瞬變電磁法在煤層頂板含水層富水性勘查中的應用研究

劉江斌

(陜西陜煤曹家灘礦業有限公司,陜西 榆林 719000)

為了查明曹家灘井田首采區2-2煤上覆延安組、直羅組、安定組及基巖風化帶富水異常區的分布范圍、相對強弱特征等水文地質情況,為井下巷道掘進及采區工作面的防治水工作提供科學依據,采用地面瞬變電磁勘探技術[1-4],勘查了煤層頂板含水層富水性,共完成測線62條,控制面積15.62 km2,物理點共計21 249個,研究可為礦井設計、建設及生產提供水文地質依據。

1 工程概況

項目采用網度為40 m×20 m的瞬變電磁法,在井田東翼中部12盤區處施工,探查延安組(2-2煤頂板)、直羅組、安定組及基巖風化帶巖層富水異常區的區域分布范圍、相對強弱等特征,地面瞬變電磁法勘探測區位于曹家灘煤礦的東北部,測區范圍由4個拐點圈定,面積約為15.62 km2。測區相對位置如圖1所示。

2 瞬變電磁法

2.1 測線布置

測線的布設原則是盡量沿走向垂直于目標層位的主要構造,同時盡可能地避開電磁類干擾源,便于進行異常的識別和提取[5-8]。測區內地層主要為一單斜構造,測線布置主要垂直于該構造,自西南向東北布置。此次探測設計線距40 m、點距20 m,由東南向西北測線編號依次增大(共計布置測線62條),測線測點布置如圖2所示,圖2中密集的紅色圓點即為測點。

對此次勘探設計工作量及完成工作量中的坐標點、試驗物理點、檢查點和總物理點分別進行了統計。統計結果如下:設計工作量坐標點19 964個,試驗物理點50個,檢查點1 000個,總物理點21 014個;完成工作量坐標點19 964個,試驗物理點85個,檢查點1 200個,總物理點21 249個。

圖2 測線布置Fig.2 Layout of survey line

2.2 儀器設備

此次瞬變電磁法勘探使用V8多功能電磁法探測儀[9-11],如圖3所示。該儀器的主要技術參數如下:輸入阻抗>100 MΩ;補償誤差<0.12‰;分辨率1 μV;功率2 800 W;最大輸出電流40 A;最大供電電壓140 V。

3 探查成果

3.1 風化巖底界附近低阻異常區平面分析

據統計,本目標層電阻率最小值為12.97 Ω·m,最大值為46.04 Ω·m,變化范圍不大。風化巖底界附近低阻異常區平面分布如圖4所示。

測區內基巖風化層中共發現大小低阻異常區4處,分別編號為F-1號低阻異常區、F-2號低阻異常區、F-3號低阻異常區和F-4號低阻異常區,其中范圍較大的有2處。

圖3 V8多功能電磁法探測系統主要設備Fig.3 Main equipment of V8 multi-function electromagnetic detection system

圖4 風化巖底界附近低阻異常區平面分布Fig.4 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near the bottom boundary of weathered rock

(1)F-1號低阻異常區位于測區西部,處于風化巖底界相對低洼處,為水的積聚提供了良好的前提,推斷該低阻異常區為基巖風化層含/富水的電性反映。

(2)F-2號低阻異常區呈圈閉狀位于測區中部,異常區范圍偏小,距離F-1號異常區較近,推斷該低阻異常區應為基巖風化層含/富水的反映特征。

(3)F-3號異常區位于測區東北部邊界附近。根據平面位置來看,該異常區所處位置為122106工作面切眼附近,已知資料顯示,該處探放水孔風化巖層位涌水量較大,推斷該異常區應與其有一定對應關系。

(4)F-4號異常區位于測區東南部。已知資料顯示,該低阻異常區處于風化巖底界相對低洼處,為水的積聚提供了良好的前提,推斷該低阻異常區為基巖風化層含/富水的電性反映。

