地面與井下綜合方法探測(cè)煤層頂?shù)装甯凰畢^(qū)

陳國(guó)新

（中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工（寧夏）有限公司煤炭事業(yè)部，銀川 750411）

地面與井下綜合方法探測(cè)煤層頂?shù)装甯凰畢^(qū)

陳國(guó)新

（中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工（寧夏）有限公司煤炭事業(yè)部，銀川 750411）

為查明銀星二號(hào)煤礦首采區(qū)主要含水層富水區(qū)分布、構(gòu)造含導(dǎo)水性等情況，采用了地面瞬變電磁法和井下高分辨電測(cè)深法與音頻電透視法等地、井結(jié)合的方法進(jìn)行勘探。通過(guò)對(duì)1131001工作面地上、地下探測(cè)成果的分析，認(rèn)為在工作面范圍內(nèi)，10煤層上覆和下伏各含水層相對(duì)富水區(qū)的位置具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中在地面瞬變電磁法10煤向上30 m的層位上，存在9、10號(hào)視電阻率異常，其平面位置與井下二種方法解釋的頂?shù)装甯凰畢^(qū)基本一致，但三種探測(cè)方法的成果圖中均無(wú)特征顯示該工作面范圍內(nèi)存在斷層，因此推斷10煤上、下層位內(nèi)的電性異常均為裂隙帶富水所致。

地面瞬變電磁；礦井高分辨電測(cè)深法；音頻電透視法；電阻率異常，裂隙帶富水區(qū)

銀星二號(hào)煤礦位于寧夏靈武市東南66 km處，屬寧東煤田積家井礦區(qū)。雖然礦區(qū)進(jìn)行過(guò)大量的地質(zhì)、鉆探和三維地震工作，對(duì)煤炭?jī)?chǔ)量、構(gòu)造等進(jìn)行了估算和控制，但也存在一些問(wèn)題和不足，如水文地質(zhì)工作相對(duì)較少，對(duì)于生產(chǎn)礦井防治水工作來(lái)說(shuō)還不夠。井田內(nèi)侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組砂巖含水層承壓水為煤層開采的直接充水水源。首采區(qū)內(nèi)積家井背斜軸部抬升地層剝蝕地段，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至松散層底部含水層。上述因素對(duì)煤層回采構(gòu)成很大威脅，根據(jù)煤礦防治水規(guī)定中“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，為保障銀星二號(hào)煤礦安全生產(chǎn)，在首采區(qū)探查主采煤層頂?shù)装甯髦饕畬拥母凰畢^(qū)分布規(guī)律、構(gòu)造含水性和潛在導(dǎo)水通道顯得尤為重要。為了更為準(zhǔn)確了解影響10號(hào)煤層開采的主要水患，決定在首采區(qū)采用地面瞬變電磁法和首采面井下高分辨電測(cè)深相結(jié)合的綜合物探手段進(jìn)行探查，為首采區(qū)及首采面（1131001工作面）探放水工作的設(shè)計(jì)、實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 測(cè)區(qū)地質(zhì)情況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)情況

井田全部被第四系黃土所覆蓋，屬隱伏式煤田。根據(jù)鉆孔揭露及區(qū)域資料，井田地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)上田組，侏羅系中統(tǒng)延安組、中統(tǒng)直羅組、上統(tǒng)安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組，古近系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組和第四系。

井田總體構(gòu)造格架為走向北北西向的積家井背斜。背斜軸部較為平緩，形態(tài)不對(duì)稱，西翼較為寬緩，東翼較陡，走向上北部寬緩，往南變陡。井田內(nèi)存在數(shù)條斷層，其中積家井背斜軸部位于探測(cè)區(qū)的東部邊界附近，DF10和3DF3兩個(gè)大斷層分別位于勘探區(qū)的西南和東南角位置。

侏羅系延安組是勘查區(qū)內(nèi)主要含煤地層，最小厚度399.27 m，最大厚度472.09 m，平均厚度435.31 m，含煤層可達(dá)30多層，平均總厚度19.96m。其中10煤為主要可采煤層，為中厚-厚煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層。煤層頂板多為粉砂巖、細(xì)粒砂巖；底板巖性以粉砂巖為主，其次為細(xì)粒砂巖和少量泥巖。

井田含水層按巖性組合特征及地下水水力性質(zhì)、埋藏條件等，由上而下劃分為以下四個(gè)主要含水層：第四系、古近系砂巖孔隙-裂隙潛水含水層（Ⅰ）、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙-孔隙承壓水含水層（Ⅱ）、侏羅系中統(tǒng)延安組上段砂巖裂隙-孔隙承壓含水層（Ⅲ）、侏羅系中統(tǒng)延安組下段砂巖裂隙-孔隙承壓含水層（Ⅳ）。

