瞬變電磁法在山西余吾煤礦水害因素識(shí)別的應(yīng)用

白錦琳 宋嗣麒 郭曉東

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104）

水害是煤礦安全開(kāi)采的主要威脅之一，余吾煤礦礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，一般煤礦水文地質(zhì)勘查主要依靠水文鉆孔，但是水文鉆孔成本高，效率慢。通過(guò)瞬變電磁法與地質(zhì)水文資料結(jié)合解釋的方法，可以劃分和識(shí)別煤礦含水層富水范圍和構(gòu)造富水性，該方法效果好，速度快，成本低，對(duì)于指導(dǎo)采區(qū)布置工作面和礦井防治水工作具有重要的意義。

1 水文地質(zhì)背景

本區(qū)地處太行山西麓沁水煤田東翼潞安礦區(qū)的西部，區(qū)內(nèi)及其外圍廣為第四系黃土覆蓋。本次工作區(qū)地層由老到新有奧陶系中統(tǒng)峰峰組(Q2f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、二疊系上統(tǒng)石千峰組(P2sh)、第四系(Q) 。區(qū)內(nèi)地表水系主要河流為絳河，為海河水系濁漳河的支流，由西向東橫穿本區(qū)中部，注入漳澤水庫(kù)，其流量為0.37～5.06m3/s。區(qū)內(nèi)西北余吾鎮(zhèn)北側(cè)有交川河，流量為0.02～0.17m3/s，屬季節(jié)性小河。地下含水層由深到淺主要有6個(gè)層段，分別為中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、上石炭統(tǒng)太原組含水層組（Ⅱ～Ⅴ）、二疊系下統(tǒng)山西組含水層組（Ⅵ～Ⅶ）、二疊系下統(tǒng)上、下石盒子組含水層組（Ⅷ）、基巖風(fēng)化帶含水層（Ⅳ）、第四系孔隙含水層組（X）。

2 區(qū)地球物理特征及勘探方法

一般情況下，工作區(qū)內(nèi)同時(shí)期沉積地層的巖礦物、巖性組合、巖層發(fā)育厚度等特征類似，在橫向上視電阻率差異變化較小?？v向上，各組地層由不同巖性組成，各層之間會(huì)顯示明顯的電阻率變化。當(dāng)巖層發(fā)生變形、破碎等因素，引起裂隙構(gòu)造發(fā)育或者灰?guī)r地層中發(fā)育巖溶時(shí)，若巖層含水性差，則其導(dǎo)電性變差，局部電阻率值相對(duì)周圍巖層顯示較高阻值；若巖層含水較好，其導(dǎo)電性好，則會(huì)形成局部低電阻率異常。依據(jù)這個(gè)理論，通過(guò)探測(cè)巖層的視電阻率及其變化規(guī)律，可以分析巖層的富水性變化規(guī)律及構(gòu)造含水性。工作區(qū)屬黃土丘陵地形，中部地形相對(duì)平坦，測(cè)區(qū)北部和南部地形較差，地表最高標(biāo)高約+1088m，最低標(biāo)高約+889m，相對(duì)高差199m。工作范圍內(nèi)的村莊和建筑較多而密集，對(duì)瞬變電磁鋪框測(cè)量及直流電測(cè)深跑極放線帶來(lái)一定的困難，工作區(qū)地表電磁法勘探條件較差。但是工作區(qū)內(nèi)深部含煤地層主要為石炭二疊系地層，煤層頂?shù)装迳皫r或奧陶系灰?guī)r富水后，富水范圍和導(dǎo)水構(gòu)造的電阻率會(huì)明顯降低；另奧陶系灰?guī)r為視電阻率高阻的地層，與煤系地層的巖石電阻率也有明顯差異，因此工作區(qū)內(nèi)地層具有良好的中深部電磁法勘探地質(zhì)條件。本次工作區(qū)根據(jù)地質(zhì)情況選擇瞬變電磁(TEM)勘探手段具有較好的經(jīng)濟(jì)適用性，瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集采用澳大利亞Alpha公司生產(chǎn)的TerraTEM瞬變電磁法儀。

3 已知資料分析對(duì)比

圖1為區(qū)內(nèi)鉆孔附近瞬變電磁測(cè)深點(diǎn)曲線與鉆孔柱狀圖對(duì)比圖，鉆孔柱狀圖顯示第四系厚15m，3#煤埋深690m，15#煤埋深790m，奧陶系灰?guī)r頂界面埋深約820m。圖中瞬變電磁測(cè)深曲線對(duì)于煤系地層中主要層位均具有較明顯的分層拐點(diǎn)，曲線對(duì)于第四系反應(yīng)不明顯，曲線上段都為高阻，為瞬變電磁法盲區(qū)所致，中段200～700m明顯的低阻層，是二疊系泥、砂巖互層的電性反映；700～850m處上升幅度較緩平臺(tái)為石炭系的電性反映；曲線尾部上升斜率增大較為明顯，說(shuō)明測(cè)深曲線已穿透煤系地層，進(jìn)入下伏奧陶系灰?guī)r地層，特征與已知地質(zhì)資料吻合。

圖2為瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖，根據(jù)已知資料對(duì)比及分析可知第一組電性層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組和下石盒子組，其巖性包括粗砂巖、中-細(xì)粒砂巖、泥巖，這些巖層的視電阻率ρτ相對(duì)下伏地層巖性視電阻率較小，約為（60～120）Ωm；第二組電性層的響應(yīng)為二疊系下統(tǒng)山西組地層、石炭系上統(tǒng)太原組和中統(tǒng)本溪組等含煤地層，視電阻率ρτ約為（120～230）Ωm；第三組電性層的響應(yīng)是奧陶系灰?guī)r地層，視電阻率均大于230Ωm。

