新型探測技術在水文地質勘探中的應用

王曉彪

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦地測中心，山西 古交 030200）

本文以山西省太原市古交市區北西曲井田水文地質勘探為例，在詳細分析了水文地質勘探現狀的基礎之上，分別利用瞬變電磁、γ射線找水等新技術進行水文地質勘探，為提高該區域勘探技術水平提供價值參考和借鑒。

1 井田概況

西曲井田位于太原市古交市區，長寬分別為6.5km和6km，其中東、西部分別以煤層露頭和斷層為界，而南邊界為汾河最高水位線。井田內最大的河流為汾河，屬于黃河流域，河寬600m徑流井田南部邊緣處。較大的溝谷有礬石溝、水深溝、李家溝等，地下水來源可通過各個水體和水流進行補給。西曲井田傾角為3°～15°，傾向和走向分別為SW和NW方向，復式向斜向蓄水構造盆地為太原西山煤田的主要構造形式，其地下水主要有巖溶水、裂隙水以及孔隙水，其中供水意義最大的為巖溶水。頁巖為該區域隔水地板巖性，太原市工農業及城市供水的主要水源為晉祠巖溶和蘭村巖溶水亞系統。豐富的巖溶地下水在滿足供水的同時，也給煤礦的開采帶來間接煤層底板突水的威脅。煤系圍巖地層中的砂巖裂隙水和層間裂隙巖溶水最為直接，并且由于存在泥巖隔水層，上部的裂隙水與圍巖含水層未表現出密切的作用關系。

2 傳統水文地質勘探方法的原理與缺陷

在西曲井田水文地質勘探過程中的流量測井法是相對常規的一種方法。該方法主要是針對井下深度截面中兩個斷面中的流量進行測量，并以此來確定井下巖層的具體深度、含水層厚度以及地層的實際滲透性能等參數。通過對上述幾類參數的測量，將西曲井田地下的隔水層、含水層進行了科學的劃分，在此基礎上詳細了解了西曲井田的水文地質情況。在西曲井田水文地質情況勘探過程中應用流量測井法的主要原因就是該方法通過單次測量就能獲得整個井田的各種數據信息，從而為井田的生產開采節省大量的人力、物力投入。但在煤礦的水文地質勘探中流量測井法的測量結果無法實現精確的定量測量，而且在進行測量結果的解釋時也不能實現計算機的處理，導致該方法具有一定的限制性。

3 新型水文地質勘探技術的應用與分析

由于認識層面、技術層面以及煤礦自身水文狀況等問題，導致西曲煤礦的水文地質勘探的投入和產出不成比例，為了進一步完善煤礦的水文地質狀況，并提升煤礦的水文地質勘探水平，采用新的煤礦水文地質勘探技術即瞬變電磁技術、γ射線找水技術對該區域地質狀況進行勘探。

3.1 瞬變電磁法地質勘探

3.1.1 瞬變電磁法基本原理

YCS150瞬時電磁波儀基本原理如圖1所示，利用瞬時電磁波技術進行水文地質勘探時應首先在地表布置線框，并往線框內輸入階躍電流，當線框內電流突然中止，則為維持通電狀態下的磁場線框下方空間形成感應場，隨著時間的推移此種感應場會向底層下部逐漸推移并且在此過程中能量會出現逐漸衰減。因此，底層由淺至深的整體結構可通過觀測此過程中感應場能量變化情況進行反映，據此可對水文地質狀況進行科學、有效的勘探。巖石濕度與底層結構中電阻率存在一定的關聯性即電阻率隨巖石濕度的增大而降低。巖層富水性以及巖石的破碎性與斷層位置的電阻率存在一定的關聯行，具體表現為含水量越高，巖石破碎性越大則巖層電阻率越高。對水文地質條件可利用瞬變電磁法和以上關聯性特征進行快速識別。

圖1 瞬時電磁波儀控制面板及基本原理圖

3.1.2 瞬變電磁法方案設計

考慮到西曲煤礦井下施工環境和空間的局限性，不能采用大線圈，為提高勘探效率采用邊長小于3m的多匝小線框進行勘探工作。

（1）探測過程中對煤層底板與發射線框之間的夾角進行調整，使線圈與巷道掘進方向平行，對煤礦進行超前探測與含水構造異常體探測，同時對煤層底板下一定程度范圍內的含水異常體橫向或垂直向發育規律的勘探可通過將線圈置于巷道地板并設置一定夾角進行探測。

（2）為便于地質異常體產生最佳耦合效應，在進行勘探時，應設置瞬時電磁波儀器接受線框和發射線框匝數不同且相互獨立。對確定隱伏含水異常位置和范圍可利用現有巷道對相鄰工作面未掘進巷道實施測量探測，并以此減少、部分替代或取代現行超前探測工作為探水、中防工作提供技術依據。

