榆橫北區(qū)地面瞬變電磁法探查含水層特征應(yīng)用

方 剛 高 波

(1. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西省西安市，710054；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

作為井工礦井“五大災(zāi)害”(瓦斯、水、火、煤塵、頂板)之一的煤礦水害，多年來對我國不同類型煤炭礦山造成了嚴(yán)重的危害，而近年來，在鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田內(nèi)發(fā)生的各類水害問題愈發(fā)突出。為此提出“超前探測、精細(xì)探查”的思想，采用多種手段、方法、途徑以避免區(qū)內(nèi)礦井水害的發(fā)生，在此過程中，地球物理勘探技術(shù)及其裝備在業(yè)內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可并有效地應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)際。韓德品等利用反演技術(shù)提高瞬變電磁法的準(zhǔn)確度，提高礦井突水構(gòu)造定位探測效率；張?zhí)炷５壤盟沧冸姶欧ê偷卣鸩夹g(shù)查明了落水洞及巖溶裂隙空間展布情況；康健基于瞬變電磁原理的地面半空間和井下全空間探測方法以綜合確定含水體位置；蔣宗霖等利用綜合物探技術(shù)探查確定工作面隱伏陷落柱發(fā)育位置和范圍；邱占林、楊增林等利用多種物探技術(shù)聯(lián)合的方法提高礦井水害探測精度及效率。另外，在鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田內(nèi)，物探技術(shù)的應(yīng)用也較為廣泛，為礦井水害防治打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。代鳳強(qiáng)通過瞬變電磁法對工作面頂板富水區(qū)進(jìn)行探測并指導(dǎo)礦井接續(xù)布置，通過優(yōu)選井下物探儀器特性，提高超前探測工作解譯精度；高波利用瞬變電磁法確定火燒富水區(qū)低阻特性，結(jié)合磁法探測確定火燒區(qū)邊界，并綜合利用地面瞬變電磁法和井下音頻電透法，對老礦區(qū)煤層上覆采空區(qū)積水區(qū)域進(jìn)行探測。諸多煤炭行業(yè)內(nèi)研究技術(shù)人員從地球物理勘探的技術(shù)、方法、裝備、材料、解譯等多角度不斷優(yōu)化、探索、發(fā)展，為礦井水害防治提供有力的保障。

巴拉素井田位于鄂爾多斯盆地陜北侏羅紀(jì)煤田中部的榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)，現(xiàn)礦井正處于基建階段。區(qū)內(nèi)多個大型井田近年來受水害影響嚴(yán)重，如大海則煤礦、小紀(jì)汗煤礦、可可蓋煤礦、袁大灘煤礦等，其中小紀(jì)汗煤礦、袁大灘煤礦的煤層水害較為嚴(yán)重，為此在井田首采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探期間，應(yīng)用地面瞬變電磁法對地下各含水層及主采煤層頂板富水性進(jìn)行探查，準(zhǔn)確掌握各含水層之間水力聯(lián)系及相互關(guān)系，并希望能夠?yàn)榈V井后期生產(chǎn)合理有效地開展水文地質(zhì)及礦井防治水工作提供有效的理論依據(jù)，同時(shí)對區(qū)內(nèi)條件類似礦井具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 研究區(qū)及工程概況

巴拉素井田位于榆橫礦區(qū)(北區(qū))的中西部，本次研究區(qū)為礦井的先期開采地段，面積約60.79 km2，占井田總面積的20%左右，井田及測區(qū)位置如圖1所示。目前，巴拉素煤礦處于基建階段，未來主要開采煤層及其平均厚度為：2#煤層厚3.68 m、3#煤層厚6.19 m、8#煤層厚1.57 m。礦井一期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.00 Mt/a。井田地處毛烏素沙漠東南緣，地表絕大部分被第四系松散沉積物所覆蓋，基巖僅在東南部和中部零星出露，地形以沙漠灘地為主，總體北部較高，向南地勢逐漸降低，區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育。

