電磁法勘探對橫溝井田S1煤層頂板的富水導(dǎo)水性預(yù)測研究

摘" 要：吳堡礦區(qū)橫溝井田煤層有埋藏較深，采高大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點。同時，橫溝井田先期開采地段山西組S1號主采煤層受頂板除巖性影響，存在頂板砂巖含水層富水性整體不強(qiáng)、隔水層分布不穩(wěn)定、局部缺失、S煤組底板下伏巖溶水和奧灰水補(bǔ)給情況不明等地質(zhì)問題。為防止在構(gòu)造導(dǎo)通時將會發(fā)生嚴(yán)重突水事故，通過電磁法勘探查明勘探區(qū)二疊系山西組S1煤上部K4砂巖裂隙含水層的富含水性。通過地質(zhì)勘探查明勘探區(qū)二疊系山西組S1煤上部K4砂巖裂隙含水層的富含水性和DF9正斷層富導(dǎo)水性，研究表明，K4砂巖裂隙含水層的富水異常區(qū)較少，分布較零散，在向斜軸和斷層附近分布相對集中，DF9正斷層具有富水導(dǎo)水性。

關(guān)鍵詞：橫溝井田;電磁法勘探;山西組S1煤上部;K4砂巖裂隙含水層;DF9正斷層;富水導(dǎo)水性

中圖分類號：TD745" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0102-04

Abstract： The Henggou mine field in Wubu Kuangqu has the characteristics of deep buried coal seam， high mining height， and complex hydrogeological conditions. At the same time， the No. S1 main coal mining layer of Shanxi Formation in the early mining section of Henggou Mine Field is affected by the removal of lithology of the roof. There are generally weak water-rich water content in the roof sandstone aquifer， unstable distribution of water-resisting layers， local absence， and unclear geological problems such as karst water and Ordovician limestone water supply under the floor of S coal group. In order to prevent serious water inrush accidents from occurring during structural conduction， electromagnetic exploration was used to identify the water-rich water content of the K4 sandstone fractured aquifer in the upper part of the S1 coal seam of the Permian Shanxi Formation in the exploration area. Through geological exploration， it was found that the K4 sandstone fractured aquifer in the upper part of the S1 coal seam of the Permian Shanxi Formation in the exploration area is rich in water and the DF9 normal fault is rich in water conductivity. Research shows that the K4 sandstone fractured aquifer has few water-rich abnormal areas and is distributed scattered. It is relatively concentrated in the syncline axis and near the fault. The DF9 normal fault has rich water conductivity.

Keywords： Henggou minefield; electromagnetic exploration; upper part of S1 coal seam of Shanxi Formation; K4 sandstone fractured aquifer; DF9 normal fault; water-rich water conductivity

橫溝煤礦位于陜北石炭二疊紀(jì)煤田吳堡礦區(qū)中北部，吳堡礦區(qū)橫溝井田處于鄂爾多斯盆地邊緣地帶，煤層埋藏較深，采高大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。為防止先期開采地段S1號主采煤層在構(gòu)造導(dǎo)通時將會發(fā)生嚴(yán)重突水事故，通過先進(jìn)的地球物理勘探方法查明目的層的富水導(dǎo)水性[1-4]。在探測富水區(qū)或潛在導(dǎo)水通道的位置及其分布范圍等方面，電磁法勘探是最有效的方法之一，其物理基礎(chǔ)是富水區(qū)或潛在的導(dǎo)水通道相對于周圍地層都有明顯的電性差異[5-10]。瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法因其在煤礦山中有勘探成本低、勘探深度大、受電磁干擾少等優(yōu)勢，深受業(yè)內(nèi)歡迎[11-18]。較多學(xué)者研究表明利用電磁法在充水薄層煤炭采空區(qū)、煤礦積水采空區(qū)、煤層底板巖溶水探測和煤礦水防治等中有著良好應(yīng)用效果[19-22]?；诖?，本研究采用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法對橫溝井田山西組S1煤上部K4砂巖的富水性進(jìn)行勘探研究，為煤礦水防治提高科學(xué)準(zhǔn)確的物探依據(jù)。