1.2 地球物理特征

不同的巖性具有不同的電性特征。在正常情況下，各層位電性在橫向上是相對(duì)均一的。當(dāng)存在局部異常體，如巖溶洞穴、斷層、裂隙帶等，若有導(dǎo)電性水體存在則出現(xiàn)局部低電阻率異常；若無(wú)充、導(dǎo)水體存在，則表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常區(qū)。

銀星二號(hào)煤礦10號(hào)煤頂?shù)装寰鶠楦鞣N砂巖和泥巖互層，煤層與圍巖之間存在較為明顯的電性差異（表1），砂巖裂隙富水區(qū)、含水?dāng)鄬拥染裱鲜鲆?guī)律而表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常，其電性差異為地面瞬變電磁法、井下音頻電穿透法和高分辨電測(cè)深法提供了良好的地球物理?xiàng)l件。

表1 一般含煤地層常見巖石電阻率值Table 1 Common coal-bearing strata general rock resistivity values

2 地面瞬變電磁法

2.1 測(cè)量參數(shù)

本次地面瞬變電磁勘探測(cè)區(qū)為不規(guī)則形狀，主要對(duì)應(yīng)首采區(qū)地面區(qū)域。設(shè)計(jì)采用40 m×20 m測(cè)網(wǎng)密度。根據(jù)地質(zhì)資料，測(cè)區(qū)主要位于積家井背斜軸部及西翼，容易引起導(dǎo)水威脅的斷層或其次生裂隙大多為東西方向即垂直于地層走向，所以布置測(cè)線方向平行于地層走向，便于控制裂隙帶。全區(qū)布置測(cè)線41條，其中28—35線位于1131001工作面附近，試驗(yàn)區(qū)位于銀星二號(hào)煤礦積家井背斜軸部附近，具體位置為19～35線的170～174號(hào)測(cè)點(diǎn)之間。

瞬變電磁法裝置選用中心回線裝置（圖1）。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)10號(hào)煤層深度大致為280～400 m，而整個(gè)測(cè)區(qū)10號(hào)煤層埋深變化大（90～650 m）的特點(diǎn)，選擇240 m×240 m和480 m×480 m進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 中心回線裝置示意圖Figure 1 A schematic diagram of central loop installation

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)區(qū)東部煤層埋深較淺區(qū)域可以采用240 m×240 m發(fā)射線框、8.33 Hz激發(fā)頻率；中西部煤層埋深較大，可采用480 m×480 m線框、5 Hz激發(fā)頻率；在煤層埋深達(dá)680 m處，可考慮采用600 m× 600 m線框、5 Hz激發(fā)頻率，施工參數(shù)如下：

觀測(cè)裝置類型，中心回線裝置；

接收組合道數(shù)，60道；

激發(fā)頻率，8.33 Hz/5Hz；

疊加次數(shù)，通常為500次(可變)；

發(fā)射回線邊長(zhǎng)，240 m/480 m/600 m；

接收線圈面積，100 m2；

發(fā)射電流，大于14 A；

發(fā)射電壓，140v。

2.2 正、反演計(jì)算

實(shí)測(cè)瞬變電磁法資料是地下多個(gè)不同電性層的綜合反映，在原始曲線或原始視電阻率斷面圖上僅能看出地層的電性變化趨勢(shì)，而通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行反演計(jì)算可解譯出真實(shí)地層及地質(zhì)異常體的分布。本文采用一維正反演處理技術(shù)測(cè)區(qū)進(jìn)行反演處理。

圖2為28測(cè)線反演前后斷面圖對(duì)比，由圖2a原始視電阻率—視深度斷面圖可以發(fā)現(xiàn)，淺部的高阻出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，受地表鹽堿湖的影響，斷面圖上整體視電阻率值偏低，“影子效應(yīng)”影響嚴(yán)重，對(duì)深部地層信息有屏蔽作用。圖2b為反演后斷面圖，相比原始斷面圖，反演后強(qiáng)低阻層歸位到淺地表，深部減小了地表鹽堿湖的影響，使含煤地層中原被“影子效應(yīng)”淹沒的低阻異常突顯，另外，斷面圖水平距離1600～1780 m的10號(hào)煤層下低阻異常區(qū)也更明顯?？梢?，反演后的結(jié)果比較符合地層及其水文地質(zhì)規(guī)律，可信度較高。

圖2 28線反演前后斷面對(duì)比圖Figure 2 Comparison chart of line No.28 sections before and after conversion