3.2 直羅組底界上60 m附近低阻異常區平面分析

直羅組底界上60 m附近低阻異常區平面分布如圖5所示,反映了測區內直羅組上部層位低阻異常區的分布情況。據統計,本目標層電阻率最小值為21.56 Ω·m,最大值為48.16 Ω·m,變化范圍不大。結合前述瞬變電磁法勘探異常劃分方法,將該層平面圖中低阻異常閾值定為32.8 Ω·m,即小于該值的區域為相對低阻異常區。

圖5 直羅組底界上60 m附近低阻異常區平面分布Fig.5 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near 60 meters above the bottom boundary of the Zhiluo Formation

測區內基巖風化層中共發現大小低阻異常區5處,分別編號為Z60-1號低阻異常區、Z60-2號低阻異常區、Z60-3號低阻異常區、Z60-4號低阻異常區和Z60-5號低阻異常區,其中范圍較大的有3處。

(1)Z60-1號低阻異常區呈條帶狀分布于西部測區邊界位置附近,且有向測區外延伸的趨勢,范圍較小但異常幅值較強,強低阻異常位于弱低阻異常之中,推斷該低阻異常區為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

(2)Z60-2、Z60-3號低阻異常區位于測區中部,異常區范圍較大,且在異常中部有相互聯通的趨勢。根據該異常區所處位置來看,疑似與上部基巖風化層低阻異常區分布中的F-1號低阻異常區有一定對應關系。由于該位置上部基巖風化層與直羅組之間沒有穩定的隔水層,基巖風化層中的水極易向下導通至直羅組從而使其富水,推斷該低阻異常區應為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

(3)Z60-4號低阻異常區呈圈閉狀位于測區中東部,分為一小范圍圈閉狀的強低阻異常區和一大范圍圈閉狀的弱低阻異常區,分析并對照上下各層位該位置處異常的分布狀態,該低阻異常區主要賦存在直羅組底界上60 m層位中,推斷該低阻異常區應為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

(4)Z60-5號低阻異常區分布于測區東部。已知資料顯示,該低阻異常區異常中心所處位置為122106工作面切眼附近,該處頂板淋水嚴重且探放水孔涌水量也較高,應與該異常區有一定對應關系,推斷該低阻異常區應為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

3.3 直羅組底界上30 m附近低阻異常區平面分析

直羅組底界上30 m附近低阻異常區平面分布如圖6所示。據統計,本目標層電阻率最小值為30.25 Ω·m,最大值為66.18 Ω·m,變化范圍不大。結合前述瞬變電磁法勘探異常劃分方法,將該層平面圖中低阻異常閾值定為49.51 Ω·m,即小于該值的區域為相對低阻異常區。

圖6 直羅組底界上30 m附近低阻異常區平面分布Fig.6 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near 30 m above the bottom boundary of Zhiluo Formation

測區內基巖風化層中共發現大小低阻異常區5處,分別編號為Z30-1號低阻異常區、Z30-2號低阻異常區、Z30-3號低阻異常區、Z30-4號低阻異常區和Z30-5號低阻異常區,其中范圍較大的有3處。

(1)Z30-1號低阻異常區呈條帶狀分布于西部測區邊界位置附近,且有向測區外延伸的趨勢,范圍較小但異常幅值較強,強低阻異常位于弱低阻異常之中,該異常南部強低阻異常中心所處位置為直羅組底界較為低洼處,為水的積聚提供了有利前提,推斷該低阻異常區為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映。

(2)Z30-2、Z30-3號低阻異常區位于測區中部,異常區范圍較大,且在異常中部有相互聯通的趨勢。根據該異常區所處的位置來看,疑似與上部直羅組底界上60 m附近低阻異常區分布中的Z60-2、Z60-3號低阻異常區有一定對應關系,推斷該低阻異常區應為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映,且與上部有一定聯通關系。