圖1 井田及測區(qū)位置示意圖

地面瞬變電磁法用于觀測純二次場，對含(導(dǎo))水構(gòu)造、富水異常區(qū)等低阻體具有反應(yīng)敏感、體積效應(yīng)小、分辨率高等特點(diǎn)；由于測區(qū)內(nèi)地層沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，正常地層組合條件下，在順層與垂向上都有固定的電性變化規(guī)律，因而能夠取得較好的探測效果。該方法在條件類似礦區(qū)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的探測效果，并得到廣泛的認(rèn)可。故本次工作對巴拉素井田未來開采地段地面物探的方法采用瞬變電磁法。

本次地面瞬變電磁法(TEM)探測區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則矩形，考慮到地層走向，按東西方向進(jìn)行布點(diǎn)，使測線大致與構(gòu)造方向垂直。基本測網(wǎng)密度為40 m×40 m，加密區(qū)測網(wǎng)密度為40 m×20 m。TEM探測野外完成工作量具體為：電法設(shè)計(jì)測線63條(其中A區(qū)26條，B區(qū)26條，C區(qū)11條)，TEM設(shè)計(jì)坐標(biāo)點(diǎn)10925個，試驗(yàn)點(diǎn)80個，檢查點(diǎn)328個，總物理點(diǎn)11333個；實(shí)際完成物理點(diǎn)11345個，有效控制探測面積約15.1 km2。

本次工程任務(wù)主要為：探測區(qū)內(nèi)白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組砂巖低阻異常分布，圈定異常區(qū)范圍；探測主采2#煤層、3#煤層及其頂板砂巖低阻異常分布，圈定異常范圍；分析不同異常區(qū)的平面、垂向的聯(lián)系；掌握探測區(qū)內(nèi)主要斷層構(gòu)造的富水性情況。

2 工程成果

在視電阻率平面、斷面圖上，若地層不受富水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造的影響，含煤地層的電阻率值有序變化，在視電阻率平面、斷面圖上等值線變化穩(wěn)定，呈近似層狀分布；當(dāng)存在低阻富水區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，異常處電阻率值降低，等值線分布表現(xiàn)為扭曲、變形或呈密集條帶等形狀。在彩色視電阻率平面、斷面圖上則更加直觀，富水區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造處呈現(xiàn)較深的藍(lán)色，可據(jù)此直觀確定相對低阻異常體的空間賦存情況和異常強(qiáng)弱程度。

2.1 斷面異常分析與解釋

測區(qū)內(nèi)第四系松散層主要以滲透性較強(qiáng)的黃色砂土為主，電阻率較高；下伏的白堊系洛河組地層巖性以中、粗砂巖為主，電阻率較低；侏羅系安定組地層由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，電阻率較上覆地層表現(xiàn)為相對高阻；侏羅系直羅組地層巖性則以含水性較強(qiáng)的中粒砂巖和細(xì)粒砂巖為主，電阻率相對上部的含煤地層表現(xiàn)為低阻；直羅組下覆地層為含煤地層，電阻率表現(xiàn)為高阻。因此，從垂向上看，測區(qū)內(nèi)地層的電線為高阻—低阻—高阻—低阻的變化特征。由于篇幅有限，本次選取測區(qū)內(nèi)特征變化明顯的B區(qū)10號測線反演電阻率等值線斷面為例，進(jìn)行分析解釋，如圖2所示。

B區(qū)10號測線長度6420 m，斷面圖反映了標(biāo)高+600～+1200 m之間地層電性的分布情況。由圖2可知，縱向上測區(qū)整體視電阻率特征為：淺部較高，淺部往深地層段較低，中深部相對較高，深部相對較低，即整體呈現(xiàn)高阻—低阻—高阻—低阻的變化趨勢。

