大同礦區煤系地層富水性預測CSAMT勘探試驗

張建智

(中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北省涿州市， 072750)

大同礦區是華北典型的雙紀煤田，對基底構造的研究對成煤規律、構造成因、采區工作面合理布置、安全防治水等工作都具有重要的指導意義。龔飛等研究了煤系地層的一維正演并與實測曲線進行了對比, 余傳濤等研究了煤礦隱伏斷層的CSAMT探測效果，宋玉龍等研究了CSAMT探測煤礦采空區的應用效果，于昌明等在大同陷落柱探測中取得了較好的效果。 這些研究針對影響煤礦開采的斷層、陷落柱、采空區等致災因素的CSAMT響應特征及效果進行了討論，研究成果表明煤系地層中構造是影響煤系地層富水性的重要因素。

煤礦富水區預測是關系到煤礦安全生產的重要內容，目前主要采用了三維地震技術解釋導水通道(構造、陷落柱等地質異常)、采用電阻率法(直流電法、TEM等)解釋賦水范圍的方法進行探測，并結合井下巷道揭露情況指導煤礦防治水工作，但對于大同煤田，由于淺層新生界地層電阻率較低，影響了瞬變電磁法和直流電法勘探深度，采用大功率CSAMT進行試驗是解決深部煤層富水性預測的一個思路。本文從煤系地層富水區的控制因素出發，根據三維地震和測井建立數值模型，探討大同礦區煤系地層富水性特征，并據此開展了煤系地層富水性預測的CSAMT測試試驗。

1 地質背景

1.1 區域地質與水文地質概況

大同煤田位于牛心山和口泉山之間，大部分為低山丘陵地貌。區內出露地層有太古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系及第三系、第四系地層，整體為一北東-南西向向斜構造，東南翼窄，地層傾角陡，構造較復雜，西北翼寬廣，地層及構造簡單，如圖1所示。

圖1 大同礦區大地構造綱要圖

區域內河流由北至南依次為十里河、口泉河、

鵝毛口河、小峪河、大峪河、元子河等6條季節性河流，對地下水補給有限，地層含水性從上至下逐漸變弱。奧灰水位線標高在1100～1200 m之間，水文地質條件相對簡單，如圖2所示。

圖2 大同礦區奧灰等水位線圖

1.2 煤層及地質構造

井田內含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系山西組。本次試驗區主采煤層為石炭系太原組5#煤層和8#煤層。根據三維地震成果，區內構造發育，以高角度東西向正斷層為主，測區構造綱要圖如圖3所示。

圖3 井田構造綱要圖

1.3 試驗區地球物理特征

井田內含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系山西組，太原組煤層總厚約為25 m，山西組煤層總厚5.5 m。根據測井數據統計，各個地層電性參數見表1，各地層電阻率差異明顯，具有大地電磁法開展工作的物性條件。

表1 煤巖層電性參數特征表

2 煤系地層CSAMT響應

CSAMT縱向分辨率相對較低，分辨煤層及頂底板比較困難，但煤系地層中由于煤層頂底板電阻率差異明顯，研究煤系地層的電磁響應，有利于利用CSAMT研究煤系地層富水性在縱向的連通關系，指導生產。

2.1 水平層狀大地電磁場正演計算

由麥克斯韋方程得到的Ex、Hy解析表達式為：

采用漢克爾積分變換進行求解計算。卡尼亞視電阻率計算公式為：

(3)

式中：Ex——電場水平分量，V/m；

Hy——磁場水平分量, A/m；

PE——電偶極子在層狀介質表面產生的電磁場，A/m；

λ——采樣頻率，Hz；

i——電流強度，A；

u1——相對磁導率，H/m；

u0——真空中的磁導率，取4π×10-7H/m；

ω——角頻率，(°)；

r——偶極子長度，m；

k1——第一個電性層的波數；

ρ——卡尼亞視電阻率，Ω·m；

J1(λr)——以λr為變量的一階貝賽爾函數。

2.2 均勻半空間CSAMT模型正演

根據試驗目的，在ZK860井附近進行了試驗，并模擬了一維各向同性介質條件下CSAMT的正演響應，所用參數為：發射電極AB=2 km,發射電流10 A，收發距為12 km，根據ZK860測井曲線，模型參數見表2。

