綜合物探法在調(diào)查煤礦采空區(qū)積水中的應(yīng)用

張?jiān)獎(jiǎng)?/p>

（山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊(duì)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 地質(zhì)概況

勘查區(qū)位于長(zhǎng)治盆地邊緣，位于太行山西麓中段，屬黃土低山丘陵地貌，第四系黃土覆蓋，地形較簡(jiǎn)單。勘查區(qū)總體呈向北北東—北—北北西傾伏的向斜構(gòu)造。勘查區(qū)屬海河流域漳河水系濁漳河支流，區(qū)內(nèi)無地表水系，沿溝谷有季節(jié)性洪流或煤礦排出的地下水流過。由于煤層大面積開采，淺部地下水多被疏干?？辈閰^(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，可采煤層為山西組(P1s)3號(hào)煤層及太原組(C3t)15號(hào)煤層，存在多處小窯及老窯采空區(qū)。

2 目的任務(wù)

本次工作主要目的是采用地面物探手段探測(cè)勘查區(qū)范圍內(nèi)3#、15#煤層采空積水區(qū)的分布情況及煤層上覆含水層的富水情況，為對(duì)勘查區(qū)域內(nèi)各采空積水清楚、水量估算準(zhǔn)確、上下組煤層間水力聯(lián)系情況提供可靠依據(jù)。

3 工作情況

3.1 理論依據(jù)

測(cè)區(qū)內(nèi)各地層存在明顯的電性差異，橫向上區(qū)內(nèi)地層沉積相對(duì)較為穩(wěn)定，其橫向上電性差異應(yīng)較小。但同一地層隨富水程度的不同，其電阻率差異明顯，變化范圍較大，這一電性差異是利用瞬變電磁法尋找同一地層中異常地質(zhì)體的基礎(chǔ)。斷電后二次場(chǎng)衰減到一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的半衰時(shí)的大小在含水巖體上半衰時(shí)通常以高值異常形式出現(xiàn)，斷電后某一時(shí)間段的二次場(chǎng)的積分平均值與二次場(chǎng)第一個(gè)采樣值的比值是衰減度，該參數(shù)在含水地段也呈高值反應(yīng)。就整個(gè)工作區(qū)來說，局部地段的地形及地物會(huì)對(duì)物探勘查造成一定的影響，靠近高壓區(qū)及游散電流也會(huì)有一定的影響。綜合評(píng)價(jià)，本區(qū)表、淺層電性條件復(fù)雜，中、深層電性條件良好，屬于電性條件較復(fù)雜的地區(qū)。

3.2 工作區(qū)物理特性

根據(jù)此區(qū)域內(nèi)以往的物探成果及類似地區(qū)的地層、鉆孔和測(cè)井資料，可得出如下綜合地層電性一覽表（見表1）。不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖其電阻率值依次增高。煤系地層有層狀分布特點(diǎn)，在橫向上導(dǎo)電性相對(duì)均一，縱向上視電阻率的變化規(guī)律基本一致。形成采空區(qū)后，如果采空區(qū)內(nèi)不積水，一般反映為高阻異常；若采空區(qū)積水礦化度不高時(shí)，反應(yīng)為高阻異常；若積水中溶解了較多的可溶性礦物，存在大量導(dǎo)電離子，則積水采空區(qū)呈現(xiàn)為低阻。灰?guī)r在致密完整的情況下，視電阻率相對(duì)較高，如果灰?guī)r中有充水裂隙、巖溶等構(gòu)造存在，或受斷層切割，破碎帶含水、導(dǎo)水時(shí)，由于水體良好的導(dǎo)電性，使該區(qū)域與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，這就是用電磁法進(jìn)行采空區(qū)及積水范圍探測(cè)的地球物理前提。

表1 綜合地層電性一覽表

3.3 試驗(yàn)及施工參數(shù)選擇

（1）瞬變電磁法：考慮勘探區(qū)內(nèi)目的層埋深變化較大，根據(jù)目的層深度、實(shí)地踏勘情況及勘探范圍大小等，工作裝置采用大定源回線，測(cè)網(wǎng)線距40m，點(diǎn)距20m。單點(diǎn)試驗(yàn)位置處于地質(zhì)較完整的部位，應(yīng)處在沒有構(gòu)造、沒有已知采空區(qū)、地表沒有強(qiáng)干擾的部位。在GDP-32瞬變電磁儀開始工作之前對(duì)儀器進(jìn)行自檢工作，狀態(tài)及性能良好，能滿足野外生產(chǎn)要求。通過選擇不同的裝置參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，繪制不同參數(shù)條件下的電位衰減曲線，再結(jié)合測(cè)點(diǎn)的實(shí)際地質(zhì)以及噪聲情況，最終選定適合勘查區(qū)瞬變電磁法工作參數(shù)如下：勘探的發(fā)射電流為17A，發(fā)射頻率為16Hz，發(fā)射線圈為480m×320m單匝回線發(fā)射，接收線圈采用等效面積為10000m2的探頭，疊加次數(shù)128次（在干擾較大的區(qū)域適當(dāng)增加到512次），以每一發(fā)射回線中間約1/9面積所包含的測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)施工。

