高密度電法在煤礦含水層富水性探測中的應用

王海博，郭 恒

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

陜西彬縣某煤礦屬于大型現代化礦井，主采4號煤層，礦井水文地質類型劃分為“簡單”。目前該礦ZF2404 工作面回采至240 m 時出現涌水，且水量最大達到500 m3/h，較大的涌水量致使工作面多次停采排水，不但嚴重影響回采進度與經濟效益，礦井安全生產也面臨巨大威脅。在已有的勘探資料中，本采區以至整個井田的地質構造和水文地質條件均比較簡單，但ZF2404 工作面長期持續的大量涌水，表明4 號煤局部水文地質條件具有相對復雜性。為保證ZF2404 及后續工作面的順利和安全回采，采用地面高密度直流電法[1]對開采工作面上部主要含水層的電性特征及富水性進行探查[2-3]。

1 研究區工程概況

研究區域位于彬長礦區的東南，隴東黃土高原的東南部，屬陜北黃土高原南部塬梁溝壑區的一部分。測區為涇河臺地與河川地貌，河流切割深度達百米。測區地層按由老到新有三疊系、侏羅系、白堊系、新近系及第四系，主要含煤地層為侏羅系下統延安組4 號煤層。主要含水層為侏羅系層狀裂隙承壓水含水層、安定組（直羅組）層狀裂隙承壓水含水層。

高密度直流電法通過觀測和研究人工建立的地下穩定電場在地面的分布規律來解決礦產資源、環境和工程地質問題[4-5]。該方法具有野外數據的快速和自動采集的特點。與傳統直流電阻率法相比，效率高、信息豐富、解釋方便、探測能力顯著提高[6]。結合測區中有高壓線穿過，電磁感應類方法受電磁干擾影響較大，如瞬變電磁法[7]。而直流電法受電磁干擾較小[8]，同時結合本次主要解決測區淺部低阻松散覆蓋層有關的問題，因此，選擇對淺部分辨率較高，且方法理論較為成熟的高密度直流電法進行探測。測區相對位置示意圖如圖1。

圖1 測區相對位置示意圖

電法探測區地形起伏不大，但施工障礙較多，有東西向橫貫測區的新國道及涇河河道，測區南北兩端各有福銀高速及滬霍公路對電法測線的布置構成一定障礙和限制。根據現場實際條件對電法測點的布設進行了適當的調整，盡可能多的覆蓋和控制目標區域。調整后的電法測區，分為（涇河）南北2 個區域，基本線距20～40 m，點距10 m，各區分別布置高密度觀測剖面8 條。工程任務主要為探查白堊系洛河組含水層的電性變化特征、探查白堊系宜君組含水層的電性變化特征和探查侏羅系安定組頂部地層的電性變化特征。

2 工程成果及其驗證

在視電阻率斷面上，若地層不受富水區或含導水構造影響，沉積有序的含煤地層，其電阻率分布也有與之對應的次序。反映在視電阻率斷（平）面上，等值線呈似層狀分布；當存在低阻異常體（富水區或含導水構造）時，電阻率值降低，等值線表現為圈閉或呈密集條帶等形狀。在彩色視電阻率斷面上約定較深的綠色代表低阻異常（富水區），磚紅色代表高阻異常（不含水或含水性差），顏色遞變與視電阻率的變化相對應。

2.1 斷面異常分析與解釋

據現場踏勘，本次電法探測區域，淺部第四系、新近系地表為薄層黃土、沖積砂層及河卵石、砂質黏土、亞黏土等，電性特征為低阻層。探測的3 個目標層中，洛河組為厚約100 m 的砂巖砂礫巖，宜君組為厚約30 m 的礫巖，安定組上部為厚約50 m 的中粗粒砂巖泥巖互層。3 個目標層均相對含水層，相對于下伏隔水層和煤層呈現為低阻電性特征，層厚、埋深均處于直流電法探測最為有利的分辨范圍。本次選取測區內4 號和14 號測線視電阻率等值線斷面為例，進行分析解釋，測線相對位置示意圖如圖2。

圖2 測線相對位置示意圖

2.1.1 4 線視電阻率斷面異常分析

此測線位于涇河北測區，ZF2404 工作面上方，正北方向，長度600 m，沿線地形平坦緩。據鄰近鉆孔，目標含水層洛河組頂界埋深20 m，厚度100 m；宜君組含水層頂界埋深120 m，厚度30 m；安定組頂界埋深為150 m，厚度50 m。4 線視電阻率斷面圖如圖3。

圖3 4 線視電阻率斷面圖

由圖3 可以看出，視電阻率等值線基本上呈現層狀分布的總體特征。低阻異常體主要分布在測線的南段（40#～60#測點），層位上則主要出于洛河組120 m 深度以上。低阻異常的上下連通性不強。

據已掌握地質資料，測區地質構造簡單，中上部地層未發現明顯的斷裂、褶曲構造，因此，洛河組中的低阻異常應該是砂巖層組裂隙相對發育并含水的地段，45#測點附近有與淺地表水聯系的跡象。低阻異常向宜君、安定組地層延伸發育的跡象不明顯。測線北段、南段局部有零星小異常分布在地表淺部，應與卵石砂礫含水有關，下部安定組的小異常應該也是局部裂隙含水的反映。