3.1.3 瞬變電磁法勘探結果

太原西曲煤田為一北端翹起的復式向斜蓄水構造盆地，賦存孔隙水、裂隙水、巖溶水三種類型的地下水，其中中奧陶統的巖溶水具有重大的供水意義。區域性隔水底板為寒武系底部的頁巖。西山煤田巖溶水在山前排泄，形成了蘭村巖溶水亞系統及晉祠巖溶水亞系統，它們是太原市工農業及城市供水的主要水源。豐富的巖溶地下水在滿足供水的同時，也給煤礦的開采帶來間接煤層底板突水的威脅。從評價煤礦礦井充水來源來看，煤系圍巖地層中的砂巖裂隙水和層間裂隙巖溶水最為直接。

3.2 γ射線找水法地質勘探

3.2.1 射線找水法原理及應用

FE-803Aγ射線儀在太原西曲煤田裂隙發育地層或破碎地層地下水探尋時具有較好的應用效果，并且該儀器設備精度較高，儀器簡便，受地形結構影響較低，在水文地質勘探中具有廣泛的應用價值。其基本原理是首先對指定區域內γ射線的縱橫分布狀況進行測定，然后對基巖斷裂位置利用一定風險系數進行判定并對地下水位置進行確定。通常條件下，可由下述公式對基巖中水量進行近似計算：

W=KRS2

式中：

W-近似計算水量，m3/s；

K-γ射線峰值；

S-射線異常區寬度，m。

3.2.2 射線找水法勘探結果

利用γ射線找水法是對基巖水含量進行測算分析，測量深度與地測井γ射線頻率的關系如圖2所示。

裂隙含水巖組所含巖類包括碎屑巖類、碎屑巖夾碳酸鹽巖類、變質巖類及巖漿巖類等四種。含水巖層以砂巖、石灰巖為主，裂隙水賦存于巖石裂隙中，分為裂隙潛水和裂隙承壓水。裂隙潛水含水層為基巖風化殼，其深度隨地形變化較大，一般為30～50m。含水性視裂隙發育程度和地形條件也有較大差異，以構造斷裂帶附近及溝谷中的風化殼含水較大。一般含水微弱，補給主要為大氣降水，由于山區地形差異懸殊，溝谷發育，使裂隙潛水很易排泄，因此，谷坡常見有下降泉溢出。裂隙承壓含水層主要為二疊系山西組和石盒子組數層砂巖及石炭系太原組薄層灰巖，其含水性主要決定于巖層厚度和裂隙發育程度，其富水程度差異很大。主要取決于埋藏條件，其次是與構造及地形條件有關。從垂直方向上看，由太原組往上到山西組、下石盒子組、上石盒子組，鉆孔的單位涌水量逐漸變小。裂隙承壓水除依靠大氣降水補給外，還依賴于其他含水層補給，其中以裂隙潛水為主。地下水自西北向東南運動。

圖2 測井深度與脈沖關系圖

4 西曲井田水文地質勘探結果分析

結合西曲井田煤礦實際概況，利用上述新型水文地質勘探方法進行該區水文地質勘探。結果如下：

（1）將西曲井田區含水層依據測量結果并結合含水層巖性特征和賦存條件可劃分為裂隙、孔隙以及裂隙潛水層。供水意義最大的為河谷沖積層，此層地質主要分布于屯蘭河、原平河、汾河等區域，其厚度約為20～30m。巖漿巖、碎屑巖、變質巖等為裂隙含水巖組主要的巖層屬性，其中裂隙潛水含水層其分布主要為30～50m，并且隨地形變化其深度存在較大差異，屬于典型的基巖風化殼。

（2）礦井采空區積水有以下特點：由于煤層傾角較小，為近水平煤層，采空區內積水少；具有較為清楚的標高和工作面開采區間，并且積水量和積水范圍可利用新型勘探技術進行準確、簡便的測量。在采空區下部煤層進行開采時，煤層之間的較小空間為上覆采空區積水提供了有利條件。

5 結 語

本文在詳細分析了瞬變電磁、γ射線找水法等新型水文地質勘探技術基本理論和原理的基礎上，利用該新型技術進行西曲井田煤礦水文地質勘探。實踐表明：FE-803Aγ射線儀以及FE-803Aγ射線儀在西曲井田煤礦水文地質勘探中表現出較強的適用性與可靠性，不僅提高了地質勘探的速度和效率，而且水文地質勘探結果的準確性與可靠性得到了較大提升。