圖2 B區(qū)10線反演電阻率等值線斷面圖

該測線反演斷面圖中淺部在洛河組底部巖層段發(fā)現(xiàn)一處低阻異常區(qū)，位于測線中部附近。編號為L4號異常區(qū)。該異常區(qū)位于99號測點(diǎn)以東位置，東部延伸至測區(qū)邊界，范圍較大，幅值較強(qiáng)，且該異常區(qū)的特征明顯。結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，分析認(rèn)為該異常區(qū)與含水層裂隙較為發(fā)育有關(guān)，加之該層位層厚較大，且與上部地層無明顯隔水層，因此該層段可與淺部含水層形成補(bǔ)給關(guān)系，故推斷認(rèn)為很有可能與上覆地層砂巖含水層相對富水有關(guān)。該測線反演斷面圖中深部在直羅組底部、2#煤層頂部巖層段發(fā)現(xiàn)兩處明顯的低阻異常區(qū)，分別位于測線小號測點(diǎn)附近和大號測點(diǎn)附近。在2#煤層頂板位置編號分別為Y2-4號異常區(qū)和Y2-6號異常區(qū)。其中Y2-4號異常區(qū)從該測線西側(cè)C區(qū)延伸到該斷面的121號測點(diǎn)之間，范圍較大，幅值相對較強(qiáng)。結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，分析認(rèn)為該異常區(qū)地層應(yīng)與相鄰鉆孔(位于C區(qū)Y2-4號異常區(qū)之內(nèi))地層相近，根據(jù)該鉆孔資料顯示，該層段分布有一層裂隙較為發(fā)育的中粒砂巖層，因此推斷該異常成因?yàn)楹畬恿严遁^為發(fā)育所致。Y2-6號異常區(qū)位于279號測點(diǎn)以東位置，東側(cè)延伸至測區(qū)邊界，范圍相對中等，幅值相對較強(qiáng)。結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)資料得知該層位在其相鄰鉆孔顯示為幾層中粒砂巖和細(xì)粒砂巖相互交替出現(xiàn)的層位，層位較厚，裂隙相對發(fā)育，且與上部直羅組含水地層無明顯的隔水層，故分析認(rèn)為該異常區(qū)與含水層裂隙較為發(fā)育有關(guān)。

2.2 平面異常分析與解釋

本次對白堊系洛河組、侏羅系安定組、侏羅系直羅組、2#煤層頂部、3#煤層頂部等地層分別進(jìn)行平面異常分析與解釋。由于篇幅有限，本次選取測區(qū)內(nèi)特征變化明顯的侏羅系直羅組底部電阻率等值線平面及低阻異常區(qū)平面為例，進(jìn)行分析解釋，結(jié)果如圖3所示。