2.1.2 14 線視電阻率斷面異常分析

此測線位于涇河南測區，測線方位136°，長度600 m，測區范圍內地形平緩。據已知鉆孔，目標含水層洛河組頂界埋深20 m，厚度100 m；宜君組含水層頂界埋深120 m，厚度30 m；安定組頂界埋深150 m，厚度50 m。14 線視電阻率斷面如圖4。

圖4 14 線視電阻率斷面圖

由圖4 可以看出，中段（15#～30#測點之間）和南段（45#～60#測點之間）發現2 處規模較大的低阻異常，幅度較弱。異常主要位于洛河組下部及宜君、安定組砂巖層位，應為裂隙相對發育的弱含水區域，其中南段異常在淺部砂石卵礫層也有分布，有與淺地表水力聯系的可能。

2.2 平面異常分析與解釋

對白堊系洛河組和宜君組、侏羅系安定組等地層分別進行平面異常分析與解釋。視電阻率平面圖如圖5。

1）洛河組中段電性分布。該平面數據取自洛河組中段（深度70 m 附近），發現3 處低阻異常，由圖5（a）可知：1 號異常區主要位于涇河北測區的南段（40#測點以南），1 線～8 線均有不同程度反映，規模相對較大、幅度較強，有向東向南延伸趨勢；2#異常區位于涇河南測區各測線中段（21#～26#測點之間），垂直測線走向，規模較小，異常幅度弱。其它零散低阻區域未予編號。從整個測區范圍來看，僅有1 號異常范圍相對較大、幅度較強。這些低阻異常應該是洛河組中段砂巖裂隙發育、相對含水的地段。

圖5 視電阻率平面圖

2）宜君組中段電性分布。數據取自宜君組中段（深度120 m 附近），發現4 處低阻異常，由圖5（b）可知：1 號異常，涇河北測區北段，其位置與洛河組1號低阻異常區大致對應，可能有垂向上的聯系，但范圍明顯變小、幅度也明顯變弱；2 號異常區于涇河北測區北段，3 線～5 線、11#～18#測點之間大部區域，異常幅度較弱，與洛河組相比，是新增加的異常；3 號異常區于涇河南測區中段，其平面位置與洛河組2號異常區基本對應，二者可能存在垂向聯系，形狀稍有變化，幅度較強，有向西南方向延伸趨勢；4 號異常區于涇河南測區南段，11 線～16 線、46#測點以南部分區域，幅度較弱，有向東南方向延伸趨勢，與洛河組相比，低阻異常小、散、弱的特征更加明顯，以上低阻異常應該是宜君組中段局部砂巖裂隙發育、相對含水地段。

3）安定組頂部電性分布。數據取自安定組頂部（深度170 m 附近），發現3 處低阻異常區，由圖5（c）可知：1 號異常區于涇河北測區北段，平面位置與宜君組2 號異常區基本對應，范圍略小，幅度較弱，可能存在垂向聯系；2 號異常區于涇河南測區中段，其平面位置與宜君組3 號異常區基本對應，形狀稍有變化，幅度較弱，可能存在垂向聯系；3 號異常區于涇河南測區南段，其平面位置與宜君組4 號異常區基本對應，幅度較弱，有向外延伸趨勢。

2.3 含水性趨勢分析

3 個目標層均發現數量和規模不等的低阻異常，且呈現小、散、弱的總體特征。與安定組相比，洛河組、宜君組低阻異常的范圍和幅度略大。低阻異常表明，各目標層的含水性弱而不均，洛河組、宜君組略強，安定組較弱，在局部裂隙發育地段有一定垂向水力聯系。

從掌握資料來看，本區新近系紅土隔水層巖性穩定，隔水性強，為井田松散巖類與基巖含水層之間的穩定隔水層。侏羅系安定組、直羅組泥巖隔水層也是穩定隔水層。在構造發育簡單、缺乏較大的張型斷層切割以及采掘未曾擾動的原生狀態下，洛河組、宜君組、安定組各含水層之間以及含水層與煤層之間的垂向水力聯系總體較弱，高密度直流電法探測圈定的低阻異常區即是局部砂巖裂隙發育區值得關注。

依據所圈定低阻異常（洛河組1 號異常區）的分布趨勢，在ZF2404 工作面東側、涇河北岸可能還存在一定范圍的低阻區域，涇河南岸也可能有小規模的低阻區域，即與ZF2404 相比，后續工作面水文地質條件是類似的，仍存在不利的水文地質條件或安全隱患，后期礦方在物探低阻異常區提前進行打鉆驗證和疏放水工程，保證了類似工作面的安全開采。

3 結語

1）對測區內白堊系洛河組含水層、宜君組含水層、侏羅系安定組含水層的含富水性進行了探測，圈出了低阻異常區的分布范圍，分析了異常區的分布特征，并結合地質、水文、鉆探和采掘等資料進行了地質推斷。

2）根據水文地質資料結合電法成果對各含水層之間的垂向水力聯系進行了分析推斷。認為白堊系洛河組、宜君組含水層在低阻異常區間局部可能存在垂向水力聯系。但現場踏勘和成果資料中未發現從地表垂直發育完全穿透3 個層位的低阻異常情況。

3）通過本次物探成果結合后期鉆探驗證，確定了該礦ZF2404 工作面及鄰近類似工作面頂板富水區域，后期通過鉆孔及時疏放水，為礦井正常開采提供了安全保障。