2.3 視電阻率異常解釋

在視電阻率異常平面圖上，若層位分布穩(wěn)定、不受低阻富水區(qū)域和含水構(gòu)造控制或影響的情況下，視電阻率值分布穩(wěn)定，等值線分布均勻、平緩；反之，若地層含有相對(duì)低阻富水區(qū)和含水構(gòu)造時(shí)，電性的均勻分布規(guī)律被打破，反映在平面圖上為低阻異常區(qū)呈現(xiàn)視電阻率值減小，等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。在彩色視電阻率異常平面圖上則低阻異常區(qū)更為直觀，表現(xiàn)為綠或藍(lán)顏色（圖3）。

圖3 10煤上30m附近層位視電阻率異常分布平面圖Figure 3 Apparent resistivity anomalies distribution plan of horizons near 30m above coal No.10

3 井下物探方法

本次井下物探控制區(qū)域?yàn)?131001工作面軌道回風(fēng)順槽1 800 m，軌道運(yùn)輸順槽2 050 m。

測(cè)點(diǎn)布置以切眼為起點(diǎn)，以10 m為點(diǎn)距，回風(fēng)順槽編號(hào)從0～180，運(yùn)輸順槽編號(hào)從0～205。

3.1 礦井音頻電穿透法

音頻電穿透設(shè)計(jì)為兩個(gè)巷道內(nèi)同時(shí)作業(yè)，在一個(gè)巷道內(nèi)固定供電（發(fā)射）電極A1、A2，在另一巷道內(nèi)與其對(duì)稱點(diǎn)的附近移動(dòng)測(cè)量電極M、N進(jìn)行扇形掃描接收，達(dá)到探測(cè)工作面目的。其中發(fā)射點(diǎn)的間距為50 m，接收點(diǎn)距20 m（圖4）。每個(gè)發(fā)射點(diǎn)一般對(duì)應(yīng)7～11個(gè)接收點(diǎn)。施工時(shí)采用F=15 Hz、F=120Hz雙頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

圖4 工作面音頻電穿透工作方法Figure 4 Operation of working face audio electrical penetration detection

3.2 礦井高分辨電測(cè)深

礦井高分辨電測(cè)深是在兩順槽共布置387個(gè)物理點(diǎn)，設(shè)計(jì)點(diǎn)距為10 m。施工在單個(gè)巷道內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，選取最小極距20 m，最大極距120 m，固定測(cè)量電極M、N，通過(guò)移動(dòng)供電電極A達(dá)到由淺到深的目的。如圖5所示：

圖5 礦井高分辨電測(cè)深施工布置圖Figure 5 Operation layout plan of mine high resolution electric sounding

高分辨率直流電法，的三極裝置進(jìn)行探測(cè)。

3.3 井下物探解釋方法

異常劃分通常有兩種途徑來(lái)確定：一是根據(jù)探測(cè)區(qū)內(nèi)已知電性及水文地質(zhì)條件來(lái)定；二是在一個(gè)新的礦區(qū)，根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)曲線的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得到，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算出一個(gè)異常閾值，低于此閾值的區(qū)域可劃分為低阻異常區(qū)。

圖6為1131001工作面頂板上0～70 m巖層平面異常圖，該層段內(nèi)巖層的視電導(dǎo)率值在1.26～33.9 s/m，平均值為13.6 s/m、標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4 s/m。該圖為工作面頂板至7煤底板間中粒砂巖及粉砂巖含水層富水性的綜合反映。根據(jù)異常的劃分方法，選取異常的門檻值為15 s/m。在該深度層段上主要有5處異常區(qū)，依次標(biāo)為D1、D2、D3、D4和D5號(hào)異常區(qū)。

圖6 1131001工作面頂板音頻電穿透0～70 m異常平面圖Figure 6 No.1131001 working face roof audio electrical penetration 0～70 m depth anomalies plan

圖7所示為工作面底板下30 m附近視電阻率低阻異常平面圖，它反映的是10煤下方11煤層底板附近粉砂巖含水層的富水性特征。從平面圖上可以看出該層段低阻異常區(qū)主要有4處，依次編號(hào)為Z1、Z2、Z3和Z4號(hào)異常區(qū)。推斷上述4處異常區(qū)為工作面底板下30 m附近粉砂巖含水層相對(duì)富水所致。其中Z1號(hào)異常區(qū)、Z2號(hào)異常區(qū)和Z3號(hào)異常區(qū)為該層位的重點(diǎn)異常區(qū)。

圖7 1131001工作面底板下30 m附近直流測(cè)深異常平面圖Figure 7 No.1131001 working face near 30 m under floor direct current sounding anomalies plan