1" 勘探參數(shù)選擇

本次電磁法勘探選用大定源內(nèi)回線裝置地面瞬變電磁法（TDEM）和可控源音頻大地電磁法（CSAMT）2種方法。電磁法勘探投入使用加拿大鳳凰公司V8多功能電法儀。依據(jù)目的層埋深，大定源內(nèi)回線裝置試驗選用480 m×480 m、600 m×600 m、720 m×720 m三組線框邊長進(jìn)行瞬變電磁法勘探（表1）。

可控源音頻大地電磁采用TM模式，水平方向電場（MN）平行于場源（AB），水平磁場垂直于場源。主要參數(shù)為發(fā)射源AB=2.5 km，發(fā)射頻率為9 600 Hz—1 Hz（30 min）標(biāo)準(zhǔn)頻點;收發(fā)距R的可適用范圍為7～10 km;最小發(fā)射電流不低于10 A。

2" 區(qū)域地質(zhì)與地球物理特征

2.1" 地質(zhì)概況

橫溝井田位于華北型石炭二疊紀(jì)聚煤區(qū)，屬于柳林泉巖溶水系統(tǒng)。礦區(qū)位于黃河大斷裂東側(cè)上升盤，斷距約800 m，地層傾角一般為4～12°，平均5°，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育（圖1）。根據(jù)填圖和鉆孔揭露，地層自下而上依次為：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2m），石炭系中統(tǒng)本溪組（C1b），上統(tǒng)太原組（C2t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），二疊系下統(tǒng)—上統(tǒng)石盒子組（P1-2sh），二疊系上統(tǒng)—三疊系下統(tǒng)孫家溝組（P2-T1s），三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）、第四系（Q）。

2.2" 地球物理特征

本次研究勘探深度在550～1 200 m，根據(jù)目前各種電磁法勘探的最佳探測深度范圍，結(jié)合研究區(qū)的地電條件（圖2），小于800 m深度的勘探目的層采用地面瞬變電磁法，大于800 m的勘探目的層采用可控源音頻大地電磁法。根據(jù)我們多年實踐積累經(jīng)驗，在華北型石炭二疊系煤層中探測砂巖裂隙水、老空水、巖溶水等方面，電磁法勘探效果明顯，其物理基礎(chǔ)是富水區(qū)或潛在的導(dǎo)水通道相對于周圍地層都有明顯的電性差異。在正常情況下，橫向上區(qū)內(nèi)地層沉積相對較為穩(wěn)定;其橫向上電性差異應(yīng)較小，縱向上區(qū)內(nèi)地層電性差異明顯。整套地層的視電阻率在縱向上呈現(xiàn)為高～中低～高的特征響應(yīng)（表2）。所以，勘探區(qū)存在明顯的電性特征為本次電法勘探提供了地球物理依據(jù)。

綜上所述，各電性層之間、砂巖與砂巖裂隙含水層之間、砂巖與煤層間、煤層與灰?guī)r間、致密灰?guī)r與奧灰?guī)r巖溶發(fā)育間存在比較明顯的電性差異，這是本次水文地質(zhì)物探完成地質(zhì)任務(wù)的地球物理基礎(chǔ)。

3" 勘探成果與地質(zhì)認(rèn)識

電磁法勘探對巖層富水區(qū)域和構(gòu)造的富導(dǎo)水性分析，主要根據(jù)斷面圖和平面圖分析解釋。在富水區(qū)域相對于周圍正常地層，視電阻率曲線形態(tài)出現(xiàn)彎曲或閉合圈，呈現(xiàn)出明顯的低阻異常區(qū)。反之電阻率相對均一，變化不大。按照上述的分析方法，在結(jié)合勘探區(qū)內(nèi)所有的物探、鉆探和地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，便可在平面圖中根據(jù)電阻率門檻值、等值線分布范圍和梯度變化解釋相對富水區(qū)的平面展布形態(tài)和分布范圍，進(jìn)而依據(jù)斷面圖確定相對富水區(qū)存在的可能性，推斷相對富水區(qū)與導(dǎo)水構(gòu)造和通道的關(guān)系。

