巨厚含水層富水性探測關鍵技術及應用

黃 倩，王施智，沈福斌

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西西安 710005)

0 引言

提前探查煤層上覆含水層富水性工作對防治礦井水害顯得日益重要。傳統(tǒng)的地球物理方法在煤礦水害勘查工作中得到應用的同時，新的物探方法不斷涌現(xiàn)。瞬變電磁法由于具有垂向及橫向分辨率高、受地質噪聲影響較小等優(yōu)點，在煤礦防治水領域得到廣泛應用。因此，為了預防水害事故，瞬變電磁法在探查巖層水體工作中有一定的優(yōu)勢。

1 工作原理及裝置

瞬變電磁法(簡稱TEM或TDEM)，是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(圖1)，在一次脈沖場間歇期間利用回線或電偶極接收感應二次場，該二次場是由地下良性導電地質體受激勵引起的渦流所產生的非穩(wěn)定電磁場，從而解決有關地質問題的時間域電磁法。就方法機理來講，頻域電磁法和時間域電磁法是相同的，兩者都是研究電磁感應二次場。但是，由于時域方法在一次場不存在的情況下觀測二次場，主要的噪聲源不同于頻域方法，就此而言，兩者不等價，時域方法顯示出更多的優(yōu)點，比較突出的優(yōu)點有以下方面:①由于觀測純二次場，自動消除了頻域方法中的裝置耦合噪聲主要噪聲源，其噪聲源主要來自外界，如天電及人文電磁干擾;②時域方法對于導電圍巖和導電覆蓋層的分辨能力優(yōu)于頻域方法，并且測量方法技術既簡單又快，更適合勘探工作的需要;③在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常;④一般采用的裝置為同點裝置的大定源內回線形式進行觀測，勘探的測地工作要求簡單，工效高。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

瞬變電磁法與其它電磁法相比，具有體積效應小，異常響應強，形態(tài)簡單，分層能力強，有較強穿透高阻覆蓋層的能力，剖面測量和測深工作同時完成，提供了較多有用的地質信息。同時該方法對低阻反映靈敏，體積效應較小，故易于突出低弱的電阻率異常，方便劃分含水層的富含水區(qū)。

2 探測數(shù)據(jù)采集、處理及解釋

2．1 數(shù)據(jù)采集

瞬變電磁數(shù)據(jù)采集儀器:美國ZONGE公司研發(fā)的GDP-32II電法工作站，信號發(fā)射采用與之配套的ZT-30發(fā)射機。

施工參數(shù):發(fā)射線框480 m×480 m、發(fā)射頻率8 Hz、發(fā)射電流 16 A、采樣延時 450 μs、疊加次數(shù)64次。

2．2 資料處理

TEM資料處理工作流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)合成:按采樣時間間隔給出的原始數(shù)據(jù)進行合成，確定適當?shù)淖畲箢l點間距和密度。

小波去噪:對原始數(shù)據(jù)進行小波濾波。

S變換去噪:對原始數(shù)據(jù)進行S變換濾波。

曲線的平滑與光順:去噪和合成后的衰減曲線，根據(jù)情況做進一步的平滑和光順處理。曲線圓滑處理前后對比如圖3所示。

圖2 瞬變電磁法資料處理流程圖

圖3 曲線圓滑處理前后對比圖

地形影響校正:由視電阻率—深度剖面圖(必要時利用視電阻率平面圖)，結合已知地質構造，含水層的厚度及地形圖進行綜合分析，確定是否存在地形影響，若有，則用比值法或空間濾波法進行校正，消除地形因素的影響。并繪制視電阻率等值線斷面圖，最后依據(jù)含水層的巖性變化特征抽取相應層位的視電阻率值繪制平面異常圖。

2．3 資料解釋

收集勘探區(qū)相關的鉆孔、測井、地震、水文等已知資料進行分析(圖4)，突出具體特征，歸納普遍規(guī)律，確定標志層位，標定探測深度，圈定異常范圍，并以剖面圖和視平面圖相結合的辦法，兩者相互驗證、相互補充，立體反映勘探區(qū)內地層電性及目標體分布特征;隨之是異常確認和可靠性評級，即通過以往物探、鉆探、水文等相關資料，運用地質理論進行綜合地質分析，去粗取精，去偽存真，從中提取出有用的地質信息，并通過建立特定的數(shù)學地質模型，總結和研究勘探區(qū)范圍內的褶曲、裂隙、斷層等構造發(fā)育和煤層厚度變化等地質規(guī)律，反過來對勘探成果進行分析對比，進一步細化資料解釋，得出符合地質規(guī)律的解釋結果，最后進行合理的地質推斷，以達到提高解釋精度的效果，如圖5所示。