4 綜合分析對(duì)比

對(duì)比圖3、圖6及圖7，可以發(fā)現(xiàn)首采區(qū)地面瞬變電磁法勘探發(fā)現(xiàn)的低阻異常區(qū)，與井下高分辨率直流電法發(fā)現(xiàn)的處低阻異常區(qū)（Z1～Z5）及頂板音頻電透視發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)（D1～D5）可相互印證。

①Z1號(hào)異常區(qū)、D1號(hào)異常區(qū)與T9號(hào)低阻區(qū)在首采工作面范圍內(nèi)的部分平面位置基本一致。

②Z2、Z3、Z4號(hào)異常區(qū)、D3和D4號(hào)異常區(qū)與T10號(hào)異常區(qū)平面分布位置接近。

③縱向上看T9號(hào)異常區(qū)在地面瞬變電磁斷面圖上異常中心主要位于10號(hào)煤層下，但Z1和D1號(hào)異常區(qū)則在10煤層頂?shù)装寰蟹植迹曳递^強(qiáng)。由于井下物探對(duì)地質(zhì)異常體的深度探查相對(duì)更準(zhǔn)確，所以綜合起來(lái)認(rèn)為T9號(hào)異常區(qū)應(yīng)該是10號(hào)煤層頂?shù)装寰嬖?。在首采面相?yīng)區(qū)段的巷道掘進(jìn)中，也揭露了頂板較強(qiáng)淋水現(xiàn)象。

④地面TEM勘探中T10號(hào)異常區(qū)在斷面圖中主要位于10號(hào)煤層頂板，而井下物探相應(yīng)位置的低阻異常區(qū)Z2、Z3和D3、D4則顯示在10號(hào)煤層頂?shù)装寰邪l(fā)育，且幅值均較強(qiáng)，三種方法綜合分析認(rèn)為該區(qū)段10號(hào)煤層頂?shù)装迳皫r均相對(duì)富水。

5 結(jié)論

地面瞬變電磁法勘探技術(shù)可以宏觀地圈出從淺部松散層至深部各含煤地層富水區(qū)的分布范圍和含水構(gòu)造、富水裂隙發(fā)育帶等的平面分布位置，即該方法橫向上分辨率相對(duì)較高。雖然采用了反演處理等技術(shù)手段但縱向上層位判定誤差仍然較大。而井下物探技術(shù)由于距離目標(biāo)層和地質(zhì)異常體較近，探查的針對(duì)性更強(qiáng)，精度相對(duì)更高。針對(duì)性強(qiáng)體現(xiàn)在如底板直流電法勘探可以探查巷道底板下及其周圍的電性分布規(guī)律，而音頻電透視技術(shù)可以探查工作面內(nèi)部及工作面頂板上方的電性分布規(guī)律。精度高體現(xiàn)在比地面瞬變電磁法勘探可以探查規(guī)模更小的地質(zhì)異常體，地質(zhì)異常的賦存層位和深度也更準(zhǔn)確，異常形態(tài)也更接近實(shí)際地質(zhì)體的形態(tài)。但井下物探受防爆影響一般發(fā)射功率較低，探測(cè)距離有限。所以同時(shí)采用地面瞬變電磁法和井下物探技術(shù)的井、地綜合物探可以起到相互補(bǔ)充、互相印證的作用，大大提高了資料解釋的合理性和可靠性。

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Coal Roof and Floor W ater-rich Zone Detection through Integrated Surface and Underground Prospecting

Chen Guoxin
(Coal Department,Ningxia Branch,Great Wall Energy and Chemical Co.Ltd.,SINOPEC,Yinchuan,Ningxia 750411)

To identify main aquifer water-rich zone distribution,structural water-bearing and water transmitting properties in the first mining area,Yinxing No.2 coalmine,the integrated surface and underground prospecting including surface TEM,underground high res?olution electric sounding and audio electrical penetration detection have been used for working face No.1131001.The results have bet?ter correspondence with coal No.10 overlying and underlying aquifer relative water-rich zones within the extent of working face.Among them,on surface TEM data 30m above coal No.10 have Nos.9 and 10 apparent resistivity anomalies;their planimetric positions are basi?cally coincide with coal roof and floor water-rich zones interpreted by 2 underground methods.But on result charts of 3 prospecting methods all have no characteristic display of faults existed within working face extent;thus inferred the electric anomalies above and under coal No.10 are all from fissure zone water enrichment.

surface TEM;underground high resolution electric sounding;audio electrical penetration detection;resistivity anomaly;fis?sure water-rich zone

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.13

1674-1803(2016)12-0070-05

陳國(guó)新（1968—），男，1987年畢業(yè)于鄭州地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)礦產(chǎn)專業(yè)，2001年長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)學(xué)院碩士研究生畢業(yè)，從事基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查與固體礦產(chǎn)調(diào)查及研究工作。

2016-10-17

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)