圖3 侏羅系直羅組底部瞬變電磁探測結(jié)果

侏羅系直羅組下部與含煤地層延安組相隔較近，根據(jù)井田地質(zhì)資料，該地層段含水性相對較強(qiáng)，且為礦井首采2#煤層的直接充水含水層。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，該地層段在底部存在一層中粒砂巖，該層段分布厚度在不同鉆孔中表現(xiàn)不一，其中，在測區(qū)東部、西部和北部分布較厚，且存在中粒砂巖和細(xì)粒砂巖互層發(fā)育的特征，測區(qū)中部鉆孔中并未見到裂隙較為發(fā)育的中粒砂巖層。根據(jù)各鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果表明該層段富水性也相對較強(qiáng)，加之其賦存位置與下伏的2#煤層相距較近，對礦井未來開采2#煤層威脅相對較大，因此提取了標(biāo)高在730～780 m之間的直羅組底部地層電性信息，得到侏羅系直羅組底部視電阻率等值線平面圖。根據(jù)電法資料，從圖3(a)中可以看出，該層段視電阻率值約在31～48 Ω·m之間變化，該層段視電阻率低阻區(qū)域主要集中在A區(qū)的西部、C區(qū)的南部和B區(qū)，其中A區(qū)主要分布在A區(qū)西部和東部，其西部異常幅值相對較強(qiáng)；東部異常幅值則相對較弱，且與C區(qū)南部低阻區(qū)相連接；B區(qū)低阻區(qū)域分布面積相對較廣，且異常幅值相對較強(qiáng)。結(jié)合電法探測異常劃分原則和相關(guān)地質(zhì)資料，將視電阻率等值線平面圖中的低阻異常區(qū)提取出來，得到侏羅系直羅組底部低阻異常區(qū)平面分布圖。從圖3(b)中可知，在該層段共發(fā)現(xiàn)異常4處，分別編號為Z1～Z4號低阻異常區(qū)。其中Z1號低阻異常區(qū)位于測區(qū)西部A區(qū)的西側(cè)，該異常西部和南部邊界均延伸至測區(qū)之外，異常分布范圍相對中等，異常幅值相對較強(qiáng)，其異常中心位置位于測區(qū)西南部，從附近鉆孔抽水試驗(yàn)成果得知該位置涌水量為現(xiàn)井田內(nèi)布設(shè)鉆孔中已知涌水量最大的一個，因此推斷該異常成因應(yīng)為地層局部裂隙發(fā)育富水引起的。Z2號低阻異常區(qū)位于A區(qū)中部呈近橢圓形分布，分布范圍相對較小，幅值相對較弱，其南部邊界延伸至測區(qū)之外，推斷其成因應(yīng)與地層局部裂隙富水有關(guān)。Z3號低阻異常區(qū)位于A區(qū)東部、C區(qū)南部呈條帶狀分布，分布范圍中等，異常幅值相對較弱，該異常南部布設(shè)有ZLG-1號鉆孔，根據(jù)該鉆孔本層位抽水試驗(yàn)結(jié)果對比得出該位置涌水量相對較小，地層富水性較弱，因此推斷Z3號低阻異常區(qū)成因應(yīng)為地層裂隙不發(fā)育導(dǎo)致的結(jié)果。Z4號低阻異常區(qū)廣泛分布在B區(qū)之內(nèi)，分布范圍較大，局部有延伸至測區(qū)北部邊界的可能，總體呈條帶狀東西方向分布，異常中心偏B區(qū)北部，異常幅值較強(qiáng)。根據(jù)異常東側(cè)南部附近鉆孔抽水試驗(yàn)得知該位置地層富水性相對較強(qiáng)，且中粒砂巖分布較厚，在測區(qū)之外北部布設(shè)的ZLG-3號鉆孔也有類似的結(jié)論，因此推斷Z4號低阻異常區(qū)為地層裂隙發(fā)育富水所致。

總體而言，侏羅系直羅組下部地層富水性差異明顯，測區(qū)北部富水性較弱，測區(qū)南部富水性較強(qiáng)，測區(qū)東西兩側(cè)富水性較強(qiáng)，測區(qū)中部富水性偏弱。這種情況在鉆孔抽水試驗(yàn)和電法探測成果均能體現(xiàn)，同時(shí)證明電法資料與鉆孔抽水試驗(yàn)的高度吻合性。

2.3 各異常區(qū)的平面、垂向聯(lián)系

(1)平面水力聯(lián)系。根據(jù)對測區(qū)內(nèi)各含水層平、斷面異常分析可知，同一層位在不同區(qū)段的水力聯(lián)系表現(xiàn)各不相同，如圖4所示。

