ω·m區(qū)域劃分為相對低阻異常區(qū)。從圖6上還可以看出，在橫向位置310～510 m、縱向深度50～130 m范圍內(nèi)視電阻率值小于1.3 Ω·m，命名為B相對低阻異常區(qū)。另外在深度20 m左右存在一層視電阻率值小于1.3 Ω·m區(qū)域，該區(qū)域位于第四系含水層里。

圖6 L2高密度電阻率法成果

從圖7可以看出在瞬變電磁法L600線1160～1560點之間存在相對低阻區(qū)域，與高密度電阻率法成果圖較為對應。B相對低阻異常區(qū)縱向深度在50～130 m范圍內(nèi)，該范圍所在含水層組為直羅組和安定組，DF7斷層穿過相對低阻異常區(qū)，因此推斷該相對低阻異常區(qū)可能為斷層砂巖裂隙導水所致。

圖7 瞬變電磁法600線剖面

圖8為L3高密度電阻率法成果圖，該測線探測起點位于瞬變電磁法L280線120點，終點位于瞬變電磁法L280線1 120點。該成果圖可以在平面及深度上較準確地反應瞬變電磁法L280線附近地表以下0～170 m深度范圍內(nèi)視電阻率的變化趨勢。從圖8中可以看出，視電阻率等值線以低阻值和高阻值呈閉合或半閉合相間分布，視電阻率值基本在0.1～4.8 Ω·m之間變化，經(jīng)分析認為，低阻值區(qū)主要為砂巖富水地段，高阻值區(qū)主要為砂巖弱含水或不含水地段。根據(jù)電法資料，并結合煤礦水文地質(zhì)資料綜合分析，將視電阻率值小于0.8 Ω·m區(qū)域劃分為相對低阻異常區(qū)。從圖8上還可以看出，在橫向位置420～620 m、縱向深度90～170 m范圍內(nèi)視電阻率值小于0.8 Ω·m，命名為B相對低阻異常區(qū)。另外在深度20 m左右存在一層視電阻率值小于0.8 Ω·m區(qū)域，該區(qū)域位于第四系含水層。

圖8 L3高密度電阻率法成果

從圖9可以看出在瞬變電磁法L280線510～720點之間存在相對低阻區(qū)域，與高密度電阻率法成果圖較為對應。B相對低阻異常區(qū)縱向深度在90～170 m范圍內(nèi)，該范圍位于Ⅱ-3煤頂板含水層，通過Ⅱ-3煤層順層電性切片分析，在瞬變電磁法L280線510～720點之間也存在相對低阻區(qū)域，位于Ⅱ-3-3相對低阻異常區(qū)范圍內(nèi)，與高密度電阻率法成果對應，推斷該相對低阻異常區(qū)可能為斷層砂巖裂隙含水所致。

圖9 瞬變電磁法L280線剖面

4.2 順層電性切片分析

圖10為沿Ⅱ-3煤層底板進行準平面提取所得的切片成果圖，該成果圖可以在平面及深度上較準確地反應Ⅱ-3煤層底板附近視電阻率的變化趨勢。圖10中視電阻率等值線以低阻值和高阻值呈閉合或半閉合相間分布，視電阻率值基本在10～80 Ω·m之間變化，經(jīng)分析認為，低阻值區(qū)主要為砂巖富水地段，高阻值區(qū)主要為砂巖弱含水或不含水地段。

圖10 Ⅱ-3煤層底板電性切片成果

根據(jù)電法資料，并結合測區(qū)內(nèi)鉆孔及煤礦水文地質(zhì)資料綜合分析，將視電阻率值小于22 Ω·m區(qū)域，劃分Ⅱ-3煤層底板低阻異常區(qū)，并繪制煤層底板富水區(qū)成果圖(圖11)。全區(qū)共圈定低阻異常區(qū)(相對富水異常區(qū))7處，編號依次為Ⅱ-3-1、Ⅱ-3-2、Ⅱ-3-3、Ⅱ-3-4、Ⅱ-3-5、Ⅱ-3-6、Ⅱ-3-7。其中，Ⅱ-3-1號位于測區(qū)的西南部，在其西北邊約15 m附近存在DF1斷層，受DF1斷層影響，斷層周邊巖層裂隙、空隙較發(fā)育，富水的可能性較大，因此推斷為中等砂巖裂隙富水區(qū)；Ⅱ-3-2號位于測區(qū)的中部，推斷該相對低阻異常區(qū)為頂板砂巖富水所致，為弱富水區(qū)；Ⅱ-3-3、Ⅱ-3-6號位于測區(qū)的東南部區(qū)段Ⅱ-3號煤層底板砂巖厚度較小，推斷為砂巖裂隙弱富水區(qū)；Ⅱ-3-7號位于測區(qū)的東部，受DF2影響，推斷為砂巖裂隙中等富水區(qū)。Ⅱ-3-4、Ⅱ-3-5號位于測區(qū)的西北部，受DF1、DF6斷層影響，斷層周邊巖層裂隙、空隙較發(fā)育，富水的可能性較大，為中等砂巖裂隙富水區(qū)。

圖11 Ⅱ-3煤層底板富水區(qū)成果

Ⅱ-3煤層含水層位于侏羅系延安組上部第五巖段，為砂巖孔隙裂隙承壓含水層，主要受上覆砂巖含水的下滲或通過導水構造補給，該含水層富水性弱，是開采Ⅱ-3號煤層的直接充水水源。在Ⅱ-3煤層底板劃分相對富水異常區(qū)7處，其中4處相對富水性評價為中等，3處相對富水性評價為較弱。

5 結 論

1)基于本文高密度電阻率法和瞬變電磁法數(shù)據(jù)的反演結果，獲得了研究區(qū)不同深度的電性分布特征，研究區(qū)Ⅱ-3煤層頂、底板存在多處相對低阻異常區(qū)域，與圍巖存在明顯的電性差異。

2)結合地質(zhì)和鉆孔資料，推測Ⅱ-3煤層頂板、底板相對低阻區(qū)域為砂巖富水地段，其低阻成因很可能是砂巖裂隙含水所致，而富水區(qū)的高阻特征則很可能是砂巖弱含水和不含水的反映。

3)根據(jù)上述不同的電性分布特征，成功圈定出7處富水區(qū)域，并結合水文資料，認為其中4處富水區(qū)表現(xiàn)為中等富水性，其他3處表現(xiàn)為弱富水性，這些富水區(qū)的分布受層內(nèi)斷層所控制。