（2）激電測(cè)深法：測(cè)量點(diǎn)位根據(jù)瞬變電磁勘探劃分的異常形態(tài)及地質(zhì)要求確定，選取北測(cè)區(qū)120、160、200、480四條測(cè)線進(jìn)行激電測(cè)深工作，選用重慶儀器廠生產(chǎn)的DZD-6型多功能直流電法儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量電極使用同廠配置的硫酸銅不極化電極，供電電極使用自制的鐵電極。采用對(duì)稱四極測(cè)深測(cè)量裝置，采集視電阻率Rs值、視極化率M值、半衰時(shí)TH值、衰減度D值及綜合參數(shù)值Zp以及電流I和電壓V的平均值等數(shù)據(jù)。儀器參數(shù)設(shè)置及依據(jù)瞬變電磁解譯成果，選用的參數(shù)為：正反向方波供電，供電周期4s，疊加次數(shù)1，延遲時(shí)間100ms，寬度20ms，裝置方法與電極距為：AB/2：3、5、7、10、15、22、34、50、70、100、150、220、340、500、600；MN/2：1、5、20、50。

3.4 數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量檢查

瞬變電磁面積性測(cè)量共分二個(gè)測(cè)區(qū)，北測(cè)區(qū)控制面積0.44km2，完成瞬變電磁勘探測(cè)線17 條，物理點(diǎn)601 個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)36 個(gè)，檢查點(diǎn)53 個(gè)，累計(jì)完成生產(chǎn)點(diǎn)690 個(gè)。南測(cè)區(qū)控制面積0.22km2，完成瞬變電磁勘探測(cè)線10條，物理點(diǎn)309個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)25 個(gè)，檢查點(diǎn)23 個(gè)，累計(jì)完成測(cè)量點(diǎn)357 個(gè)。兩個(gè)測(cè)區(qū)實(shí)際完成瞬變電磁勘探面積0.66km2，共計(jì)完成生產(chǎn)點(diǎn)1047個(gè)。激電測(cè)深在瞬變電磁勘探推測(cè)的低阻異常段完成測(cè)深點(diǎn)54個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)2個(gè)，檢查率3.7%。

4 資料解釋

4.1 瞬變電磁法斷面圖解釋

經(jīng)過對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，制作相應(yīng)參數(shù)斷面圖，結(jié)合個(gè)點(diǎn)所在位置煤層埋深情況，對(duì)各斷面情況進(jìn)行分析解譯。現(xiàn)就600N線視電阻率斷面圖（見圖1）進(jìn)行詳細(xì)解譯：斷面圖縱向上反映視電阻率由淺到深的變化情況，基本呈由低到高的電性特征。圖中的低阻為第四系地層及基巖風(fēng)化帶、二疊系砂泥巖互層的反映，山西組下部的煤層位于低阻向高阻的過渡帶上。下部視電阻率呈梯級(jí)增高，等值線較為緊密，為石炭系泥砂巖、煤層、灰?guī)r—奧陶系頂界地層的反映。從橫向上看，在小號(hào)點(diǎn)附近視電阻率等值線出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，為北仙泉斷層的反映（圖1中細(xì)虛線）。3號(hào)煤層位置的580～780 點(diǎn)呈現(xiàn)相對(duì)的低阻區(qū)（圖1 中細(xì)虛線橢圓區(qū)域），推測(cè)為3號(hào)煤層采空區(qū)積水或巖層破碎、裂隙發(fā)育含水引起的反映。15 號(hào)煤層位置的550～600 點(diǎn)、660～760點(diǎn)呈現(xiàn)相對(duì)的低阻區(qū)（見1圖中粗虛線橢圓區(qū)域），推測(cè)為煤層頂板巖層破碎、裂隙發(fā)育含水或采空區(qū)積水引起的反映。測(cè)線的其他地段視電阻率等值線較為平緩，與各煤層底板形態(tài)基本一致，無明顯異常反映。北仙泉斷層附近沒有低阻異常。

圖1 600N線視電阻率斷面圖

4.2 瞬變電磁視電阻率順層切片圖解釋

為了解勘探區(qū)內(nèi)低阻異常的空間分布情況，對(duì)3號(hào)煤頂板、3號(hào)煤、15號(hào)煤層頂板以及15號(hào)煤層位進(jìn)行視電阻率順層切片。15 號(hào)煤層標(biāo)高位于760～840m，K2灰?guī)r厚6.45～8.21m，平均為7.33m，K2 灰?guī)r距15 號(hào)煤層小于1m，為15號(hào)煤層的直接頂板，3號(hào)煤層標(biāo)高位于910～970m。3 號(hào)煤層頂板含水層距離3 號(hào)煤層約10m。