表2 模型參數表

ZK860點的正演理論值和實測值對比圖見圖4。從圖4可以看出，理論視電阻率曲線和實測曲線基本重合，理論相位和實測曲線相差較大，這是地下地質條件復雜的特征，由此驗證正演計算可靠，可以指導野外生產和數據反演、解釋。

3 煤系地層富水性預測試驗

為了驗證煤系地層富水性預測CSAMT效果，選擇大同煤田中部的已知構造富水區開展了CSAMT探測試驗。

3.1 試驗區地質特征

試驗線整體為F98、F99控制的地塹，構造發育。整個剖面有4個鉆孔控制，根據測井曲線統計，煤層頂底板與煤層電阻率有一定差異(見表1)，利用CSAMT開展試驗具有良好的地球物理電性前提。

圖4 均勻半空間CSAMT正演結果圖

3.2 工作方法

試驗區煤層埋深在300～450 m之間，可控源音頻大地電磁發射、接收工作頻段為5～3840 Hz，共28個頻點，各頻點在對數坐標軸上基本均勻分布，實際試驗收發距為12 km,發射源長度為1.5 km,發射機供電電流7 A，供電電壓400 V，為保證數據質量，每個點疊加次數為50次，在正式測量前按規范對不極化電極的一致性進行了測試，對儀器和探頭進行了標定。

3.3 數據處理與解釋

在充分收集區內已有地質、水文和相關資料的基礎上，對前期的相關地質報告進行了分析，根據已知鉆孔附近采集的資料，進行地電特征分析，結合本區的地球物理特征，對獲得的資料進行反復認識和推敲，為進一步資料處理和解釋工作提供前提。資料處理主要包括預處理、一維正演和一維反演等工作；預處理包括了畸變點剔除、曲線平滑、靜態校正、近場校正等。

3.3.1 曲線特征分析

試驗線L10線的部分原始視電阻率曲線如圖5所示。中高頻段視電阻率在20～40 Ω·m之間，小于15 Hz低頻部分視電阻率隨頻率降低而逐漸上升，對比視電阻率曲線，試驗線地層可分為二層，上部低阻和下部高阻層，與實際地層結構基本一致。

圖5 L10線實測視電阻率曲線

3.3.2 擬斷面分析

L10線實測數據擬斷面圖見圖6，圖中橫坐標為距離樁號，縱坐標為頻率的對數。由圖6(a)可知，視電阻率從低頻到高頻呈高-低-高特征，整體上頻率在32 Hz附近電阻率呈低電阻，頻率小于20 Hz視電阻率呈逐漸增大趨勢，成層性好。由圖6(b)可知，視相位斷面也有類似的層狀結構，是煤系地層的CSAMT典型特征。

圖6 L10實測數據擬斷面

3.3.3 成果解釋

反演采用了鉆井和測井曲線約束的OCCAM法，最終獲得用于解釋的反演剖面圖。L10線反演電阻率剖面與地震時間剖面疊合的綜合解釋圖見圖7，電阻率為反演電阻率的常用對數值。整體上剖面電性層呈中間低兩側高的趨勢，與本區的地層變化趨勢一致，受F99、F98、DF109和DF325斷層影響，各組地層發生明顯的錯斷，圖中同向軸與電阻率變化趨勢基本一致。