(3)Z30-4號低阻異常區呈圈閉狀位于測區東南部,范圍較小且異常較強,疑似受到了上部直羅組底界上60 m附近低阻異常區分布中Z60-4號低阻異常區“影子效應”的影響,但強低阻異常中心和形態略有差異,所以其低阻異常應是客觀存在的,推斷該低阻異常區為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映。

(4)Z30-5號低阻異常區分布于測區東部,與上部直羅組底界上60 m附近層位中Z60-5號低阻異常區有一定對應關系,疑似存在上下聯通的趨勢。已知資料顯示,該低阻異常區異常中心所處位置為122106工作面切眼附近,該處頂板淋水嚴重且探放水孔涌水量也較高,應與該異常區有一定對應關系,推斷該低阻異常區應為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映。

3.4 直羅組底界附近低阻異常區平面分析

直羅組底界附近低阻異常區平面分布如圖7所示。據統計,本目標層電阻率最小值為45.26 Ω·m,最大值為96.15 Ω·m,變化范圍不大。

圖7 直羅組底界附近低阻異常區平面分布Fig.7 Plane distribution of low resistance anomaly areas near the bottom boundary of the Zhiluo Formation

測區內基巖風化層中共發現大小低阻異常區5處,分別編號為Z-1號低阻異常區、Z-2號低阻異常區、Z-3號低阻異常區、Z-4號低阻異常區和Z-5號低阻異常區,其中范圍較大的有4處。

(1)Z-1號低阻異常區位于西南部測區邊界位置附近,且有向測區外延伸的趨勢,范圍較大且異常幅值較強,強低阻異常位于弱低阻異常之中。已知資料顯示,該異常南部強低阻異常中心所處位置為直羅組底界較為低洼處,為水的積聚提供了有利前提,推斷該低阻異常區為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

(2)Z-2、Z-3號低阻異常區位于測區中部。已知資料顯示,該異常南部強低阻異常中心所處位置為直羅組底界較為低洼處,為水的積聚提供了有利前提,推斷該低阻異常區為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

(3)Z-4號低阻異常區呈圈閉狀位于測區東南部,范圍較小且異常較弱,疑似受到了上部直羅組底界上30 m附近低阻異常區分布中Z30-4號低阻異常區“影子效應”的影響,但強低阻異常中心和形態略有差異,所以其低阻異常應是客觀存在的,推斷該低阻異常區為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

(4)Z-5號低阻異常區分布于測區東部,與上部直羅組底界上30 m附近層位中Z30-5號低阻異常區有一定對應關系,疑似存在上下聯通的趨勢。已知資料顯示,該低阻異常區異常中心所處位置為122106工作面切眼附近,該處頂板淋水嚴重且探放水孔涌水量亦較高,應與該異常區有一定對應關系,推斷該低阻異常區應為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

3.5 延安組2-2煤頂板上50 m附近低阻異常區平面分析

延安組2-2煤頂板上50 m附近低阻異常區分布如圖8所示。據統計,測區內基巖風化層中共發現大小低阻異常區6處,分別編號為2M50-1號低阻異常區、2M50-2號低阻異常區、2M50-3號低阻異常區、2M50-4號低阻異常區、2M50-5號低阻異常區和2M50-6號低阻異常區。

(1)2M50-1號低阻異常區呈圈閉狀位于測區西部,異常幅值較小,該異常所處位置為該層位相對低洼處,為水的積存提供了有利前提,推斷該低阻異常區應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

(2)2M50-2、2M50-6號低阻異常區位于測區中部,分布范圍相對較大,異常幅值較小,推斷2處低阻異常區應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

圖8 延安組2-2煤頂板上50 m附近低阻異常區平面分布Fig.8 Plane distribution of low resistance anomaly areas near 50 m above the roof of coal seam 2-2 in Yan′an Formation

(3)2M50-3、2M50-4號低阻異常區位于測區東部,異常幅值較小,分布范圍相對較小,其中2M50-3號低阻異常區有向測區外延伸的趨勢,推斷2處低阻異常區應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