圖4 其他地層低阻異常區(qū)分布圖

其中，淺部洛河組地層與上部地層無明顯隔水層發(fā)育，因此受上部第四系補(bǔ)給較為明顯，其富水性也相對較強(qiáng)，根據(jù)本次探測結(jié)果分析，洛河組各異常形態(tài)相似，異常幅值不盡相同，因此推斷它們之間均存在相連通的可能性。其中L1號低阻異常區(qū)和L2號低阻異常區(qū)在測區(qū)內(nèi)已表現(xiàn)為相連通的狀態(tài)，L3號和L4號低阻異常區(qū)推斷在測區(qū)的東北側(cè)也應(yīng)存在相連通的情況。這種大面積分布的低阻異常區(qū)相連通的情況的成因主要是洛河組地層無有效隔水層，從而導(dǎo)致地層富水性較強(qiáng)，且富水層發(fā)育高度較大，從而在空間上表現(xiàn)為連通狀態(tài)。侏羅系安定組地層裂隙發(fā)育層位厚度揭露差異較大，從而導(dǎo)致各低阻異常之間在同一平面內(nèi)連通情況并不明顯，各異常之間相隔較遠(yuǎn)，從鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果來看，不同異常的單位涌水量差異也相對較大，因此推斷測區(qū)內(nèi)各異常之間無明顯水力聯(lián)系。侏羅系直羅組地層含水層厚度相對安定組來說較厚較復(fù)雜，不同鉆孔資料揭露的厚度差異也相對較大，個別鉆孔呈現(xiàn)含水層和隔水層互層的情況，其中Z3號低阻異常區(qū)和Z4號低阻異常區(qū)分布形態(tài)、異常幅值和異常特征非常相似，加之兩者相距較近，因此推斷其在測區(qū)外應(yīng)有連通渠道，其他異常較遠(yuǎn)，分析其無明顯水力聯(lián)系。2#煤層頂部砂巖層發(fā)育較厚，從電法探測成果分析，Y2-1號低阻異常區(qū)和Y2-2號低阻異常區(qū)位置相近，異常形態(tài)類似，推斷這兩處在測區(qū)外有溝通的可能性；Y2-4號低阻異常區(qū)和Y2-5號低阻異常區(qū)應(yīng)該在測區(qū)北部邊界之外存在溝通渠道；其他異常則無明顯連通關(guān)系。3#煤層頂部砂巖層發(fā)育較薄，隔水層相對發(fā)育，從電法探測成果分析，Y3-2號低阻異常區(qū)和Y3-3號低阻異常區(qū)位置相近，異常形態(tài)類似，推斷這兩處在測區(qū)外有溝通的可能性。

(2)垂向水力聯(lián)系。根據(jù)本次電法提取的平面高程，結(jié)合電法斷面和平面分析，整體上講洛河組地層受隔水層安定組地層的影響，其層位未發(fā)現(xiàn)明顯與下部地層存在水力聯(lián)系的通道。安定組地層本身富水性相對較弱，結(jié)合下部直羅組地層低阻異常分布情況分析，其地層與下部地層也未發(fā)現(xiàn)有明顯的水力聯(lián)系通道。侏羅系直羅組地層相對上部安定組地層含水層較為發(fā)育，分布范圍相對較廣，其與下部2#煤層頂部砂巖層之間的隔水層發(fā)育不穩(wěn)定，個別區(qū)域可能存在溝通。3#煤層頂部至2#煤層之間的巖層以相對隔水的粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，隔水效果明顯，從電法探測成果可以看出，這兩個層位異常形態(tài)和異常位置差別較大，結(jié)合鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果推斷，3#煤層和2#煤層之間水力聯(lián)系相對較弱，無明顯溝通情況。

3 結(jié)論

(1)探測了區(qū)內(nèi)白堊系洛河組、侏羅系安定組、直羅組砂巖低阻異常區(qū)的分布位置，同時(shí)圈定異常區(qū)范圍，并結(jié)合地質(zhì)資料推斷了異常的成因；其中白堊系洛河組圈定了4處低阻異常區(qū)，侏羅系安定組圈定了6處低阻異常區(qū)，直羅組砂巖圈定了4處低阻異常區(qū)。

(2)探測了區(qū)內(nèi)主采煤層(2#煤層、3#煤層)及其頂板砂巖低阻異常區(qū)的分布位置，同時(shí)圈定了異常區(qū)范圍邊界，并結(jié)合地質(zhì)資料推斷了異常的成因；其中在2#煤層頂板砂巖層位置圈定了6處低阻異常區(qū)，在3#煤層頂板砂巖層位置圈定了3處低阻異常區(qū)。

(3)分析了不同異常區(qū)的平面、垂向的聯(lián)系；認(rèn)為各異常主要表現(xiàn)為同層之間有一定的水力聯(lián)系，各含水層垂向水力聯(lián)系不明顯。