各層視電阻率順層切片圖中虛線所圈范圍為各層位在平面上的相對(duì)低阻異常區(qū)，其中：北測(cè)區(qū)3號(hào)煤層頂板巖層異常區(qū)9個(gè)，3號(hào)煤層低阻異常區(qū)13個(gè)，15號(hào)煤層頂板K2 灰?guī)r低阻異常區(qū)4 個(gè)（見圖2）、15 號(hào)煤層低阻異常區(qū)5 個(gè)（見圖3）；南測(cè)區(qū)3 號(hào)煤層頂板巖層異常區(qū)6 個(gè)，3 號(hào)煤層低阻異常區(qū)8 個(gè)，15 號(hào)煤層頂板K2灰?guī)r低阻異常區(qū)3個(gè)、15號(hào)煤層低阻異常區(qū)9個(gè)。

圖2 北測(cè)區(qū)15號(hào)煤層頂板K2視電阻率順層切片圖

圖3 北測(cè)區(qū)15號(hào)煤層視電阻率順層切片圖

4.3 激電測(cè)深數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)瞬變電磁測(cè)量解譯成果，選取異常段布設(shè)測(cè)深點(diǎn)，激電測(cè)深成果主要分析視電阻率值、視極化率值、半衰時(shí)、衰減度。半衰時(shí)是斷電后二次場(chǎng)衰減到一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；半衰時(shí)大，表示極化體二次場(chǎng)衰減慢、含水量大。在含水巖體上半衰時(shí)通常以高值異常形式出現(xiàn)。衰減度是斷電后某一時(shí)間段的二次場(chǎng)的積分平均值與二次場(chǎng)第一個(gè)采樣值的比值，該參數(shù)在含水地段也呈高值反應(yīng)。在D≥0.4 左右，一般認(rèn)為有水。綜上所述，在解釋中要結(jié)合水文地質(zhì)條件，多參數(shù)配合使用，各參數(shù)含水特征異常吻合，基本可以認(rèn)為含水。

以120 線極化率擬斷面圖（圖4）為例對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解譯。視電阻率等值線整體表現(xiàn)為西高東低，僅在880 點(diǎn)出現(xiàn)臺(tái)階狀，分析與F8斷層有關(guān)；視極化率在AB/2約100m及220m時(shí)存在極化率梯度帶，推測(cè)該層位存在含煤地層，另在AB/2 約300～420m 以880點(diǎn)為中心位置出現(xiàn)封閉的極化率高值異常，分析與斷層破碎帶有關(guān)。通過分析測(cè)深點(diǎn)在AB/2為100m及220m的衰減度和半衰時(shí)（圖5）可知，800～1040段在含煤地層段富水情況一般，只是在1000～1040點(diǎn)處200m深度左右局部富水。另外在深部340m處，半衰時(shí)有明顯異常，推測(cè)該深度巖層含水較多，分析為斷層破碎帶或奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育含水。

