應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)對(duì)屯留煤礦南一采區(qū)賦水性分析

趙志義,張二偉,謝方媛,李利飛

(1.資源學(xué)院 河北工程大學(xué),河北邯鄲 056038;2.潞安礦業(yè)集團(tuán)公司,山西長(zhǎng)治 046204)

瞬變電磁法(transient eletromagnetic method,TEM)[1]具有體積效應(yīng)小、工作效率高、勘探深度大、縱橫向分辨率高和對(duì)低阻體反應(yīng)更靈敏等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用煤礦水文電法勘探中。楊振威等[2]應(yīng)用瞬變電磁法闡明了棗莊礦區(qū)探測(cè)工作面頂板賦水性的特征;劉志新等[3]利用綜合礦井物探技術(shù)在探測(cè)陷落柱中的應(yīng)用,分析了皖北礦區(qū)煤層內(nèi)陷落柱構(gòu)造異常的情況;李全[4]、徐魯勤[5]均采用礦井瞬變電磁探查技術(shù)對(duì)采掘工作面頂板富水性特征進(jìn)行研究。本文結(jié)合屯留礦南一采區(qū)的地形地質(zhì)條件,改進(jìn)了工作布置流程,通過(guò)增大發(fā)射磁矩,并增加其控制數(shù)據(jù),來(lái)提高資料采集的精度;同時(shí)利用正演及反演模型對(duì)比,對(duì)采區(qū)富水性、地層圍巖的電性、斷層及陷落柱的賦水特征進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地處山西省長(zhǎng)治市屯留井田沾尚-武鄉(xiāng)-陽(yáng)城北北東向斷褶帶中段,區(qū)內(nèi)陷落柱、斷層較發(fā)育,構(gòu)造比較復(fù)雜,地層傾角一般為3～8°(圖1)。含煤地層石炭系太原組、二疊系山西組,主要可采煤層為3#、9#、15-2#、15-3#煤層。其中二疊系山西組3#煤層厚5.00～7.25m,一般5.99m,煤層穩(wěn)定可采。9#、15-2#、15-3#煤層位于石炭系太原組,為不穩(wěn)定型局部可采煤層。

研究區(qū)自上而下含水層包括第四系孔隙含水層,基巖風(fēng)化帶含水層,二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組含水層,二疊系下統(tǒng)山西組含水層,石炭系太原組含水層,中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中奧灰?guī)r含水層含豐富的巖溶裂隙水,但富水性不均一:自東向西,隨著灰?guī)r埋藏深度增大,富水性由強(qiáng)變?nèi)?屬于承壓含水層,對(duì)9#、15#煤開(kāi)采有較大影響;二疊系下統(tǒng)山西組含水層含層間巖溶裂隙水,富水性局部較強(qiáng),對(duì)3#煤局部開(kāi)采有影響。

區(qū)內(nèi)主要隔水層組自上而下為:上石盒子組中下部和下石盒子組隔水層組,裂隙發(fā)育較少,為山西組頂部的相對(duì)隔水層組;下二疊統(tǒng)山西組隔水層組,裂隙發(fā)育較差,隔水性能良好;上石炭統(tǒng)太原組隔水層組,裂隙不發(fā)育,透水性差,隔水性能良好;中石炭統(tǒng)本溪組隔水層組,裂隙不發(fā)育,透水性差,為較好的隔水層;奧灰峰峰組上部隔水層,上部巖溶不發(fā)育可以做為隔水層考慮。

2 研究方法

瞬變電磁測(cè)深通過(guò)發(fā)射邊框、發(fā)射頻率、發(fā)射電流、采樣延遲、高壓線影響等試驗(yàn)最終確定其工作方法的施工儀器參數(shù):發(fā)射線框480m×480m、發(fā)射頻率 8Hz、發(fā)射電流 15A、采樣延遲 400μ s、疊加次數(shù)128次。本次工作比例尺為1:2 000,結(jié)合勘探區(qū)實(shí)際情況,測(cè)線呈南北向布置,測(cè)網(wǎng)網(wǎng)度采用60m×40m的網(wǎng)度,即線距為60m,點(diǎn)距為40m。直流電測(cè)深采用180m×200m的網(wǎng)度,即線距為180m,點(diǎn)距為200m。同時(shí)本文結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料,選用GDP-32專配接收探頭及接收機(jī),增大其發(fā)射磁矩,并加密其控制數(shù)據(jù),以提高資料采集的精度。