圖4 已知資料的綜合分析利用

圖5 含水層富水性解釋流程圖

3 地面瞬變電磁技術應用

3．1 地質背景

地層特點:探查區(qū)內地表大部被現(xiàn)代風積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，局部地段見有新近系紅土出露。根據(jù)鉆孔揭露及地質填圖資料，勘探區(qū)內地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)，第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統(tǒng)風積沙。

構造特點:探查區(qū)地層總體為一走向為走向NNE，傾向NWW，傾角不足1°的單斜構造，局部有寬緩的波狀起伏，其軸向大致為NW向，主要表現(xiàn)為西部兩翼波長較短，約6 km，波幅約20 m，波谷底寬約2 km。東部波長較長，約12 km，波幅約10 m，波谷底寬約4 km。由西向東呈過渡狀態(tài)，從而在平面上形成中部為喇叭狀凹型地勢。

煤層:目的層為2－2號煤層，賦存于延安組第四段頂部，厚度3．29～8．06 m，煤層底板標高 890～1 015 m。

水文特征:探查區(qū)內開采2－2煤層后產生的冒落帶最大高度23．03～56．42 m，導水裂縫帶高度98．70 ～241．80 m，上覆基巖平均厚度約 345 m，風化巖基巖裂隙承壓水為礦井直接或間接充水水源，安定組基巖裂隙承壓水為礦井直接或間接充水水源，直羅組基巖裂隙承壓水及延安組第五段裂隙承壓水為礦井直接充水水源。

3．2 基巖風化含水層富水性解釋

圖6為基巖風化含水層富水性解釋成果圖。該例中風化巖厚度5．77 ～40．09 m，平均厚度24．6 m。風化程度及基巖巖性制約風化巖厚度變化較大，風化巖中巖體結構較疏松破碎、風化裂隙發(fā)育，含水巖性以中、細粒砂巖為主。根據(jù)風化巖基巖含水層抽水試驗資料記錄:統(tǒng)徑統(tǒng)降單位涌水量q=0．001 5～0．348 22 L/s·m，該含水巖段富水具有不均一性，富水性弱至中等。

圖6共解釋富水異常3處，編號分別為1、2、3號。其中1號異常為中等富水異常;2號異常為相對強富水異常;3號異常為相對強富水異常。據(jù)3號富水異常內BK4-2、BK1-2號鉆孔抽水試驗，單位涌水量分別為 0．205 0、0．348 2 L/s·m，此異常為中等富水，由此說明解釋成果可靠。

3．3 砂巖含水層富水性解釋

圖7為煤頂板上20 m附近砂巖富水異常解釋成果圖。該例中，以煤層頂板延安組砂巖含水層進行分析研究，其巖性多以中、細粒砂巖為主，局部粗粒砂巖，厚度變化較大，為 65．18～190．55 m，平均厚度119．22 m。據(jù)鉆孔簡易抽水資料，該層屬裂隙承壓水，富水性弱～中等的含水層。

圖7共圈定富水異常區(qū)3處，分別為1、2、3號異常。其中1號異常位于勘探區(qū)西北部，此處煤層底板較低，砂巖厚度大，富水性相對較強;2號異常位于勘探區(qū)的中部偏北，富水性中等;3號異常位于勘探區(qū)的中部，為相對弱含水區(qū)域。根據(jù)掘進揭露資料，距離19聯(lián)巷(3 010 m)處34 m范圍內，頂板淋水較大，出水量達到0．17 m3/h。由此說明解釋成果可靠。

圖6 基巖風化含水層富水異常解釋成果圖

圖7 煤層頂板上20 m附近砂巖富水異常解釋成果圖

4 結論

(1)勘探區(qū)內，若層位分布穩(wěn)定、不受低阻富水區(qū)域影響，則電性分布穩(wěn)定，視電阻率值不會產生明顯的畸變，在成果圖上表現(xiàn)為視電阻率值分布穩(wěn)定，等值線分布均勻、平緩;反之，若地層含有相對低阻富水區(qū)時，電性的均勻分布規(guī)律被打破，反映在平面圖上為低阻異常區(qū)呈現(xiàn)視電阻率值減小，等值線扭曲、變形為圈閉、半閉合或呈密集條帶狀等。

(2)通過對瞬變電磁方法數(shù)據(jù)處理及資料解釋，結合已知鉆孔、測井、地震、水文等地質資料，進行綜合分析研究，解釋煤層上覆巨厚含水層的富水性，經(jīng)鉆孔、巷道揭露等驗證，表明該方法解釋成果可靠，效果明顯，為目前煤礦防治水工作中行之有效的物探方法，可為煤礦安全生產保駕護航。