(4)2M50-5號低阻異常區位于測區西南部,異常幅值相對較小,分布范圍較大,該處發育有一正斷層DF1,推斷該處裂隙較為發育,不排除上部強含水層通過裂隙向下部含水層進行補給的可能性,推斷該處低阻異常區疑似是由于斷層、裂隙發育導致巖性變化或局部含/富水的電性反映。

3.6 延安組2-2煤頂板上15 m附近低阻異常區平面分析

延安組2-2煤頂板上15 m附近低阻異常區分布如圖9所示。據統計,測區內基巖風化層中共發現大小低阻異常區6處,分別編號為2M15-1號低阻異常區、2M15-2號低阻異常區、2M15-3號低阻異常區、2M15-4號低阻異常區、2M15-5號低阻異常區和2M15-6號低阻異常區。

(1)2M15-1號低阻異常區呈圈閉狀零星分散于測區西部,異常幅值較小,該異常所處位置為該層位相對低洼處,為水的積存提供了有利前提。另外,該異常區東側鄰近DF2正斷層,斷層的存在為巖層含/導水提供了有利條件,推斷該低阻異常區應為延安組上部砂巖裂隙發育含/富水的電性反映。

圖9 延安組2-2煤頂板上15 m附近低阻異常區平面分布Fig.9 Plane distribution of low resistance abnormaly areas near 15 m above the roof of coal seam 2-2 in Yan′an Formation

(2)2M15-2、2M15-3號低阻異常區位于測區中部,分布范圍相對較大,異常幅值較小,推斷2處低阻異常區應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

(3)2M15-4號低阻異常區位于測區西南部,異常幅值相對較小,分布范圍較小,該處發育有一正斷層DF1,推斷該處裂隙較為發育,不排除上部強含水層通過裂隙向下部含水層進行補給的可能性,推斷該處低阻異常區疑似是由于斷層、裂隙發育導致巖性變化或局部含/富水的電性反映。

(4)2M15-5、2M15-6號低阻異常區分別位于測區南部以及東部,異常幅值較小,分布范圍相對較小且有向測區外延伸的趨勢,推斷2處低阻異常區應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

3.7 物探成果與實際對應情況分析

對抽取的各個平面中的異常區進行分析后,需要進一步結合鉆孔、水文、地質等相關資料,對測區內由淺至深、縱向以及橫向上異常的變化規律進行進一步總結,分析已知驗證區域的異常變化特征[12-16]。

風化巖底界低阻異常區與底界起伏形態的對比如圖10所示。從圖10來看,青、藍色的低阻異常區大體分布在西部以及東部位置,范圍較大且異常較強。對比風化巖底界的起伏形態來看,異常區大都分布在相對低洼位置處,符合水文地質學中“低處富水”這一原則。

將直羅組由深至淺3個層位的低阻異常區平面分布圖組合成立體展布(圖11),從圖11來看,縱向上,由淺至深異常區由綠色、青色逐漸加深為青色、藍色,表明直羅組層位中的異常區主要集中在直羅組底界附近,且根據井下實際鉆孔揭露,直羅組底界含水性較強。橫向上,在同一含水層位,富水性也并不是均一的,對比穿過測區(圖11中紅色直線為水文地質剖面相對位置)的11-11號水文地質剖面,在代表著直羅組地層(紅色虛線至藍色虛線)的位置,洋紅色相對隔水層與青色相對含水層交錯分布,且橫向上含、隔水層的分布也是非常不均勻的,有的地方可能局部富水,存在局部的垂向聯通性。如圖11中部藍圈范圍內,含水層較厚、隔水層較薄,對應到直羅組低阻異常區平面分布圖中,相應位置處低阻異常幅值相對較強,反映該位置含/富水性也相對較強;而圖11中左側藍圈范圍內,代表隔水層的洋紅色層位相對較厚、含水層較薄,對應到直羅組低阻異常區平面分布圖中時,相應位置處低阻異常幅值相對較弱,反映該位置含/富水性亦相對較弱。所以,直羅組地層異常區分布情況與現有已知資料對應較為良好。