3 結(jié)果與分析

3.1 地質(zhì)—地球物理特征

綜合分析本次研究區(qū)地層、測(cè)井資料,可得出如下地層電性綜合一覽表(如表1)。根據(jù)表1及地質(zhì)資料得出研究區(qū)地勢(shì)較為平緩,局部地區(qū)發(fā)育少量沖溝,地表地層成層性好,具有良好的淺層電磁法勘探地質(zhì)條件。煤系地層和奧灰?guī)r有層狀分布的特點(diǎn),如果巖層中有充水裂隙或充水巖溶等存在,或受斷層、陷落柱切割,斷層破碎帶或陷落柱含水、導(dǎo)水時(shí),該巖層電阻率降低,會(huì)與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異[6],因此研究區(qū)具有良好的中深部電磁法勘探地質(zhì)條件。

表1 地層電性綜合一覽表Tab.1 Integrative electrical property of the formation

3.2 二維反演視電阻率斷面特征

根據(jù)研究區(qū)等視電阻率斷面圖(圖2)所反映的電性層分布特征,以已知鉆孔對(duì)地電層位的標(biāo)定結(jié)果為依據(jù),結(jié)合工作區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況與巖層地球物理特征,將工作區(qū)內(nèi)各測(cè)線反演電阻率斷面自上而下大致劃分為三個(gè)電性層:第一電性層為表層第四系的松散層,包括表層干砂土、含水砂土層、粘土層,其視電阻率ρτ變化范圍很大,約為(22～400)Ω m;第二電性層反映為石盒子地層及煤系地層(山西組和太原群),視電阻率ρτ約為(36～46)Ω m;第三電性層反映為奧灰?guī)r地層,視電阻率ρτ大于46Ωm 。

3.3 煤層含水性分析

本區(qū)山西組、太原組、峰峰組承壓含水層在區(qū)內(nèi)主要以徑流為主,各含水層在南部水力聯(lián)系較弱,而在北部斷裂構(gòu)造及陷落柱附近水力聯(lián)系密切。研究區(qū)使用微分參數(shù)解釋法,進(jìn)行反演解釋[7],對(duì)斷層導(dǎo)水性的判斷,主要是根據(jù)斷層的富水及視電阻率值變化情況,如果斷層富水且斷層兩盤視電阻率值變化不大,則可能導(dǎo)水,反之,如果斷層不富水且視電阻率值在斷層兩盤變化較大,可能由于泥質(zhì)充填等原因?qū)е聰鄬硬粚?dǎo)水[8]。

結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和鉆孔測(cè)井資料分析,作出3#、9#、15#煤以及奧灰?guī)r底板富含水區(qū)綜合平面圖(圖3)以及全區(qū)富含水面積一覽表(表2)。通過(guò)圖表等資料分析可知:

(1)3#煤煤層頂板的富含水區(qū)域主要分布在測(cè)區(qū)西北部及東北部的1203孔至1205孔一帶,大體呈東西走向。富水區(qū)主要分布在F66斷層?xùn)|北段至X35陷落柱附近。

(2)3#、9#、15#煤層頂?shù)装宓母缓畢^(qū)還分布在測(cè)區(qū)東南部1303孔至1034孔以西。3#煤層頂?shù)装濉?#煤層頂板的富含水區(qū)大體呈南北走向,可連成一片,而15#煤層頂板及底板(15#煤層與奧灰頂界面之間地層)的富含水區(qū)卻為不連續(xù)的幾小塊。