圖4 120線電阻率、極化率擬斷面圖

圖5 120線AB/2=100m、200m時(shí)半衰時(shí)及衰減度曲線

5 地質(zhì)成果

通過對(duì)勘查區(qū)范圍內(nèi)各測(cè)線視電阻率斷面及不同層位順層切片的解釋推斷，結(jié)合勘查區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、水文資料進(jìn)行綜合分析，推斷并圈定了勘查區(qū)范圍內(nèi)3號(hào)煤層、15號(hào)煤層采空積水異常區(qū)及3號(hào)煤層頂板、15號(hào)煤層頂板K2灰?guī)r富水異常區(qū)。其中：北測(cè)區(qū)：3號(hào)煤層頂板：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)9 個(gè)，編號(hào)為NK8-1～NK8-9，推測(cè)為3號(hào)煤層頂板K8砂巖裂隙發(fā)育或斷層破碎帶含水所致。3 號(hào)煤層：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)13個(gè)，編號(hào)為N3-1～N3-13，其中N3-1、N3-2異常位于測(cè)區(qū)北西FA斷層附近，推測(cè)為斷層破碎帶含水所致；N3-3～N3-11 異常位于測(cè)區(qū)中部和西南部，推測(cè)為3號(hào)煤層采空區(qū)積水或塌陷冒落帶充水的反映，局部為井下巷道干擾所致；N3-12、N3-13異常位于測(cè)區(qū)東南15號(hào)煤層井巷揭露的F8逆斷層附近，推測(cè)為斷層破碎帶含水或采空區(qū)塌陷冒落帶含水所致，局部為井下巷道干擾所致。15 號(hào)煤層頂板K2 灰?guī)r（見圖2）：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)4個(gè)，編號(hào)為NK2-1～NK2-4，其中NK2-1位于F8斷層附近，故推測(cè)各低阻異常為15號(hào)煤層頂板K2 灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育富水或斷層破碎帶含水所致，局部不排除為上部3號(hào)煤層采空區(qū)積水的影響。15 號(hào)煤層（見圖3）：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)5 個(gè)，編號(hào)為N15-1～N15-5，其中N15-1、N15-2、N15-3 位于15101和15102工作面采空區(qū)范圍，推測(cè)為15號(hào)煤層采空區(qū)積水的反映，其它異常推測(cè)為上部3號(hào)煤層采空區(qū)積水及頂板K2 灰?guī)r富水區(qū)影響所致。南測(cè)區(qū)：3 號(hào)煤層頂板：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)6 個(gè)，編號(hào)為SK8-1～SK8-6，推測(cè)為3號(hào)煤層頂板K8砂巖裂隙發(fā)育或斷層破碎帶含水所致。3號(hào)煤層：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)8 個(gè)，編號(hào)為S3-1～S3-8，根據(jù)走訪調(diào)查，本區(qū)未開采過3 號(hào)煤層，但該區(qū)煤層埋深較淺，故推測(cè)低阻異常3號(hào)煤層上部砂巖含水層或第四系和基巖風(fēng)化帶含水層的反映，局部為斷層破碎帶含水所致。15 號(hào)煤層頂板K2 灰?guī)r：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)3 個(gè)，編號(hào)為SK2-1～SK2-3，推測(cè)低阻異常為15 號(hào)煤層頂板K2 灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育富水所致，SK2-1位于FA斷層、F7斷層及X陷落柱之間，SK2-3異常位于F3斷層附近，故不排除其為斷層破碎帶含水的反映。15 號(hào)煤層：劃分出相對(duì)低阻異常區(qū)8 個(gè)，編號(hào)為S15-1～S15-8，根據(jù)調(diào)查南測(cè)區(qū)15 號(hào)煤層未開采，推測(cè)異常為上部3 號(hào)煤層采空區(qū)積水及頂板K2 灰?guī)r富水區(qū)影響所致。結(jié)合3 號(hào)和15號(hào)煤層的低阻位置發(fā)現(xiàn)，各層低阻區(qū)域在空間上有一定的重合性，說明3 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層之間的裂隙連通性較好，兩者之間存在水力聯(lián)系。

通過對(duì)4條瞬變電磁剖面線的激電測(cè)深工作，對(duì)異常位置從多個(gè)與含水有關(guān)的參數(shù)綜合分析了各剖面含水層的位置、埋深及性質(zhì)情況：本區(qū)低阻異常主要為3號(hào)、15號(hào)煤層采空區(qū)積水、煤層頂板巖層水及構(gòu)造破碎帶引起，其結(jié)果與地面瞬變電磁勘探結(jié)果基本一致，達(dá)到了預(yù)期驗(yàn)證目的。

6 成果結(jié)論

本次地面物探勘查采用瞬變電磁勘探和激發(fā)極化電測(cè)深相結(jié)合的方式，解決了測(cè)區(qū)富、含水區(qū)探測(cè)與評(píng)價(jià)問題，推測(cè)勘查區(qū)范圍內(nèi)3號(hào)煤層、15號(hào)煤層采空積水及頂板巖層的富水性及主要富水區(qū)域，推斷3號(hào)煤層積水區(qū)與15號(hào)煤層積水區(qū)存在一定的水力聯(lián)系。方法選用合理、技術(shù)手段先進(jìn)、野外試驗(yàn)充分、施工方法和技術(shù)措施得當(dāng)、數(shù)據(jù)處理精細(xì)，取得了可靠、高質(zhì)量的基礎(chǔ)資料。

7 存在問題

受工作區(qū)內(nèi)溝谷、村莊房屋、變壓器、電線、電纜及人為活動(dòng)等不利因素影響，對(duì)勘探測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的偏差，對(duì)數(shù)據(jù)采集存在一定的干擾，造成局部數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，本次勘查工作對(duì)斷層及煤層頂?shù)装搴畬痈凰缘姆治鼋忉尵鶠殪o態(tài)和定性解釋，由于測(cè)區(qū)內(nèi)水文資料較少，對(duì)富水區(qū)的解釋造成一定的不利影響。劃定的富水異常區(qū)是視電阻率的相對(duì)較低值區(qū)域，由于視電阻率變化受多種因素影響，視電阻率低阻區(qū)可能不是水文地質(zhì)上的富水區(qū)，但鑒于勘探區(qū)低電阻率區(qū)域主要是因?yàn)榱严逗斐傻膶?shí)際情況，報(bào)告中仍依據(jù)視電阻率高低來劃分富水區(qū)。