3.1" 煤系地層主要含水層富水異常區(qū)解釋

本次勘探任務(wù)目的煤系地層含水層為山西組S1煤上部K4砂巖含水性?？碧絽^(qū)內(nèi)山西組S1煤上部K4砂巖位于二疊系下統(tǒng)山西組上段底部，是二疊系下統(tǒng)山西組上段和下段分界面的標(biāo)志層;該含水層下距S1煤層頂板40 m左右。通過本次水文補(bǔ)勘水文孔對二疊系下統(tǒng)山西組及上覆基巖砂巖裂隙含水層抽水試驗，涌水量2.83（觀5）～25.92（觀2） m3/d，滲透系數(shù)0.003 3（觀4）～0.014 0（觀1） m/d，單位涌水量0.000 3（觀5）～0.002 2（觀1） L/s·m，富水性弱，水化學(xué)類型以HCO3·Cl-Na、Cl-Na·Ca型為主。正常情況下，由于該含水層砂巖裂隙不發(fā)育，地下水徑流條件差;故富水性弱，易于疏干。

圖3是抽取勘探區(qū)K4砂巖順層可控源視電阻率等值線平面圖。圖3中視電阻率值在74～124 Ω·m之間變化。根據(jù)視電阻率變化情況并結(jié)合水文地質(zhì)及已知資料綜合分析，我們采用門檻值解釋。根據(jù)低阻異常區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)δlt;-δn /3，本層的視電阻率值在74 Ω·m到124 Ω·m之間變化，平均視電阻率值為96.07 Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為16.28，即為小于90.64 Ω·m的區(qū)域為相對低阻異常區(qū)，為突出主要富水異常的位置，將異常區(qū)圈定并填充放在了S1煤層底板等高線圖上（圖4）。

圖5是抽取勘探區(qū)K4砂巖順層瞬變電磁視電阻率等值線平面圖。圖中視電阻率值在40～71 Ω·m之間變化。根據(jù)視電阻率變化情況并結(jié)合水文地質(zhì)及已知資料綜合分析，因此我們采用門檻值解釋。根據(jù)低阻異常區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)δlt;-δn /3，本層的視電阻率值在40 Ω·m到71 Ω·m之間變化，平均視電阻率值為58.56 Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.38，即為小于47.43 Ω·m的區(qū)域為相對低阻異常區(qū)，為突出主要富水異常的位置，將異常區(qū)用圈定并填充放在了S1煤層底板等高線圖上（圖4）。

圖4為K4砂巖裂隙含水層的富水異常平面圖。為使礦方更好利用該資料，將相對富水異常區(qū)投影在S1煤層底板等高線圖上（其中圖上不同填充分別代表弱富水異常區(qū)和中等富水異常區(qū)）。富水異常區(qū)主要分布在勘探區(qū)的西北部和東部，其中西北部的富水異常范圍位于向斜軸3附近，在可控源勘探區(qū)中部和北部DF9、DF34斷層附近有小面積分布，ZK904、ZK905鉆孔附近片狀分布;東部的富水異常范圍主要位于DF46斷層、WQ09鉆孔附近以及向斜軸5附近片狀分布。富水異常區(qū)相對零散、多在構(gòu)造附近和地層低洼處賦存。整體來看，K4砂巖裂隙含水層的富水異常區(qū)較少，分布較零散，在向斜軸和斷層附近分布相對集中。

3.2" DF9正斷層富導(dǎo)水性解釋

DF9正斷層，位于可控源測區(qū)中部，向斜軸3北部附近。走向NEE，傾向NWW，傾角約為65～75°，斷層落差0～20 m;錯斷S1和T1煤層，分別延伸長度958、1 021 m，地震評級斷點25個，其中A級斷點6個，B級斷點10個，C級斷點9個，屬較可靠斷層。

圖6為DF9斷層所在可控源測線的視電阻率斷面圖。從圖中分析可知，在斷層附近地層向左傾斜，視電阻率等值線基本隨著地層走向傾斜并向深部遞增變化，其中斷層左部附近等值線下降，視電阻率值在斷面附近出現(xiàn)整體起伏變化，這是兩盤地層發(fā)生錯位移動引起的視電阻率值階梯變化的反映。根據(jù)斷面上順層視電阻率變化情況，斷層上盤部（D42線19～24號點0～200 m高程范圍）附近等值線下凹，局部視電阻率值相對較小，存在相對低阻異常。

圖7是根據(jù)地質(zhì)資料及電法資料繪制的綜合水文地質(zhì)剖面圖，故而從各富水異常平剖面圖中可以看出，DF9斷層在K4砂巖、K3砂巖和K2灰?guī)r存在局部富水異常，分析解釋DF9斷層在K4砂巖和K2灰?guī)r之間存在一定導(dǎo)水的可能性。因此，分析認(rèn)為該斷層具有富水導(dǎo)水性。