圖1 瞬變電磁曲線與鉆孔對(duì)比圖

圖2 瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖

4 水害因素識(shí)別

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料顯示，含煤地層中含水巖層一般由二疊系的碎屑巖、石炭系太原組的砂巖、灰?guī)r組合而成，即由二疊系上統(tǒng)上石盒子組底部中、粗粒砂巖（K10）、下統(tǒng)下石盒子組底部石英砂巖（K8）、山西組底部石英砂巖（K7）及石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r（K2、K3、K4、K5）組成。K2、K5灰?guī)r巖溶裂隙較發(fā)育，其余灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育差；K10砂巖為富水性中等的砂巖裂隙含水層，K7、K8砂巖層含水性較弱。一般砂巖、石灰?guī)r在視電阻率剖面上呈相對(duì)高阻反映，在同一深度，構(gòu)造裂隙發(fā)育的砂巖、石灰?guī)r的含水性好，其視電阻率值低于構(gòu)造裂隙不發(fā)育的砂巖、石灰?guī)r，在視電阻率剖面上形成高阻中的相對(duì)低阻異常，根據(jù)含水層深度制作視電阻率平面圖，以此為理論依據(jù)，來(lái)尋找煤系地層巖層富含水異常區(qū)（見(jiàn)圖3）。勘探區(qū)內(nèi)含水層較多，但相互之間都有隔水層存在，正常情況下并不連通。受斷裂構(gòu)造和巖層裂隙的影響，含水層在有些部位存在水力連通。不同層位有的富水異常區(qū)上下有重疊，可解釋含水層富水異常區(qū)的上下有連通關(guān)系，即相鄰含水層同一平面位置存在富水異常區(qū)，那么它們之間可能存在水力連通。根據(jù)已知地質(zhì)資料區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為斷層和陷落柱，區(qū)內(nèi)斷層沒(méi)有發(fā)現(xiàn)含水構(gòu)造，陷落柱為主要含水構(gòu)造，在識(shí)別陷落柱含水情況時(shí)依據(jù)陷落柱在視電阻率擬斷面圖上的顯示，正常不含水陷落柱顯示為高阻，陷落柱部分地段含水后顯示為相對(duì)低阻。例如圖4，X25陷落柱在K5、K2、奧陶系灰?guī)r含水層局部含水，分析認(rèn)為該陷落柱在K5、K2和奧陶系灰?guī)r層間導(dǎo)水性好。

圖3 視電阻率平面圖及綜合解釋成果圖

圖4 X25陷落柱視電阻率擬斷面圖及綜合成果圖

5 開(kāi)采水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

余吾煤礦煤層開(kāi)采充水通道主要有：（1）頂板冒裂帶；（2）底板破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶；（3）構(gòu)造。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)鉆孔資料及本次探測(cè)取得成果資料分析煤層開(kāi)采充水水源主要為：3#煤回采時(shí)，其頂板砂巖、K8砂巖、K10砂巖為直接充水含水層，其底板下的K7砂巖含水層也為直接充水含水層?；鶐r分化帶和第四系砂層水由于二疊系內(nèi)隔水層的阻擋一般不會(huì)成為礦井直接或間接充水含水層。9#煤開(kāi)采時(shí)，K5含水層與其冒裂帶頂部間距約15m，可能成為間接充水含水層；K4、K3處于底板破壞裂隙帶內(nèi)，為直接充水含水層。15#煤開(kāi)采時(shí)，K2為直接充水含水層。

根據(jù)探測(cè)成果結(jié)合地質(zhì)水文資料，3#煤開(kāi)采危險(xiǎn)性：充水含水層為K8、K10、K7，富水性較差，在構(gòu)造分布較為密集區(qū)域、背斜軸部分布的巖層破碎帶、斷層、陷落柱部位可能存在較強(qiáng)富水區(qū)。開(kāi)采前應(yīng)對(duì)斷層、陷落柱留足防水煤柱或注漿加固。對(duì)瞬變電磁成果發(fā)現(xiàn)的富水區(qū)域，在掘進(jìn)井下巷道或采面通過(guò)富水范圍之前進(jìn)行井下探放水工作。9#煤開(kāi)采危險(xiǎn)性：直接充水含水層K4、K3，K5有可能成為間接充水含水層。三層含水層富水性都不均一。在其底板完整性受到破壞的地段，K2有突水危險(xiǎn)性。15#煤開(kāi)采危險(xiǎn)性：全測(cè)區(qū)內(nèi)均有底板突水危險(xiǎn)性。

6 結(jié)論

（1）本次方法的應(yīng)用，為余吾煤礦采區(qū)查明了開(kāi)采3#煤層頂?shù)装逯饕畬樱↘10、K8、K7）的相對(duì)富水區(qū)及水力聯(lián)系，查明了9#煤和15#煤頂板主要含水層的含水區(qū)和水力聯(lián)系，查明區(qū)內(nèi)主要斷層和陷落柱富水性。

（2）本次瞬變電磁法的應(yīng)用，為同類地區(qū)查找煤礦水害因素識(shí)別提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)，為煤礦安全開(kāi)采和防治水工作提供指導(dǎo)。