表2 全區(qū)富含水區(qū)面積一覽表Tab.2 Rich and containing water region area of Nanyi Minefield km2

(3)測(cè)區(qū)西南部有幾小塊富含水區(qū),測(cè)區(qū)中部蓮村中段有幾小塊含水區(qū)。

(4)由于斷層及陷落柱的影響,承壓的奧灰水連通了各層的地下水,因而從平面圖可看出,奧灰?guī)r與各煤層的富含水區(qū)基本一致[9]。奧灰?guī)r內(nèi)部的富含水區(qū)域主要分布在測(cè)區(qū)北部的F66斷層和X35陷落柱附近,在測(cè)區(qū)西南角、西南部和測(cè)區(qū)中部蓮村中段有幾小塊富含水區(qū),富含水區(qū)面積從上到下逐漸減小。從圖3中可知,3#、9#、15#煤層至奧灰?guī)r上部地層層位局部含水、富水。

3.4 斷層和陷落柱富水性分析

依據(jù)南一采區(qū)已做過(guò)的三維地震資料,測(cè)區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了斷距大于5m的斷層1條,并發(fā)現(xiàn)陷落柱5 個(gè)。F66、F68、F71及 F77等小斷層和 X26、X35、X79號(hào)陷落柱在各煤層和奧灰?guī)r上都存在富含水區(qū),裂隙發(fā)育程度較好,是導(dǎo)水通道(圖3)。

(1)F66斷層:斷層附近的視電阻率等值線呈低阻反映,為斷層及其附近地層含水所致。從各煤層和奧灰?guī)r上部地層的等視電阻率和富含水區(qū)平面圖推斷,F66斷層附近局部含水,含水區(qū)在斷層?xùn)|段,與X26號(hào)陷落柱相鄰處較富水。該斷層是各煤層和奧灰?guī)r地層的垂向?qū)ǖ馈?/p>

(2)結(jié)合陷落柱的電法測(cè)線等視電阻率斷面圖分析:X26、X35號(hào)陷落柱在測(cè)區(qū)內(nèi)各煤層和奧灰?guī)r層位上都為富含水區(qū),裂隙發(fā)育程度較好,是導(dǎo)水通道;X79號(hào)陷落柱在各煤層和奧灰?guī)r上都存在低阻異常,富含水區(qū)面積從上到下逐漸增大。

4 結(jié)論

1)南一采區(qū) K5石灰?guī)r及K7、K8、K10砂巖裂隙含水層在研究區(qū)東北部、西南部和東南部富水,其富含水區(qū)大體呈南北走向。

2)礦井充水水源主要為3#煤層頂板砂巖裂隙含水層,太原組K2灰?guī)r含水層,15#煤層底部的中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層,導(dǎo)水裂隙帶可觸及K3、K4灰?guī)r含水層。

3)F66斷層和X26、X35、X79陷落柱是各煤層和奧灰?guī)r的垂向?qū)ǖ?受斷層、陷落柱、下伏奧灰含水層影響,構(gòu)造帶附近屬于水文地質(zhì)中等類型。

[1]李貅.瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[2]楊振威,李賢慶,凌標(biāo)燦,等.瞬變電磁法在探測(cè)工作面頂板賦水性中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(1):62-65.

[5]徐魯勤,黃澎濤,馬瑞華,等.瞬變電磁法在新集一礦水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(增1):87,91.

[6]牛之璉.脈沖瞬變電磁法[M].武漢:中國(guó)工業(yè)大學(xué)出版社,1986.

[7]牛之璉.瞬變電磁測(cè)深曲線微分參數(shù)解釋方法[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào),1992,32(2):130-135.

[8]JIANG Z H,YUE JH,LIU S C.Quasi-static transient response of a conducting half-space an approximate representation[J].Geophysics,1979,44(10):1700-1705.

[9]王夕明,張景森,張 靜,等.磁西煤系下巖溶熱水水文地球化學(xué)特征及成因[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,26(3):97-101.