圖7 L10反演電阻率剖面綜合解釋圖

在縱向上電阻率剖面可劃分為6個電性分層：第一電性層位為第四系覆蓋層，呈低阻特征；第二電性層位為二疊系山西組泥巖和煤段，呈高阻特征；第三電性層位為二疊系下石盒子和上石盒子砂巖段，呈低阻特征；第四電性層位為石炭系太原組泥巖、煤層，呈低阻特征；第五電性層位為本溪組地層，呈低阻特征；第六電性層位為奧陶系灰巖段，呈高阻特征。根據剖面電性特征，對比測井曲線，推斷了5#煤層、8#煤層和奧灰頂界面的地層界線。

通過對本區地質資料收集可推斷，斷層中地下水的分布極不均勻，這是由于斷層本身結構的不均勻性造成的，斷層結構的不均勻性同時也造成斷層富水性研究的復雜性。因此，利用視電阻率值判斷斷層的富水性是常用的煤礦采區富水性預測方法。由圖7可知，相對電阻率最低的為本溪組地層，為K1灰巖含水層，測井資料顯示K1灰巖含水層富水性中等，是影響煤層開采的主要含水層。結合電阻率剖面，F99和F98連通第四系、煤系地層和奧陶系，控制了地下水的空間格局，因此斷層水是影響煤層開采的主要影響因素。斷層的富水性與電阻率斷面圖上的低阻異常對應，對斷面上的電阻率異常進行分析認為，F99和F98在5#煤層附近富水性較強。其中F99和F98與上覆含水層連通, F99和F98可能與奧灰連通。

3.4 煤層富水區綜合預測

5#煤層富水性預測圖見圖8。圖中的等值線為順5#煤層電阻率值，巖層富水性評價借助電阻率參數，電阻率低對應富水性強，反之亦然。依據電阻率順層切片，預測5#煤層富水性。通過研究各剖面電阻率斷面圖和5#煤層電阻率順層切片，對5#煤層附近斷層的影響范圍及富水強度進行分類，圖中藍色區域(電阻率80～120 Ω·m)為強富水區域，黃色區域(電阻率150～250 Ω·m)為中等富水區域，紅色區域(電阻率大于250 Ω·m)為弱富水區域，503、504、505工作面回采過程中頂、底板有輕微滲水，DF87斷層富水性差，與CSAMT預測富水性中等基本一致。

圖8 5#煤層富水性預測圖

根據各條斷面電阻率斷面圖和順5#煤層電阻率切片對斷層進行了綜合解釋，F99、F98為區域性深大斷裂，連通煤系地層與奧灰，其他斷層規模較小，導水性弱；在5#煤層附近，F99、DF109、DF170斷層富水性中等，其他斷層富水性較弱；在電阻率斷面上，F99、F98、DF325斷層電阻率畸變特征明顯，屬于較可靠電阻率異常，斷層富水性、導水性分級評價見表3。

表3 斷層富水性、導水性分級評價表

4 結論

目前，采用地面三維地震和瞬變電磁綜合開展煤礦采區富水性探測已經取得了較好的效果，但在地球物理條件比較復雜的礦區，瞬變電磁法在勘探深度和精度上都受到制約。本文通過對比大同礦區煤系地層的CSAMT正演響應與實測數據的特征，開展CSAMT勘探試驗，建立由井約束的精確地電斷面對煤層、構造的富水性進行預測，結果表明：

(1)通過數值模擬，在大同地區，CSAMT能有效識別煤系地層中含水砂層，煤層及奧灰界面，可以作為煤礦采區礦井水文地質勘探的技術手段。

(2)通過大同礦區煤系地層的CSAMT勘探試驗，認為CSAMT方法在影響煤層開采的富水區預測和探測中具有一定的優勢。

在以往的煤系地層CSAMT勘探中，由于奧灰高阻界面的響應與CSAMT近場效應重合，影響了深部勘探的精度。隨著CSAMT技術在理論方面的不斷完善，全區精確電阻率計算的應用為CSAMT解決煤系地層、奧灰富水性評價提供了條件，本次試驗也為深部煤礦富水性預測積累了經驗。