圖10 風化巖底界異常區與底界起伏形態對比Fig.10 Comparison between the abnormaly areas of weathered rock bottom boundary and the undulating morphology of the bottom boundary

圖11 直羅組低阻異常區立體分布與水文地質剖面對比Fig.11 Comparison of three-dimensional distribution and hydrogeological profile of low resistivity abnormaly areas in the Zhiluo Formation

122106工作面頂板探放水驗證情況如圖12所示。根據現場人員描述,探放水孔鉆至延安組時水量較小,在直羅組內水量明顯增大,再向上打到風化基巖層位時水量明顯變大,這也和成果圖中異常區從延安組比較弱、到直羅組異常變強、再到風化巖異常更強這樣一個分布規律有較好的吻合。

圖12 井下122106工作面頂板探放水驗證情況Fig.12 Verification exploration and discharge holes on the roof of underground 122106 working face

此外,在122106工作面切眼位置探放水鉆孔的涌水量較大,尤其是HF1號鉆場的4鉆。其中,HF1-1號鉆孔涌水量最大可達90 m3/h,與電法成果中切眼位置的低阻異常區有較好的對照關系。

井下122106工作面頂板探放水孔涌水量如圖13所示。

圖13 井下122106工作面頂板探放水孔涌水量示意Fig.13 Schematic diagram of water inflow from the roof exploration and discharge holes of the underground 122106 working face

圖13中,藍色區域為工作面內探放水孔涌水量較大區域,紅色區域為相對涌水量較小的區域。其中,距離切眼1.2 km處區域涌水量最大,到中部紅色區域涌水量逐漸減弱,而逐漸靠近大巷位置涌水量又逐漸增大。對應到各層位異常區平面圖中,整體來看,藍色區域(涌水量較大)低阻異常區范圍較大且異常幅值較強,紅色區域(涌水量較小)低阻異常區范圍較小且異常幅值較弱,說明物探成果與已知鉆探情況對應情況良好。

4 結論

(1)對測區內基巖風化層富水異常區進行了探查和分析,共發現低阻異常區4處,低阻異常區面積共計8 184 947.20 m2,分別命名為F-1、F-2、F-3、F-4號低阻異常區。其中,F-1、F-3號低阻異常區范圍較大幅值較強,為該層位主要異常區。推斷4處低阻異常區為基巖風化層含/富水的電性反映,已知資料顯示,鉆孔揭露該層時涌水量較大,富水性較強。

(2)對測區內直羅組地層富水異常區進行了探查和分析,分別抽取了直羅組底界、直羅組底界上30 m、直羅組底界上60 m三個層位的電阻率異常平面圖,各層位平面圖中均發現有5處低阻異常區,且上下之間有一定聯通關系;各層位異常區面積分別為7 728 820.438、5 804 869.907、5 220 686.555 m2,推斷為直羅組地層砂巖含/富水。

(3)對測區內延安組2-2煤頂板附近地層富水異常區進行了探查和分析,分別抽取了延安組2-2煤頂板上15 m、頂板上50 m兩個層位的電阻率異常平面圖,共發現低阻異常區6處,異常區分布相對零散,富水性較弱,推斷為延安組上部地層砂巖含/富水。在巷道掘進期間,主要涉及到延安組弱含水層,在沒有大的斷層或破碎帶的前提下,對掘進影響不大,以靜儲量為主。

(4)測區內主要含/富水層位為基巖風化層和直羅組地層,且與鉆探實際揭露情況相吻合。其中,基巖風化層含/富水性最強,直羅組層位底部異常較強,中上部逐漸減弱,在同一含水層位,富水性不均一;此外,未發現風化巖與直羅組含水層之間的水力聯系。