4" 結(jié)論

本次電磁法勘探通過采用瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法的綜合應(yīng)用，基本查明了勘探區(qū)二疊系山西組K4砂巖裂隙含水層的富含水性和DF9正斷層富導(dǎo)水性。K4砂巖富水異常區(qū)主要分布在勘探區(qū)的西北部和東部，其中西北部的富水異常范圍位于向斜軸3附近，在可控源勘探區(qū)中部和北部DF9、DF34斷層附近有小面積分布，ZK904、ZK905鉆孔附近片狀分布;東部的富水異常范圍主要位于DF46斷層、WQ09鉆孔附近以及向斜軸5附近片狀分布。富水異常區(qū)相對零散、多在構(gòu)造附近和地層低洼處賦存。整體來看，K4砂巖裂隙含水層的富水異常區(qū)較少，分布較零散，在向斜軸和斷層附近分布相對集中;DF9正斷層具有富水導(dǎo)水性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬紅衛(wèi).三圖雙預(yù)測在橫溝井田頂板突水評價中的應(yīng)用[J].煤炭與化工，2023，46（2）：54-59.

[2] 賀曉浪，段中會，苗霖田，等.陜北毛烏素沙漠區(qū)潛水含水層富水性及動態(tài)變化特征[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2019，39（1）：88-95.

[3] 王恒.吳堡礦區(qū)上古生界煤層氣成藏地質(zhì)條件研究及甜點區(qū)預(yù)測[D].西安：西北大學(xué)，2023.

[4] 魏云迅.吳堡礦區(qū)煤炭資源清潔利用潛勢分析[J].中國煤炭地質(zhì)，2020，32（9）：88-92，105.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2005.

[6] 何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[7] 張繼鋒.基于電場雙旋度方程的三維可控源電磁法有限單元法數(shù)值模擬[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[8] 張林成，胡宏伶，湯井田，等.等效場源法的CSAMT三維無限元正演模擬[J].石油地球物理勘探，2021，56（3）：622-630，416-417.

[9] 姚世來.瞬變電磁法在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘察中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（29）：121-124.

[10] 白磊.瞬變電磁法在礦井頂板低阻巖層富水性探測中的應(yīng)用[J].山西冶金，2023，46（9）：238-240.

[11] 劉瑋.瞬變電磁法在地球物理勘探中的應(yīng)用研究[J].能源與節(jié)能，2023（3）：219-221.

[12] 牟義，李文，黎靈，等.礦井瞬變電磁法在工作面頂板富水性探測中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2011，42（1）：104-107.

[13] 王軍，程久龍，黃忠正，等.礦井瞬變電磁法探測頂板低阻巖層富水性[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2023，50（1）：76-81.

[14] 肖勇，張靜芳，李林.CSAMT資料近場校正的新方法研究[J].華北自然資源，2020（5）：50-51.

[15] 亓增剛.可控源音頻大地電磁法在奧灰?guī)r溶富水性探測的應(yīng)用[J].煤炭與化工，2023，46（1）：45-48.

[16] 蔣喜昆.可控源音頻大地電磁法在煤礦防治水中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2020，31（S1）：140-143.

[17] 任辰鋒，程久龍，劉彬，等.基于可控源音頻大地電磁法的陷落柱精細(xì)探測[J].煤礦安全，2022，53（7）：99-104，110.

[18] 周耀，唐維峰，魏勇.基于可控源音頻大地電磁法的富水性研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2021（12）：63-64，66.

[19] 花育才，項首龍，夏雙力，等.電法勘探在煤礦防治水中的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì)，2006（4）：66-68.

[20] 孫興昊，羅平凡，姜巧巧，等.城市地區(qū)充水薄層煤炭采空區(qū)瞬變電磁法探測效能分析[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，53（11）：131-139.

[21] 林井祥，張立明，張繼忠.基于瞬變電磁法和大地電磁法的煤礦積水采空區(qū)探測[J].煤炭工程，2021，53（6）：152-156.

[22] 張春光，姚小帥，申青春，等.瞬變電磁技術(shù)在煤層底板巖溶水探測中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2014，46（1）：76-79.

第一作者簡介：韓玉陽（1992-），男，工程師。研究方向為電磁法勘探。

*通信作者：周鈺邦（1996-），男，工程師。研究方向為電磁法勘探和城市地下探測業(yè)務(wù)。