黔北礦區青龍煤礦瞬變電磁法在探查巖溶含水層特征中的應用

樊 娟

（1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077）

黔北礦區是貴州省6大煤炭生產基地之一，也是貴州省優化煤炭產業和重點發展礦區[1]。本區晚二疊世含煤地層為一套海陸交互相地碎屑巖、碳酸鹽巖含煤沉積[2]，由于其沉積歷史時期所處環境、條件等復雜多變，在煤礦開采實際工作中，經常遇到地下水突然涌水，嚴重者釀成事故，危害極大。

青龍煤礦位于黔北礦區黔西區，二采區北部邊界與馱煤河相鄰，礦區地表巖溶地貌極其發育。由于礦區主采的二疊系龍潭組煤系地層受到上覆玉龍山巨厚灰巖和長興組灰巖復合巖溶含水層的威脅，水文地質條件在貴州最為復雜。同時二采區未來回采遇到重大難題，工作面逐漸鄰近馱煤河水域，礦井整體涌水量呈明顯增大趨勢。

頂板巖溶水害作為“喀斯特”煤礦生產中一種典型地質災害，其形成原因復雜，分布極不規律，僅應用地質學方法預測預報準確度往往較低，要提高準確率，必須結合物探方法[3]。目前國內利用物探方法勘查與巖溶水害有關的問題中，瞬變電磁法因其具備施工快捷、探測深度較大、抗干擾能力強、對低阻體反映靈敏和不受高阻層屏蔽等優點[4-5]，成為應用及研究的熱門。

于景邨等采用井上下雙磁源礦井瞬變電磁法對煤層頂板進行立體探測，對大深度礦井頂板隱蔽致災水體的探測提供了一種新的有效探測方法[6]；張軍，李貅等利用瞬變電磁法探測地下灰巖溶洞取得良好效果，證明瞬變電磁法在巖溶水勘查等應用方面方法有效[7]；薛國強等利用電性源短偏移距瞬變電磁法極大地提高了信號強度[8]；程建遠等引入趨勢面分析技術，消除了瞬變電磁視電阻率數據中背景場的影響，有效地突出了瞬變電磁的弱異常反映[9]；楊天春等通過比較多種物探手段圈定巖溶發育區，發現瞬變電磁法對地下巖溶的反映比較清晰[10]；侯彥威等采用帶約束的正則化反演方法達到提高對不同電性地層精細分辨的目的[11]。技術人員在上述研究中從方法、技術、設備、解譯等多角度不斷優化瞬變電磁法的應用與發展，為礦井水害防治提供了有力的技術保障。

為了整體掌握黔北礦區青龍煤礦二采區頂板巖溶發育情況及水力聯系，以青龍煤礦二采區鄰近馱煤河指定區域為主要研究對象，采用地質分析、瞬變電磁法探查、鉆探驗證3種手段相互綜合驗證的方法來查明測區內頂板復合含水層含（富）水異常區[7]，并對潛在含（導）水通道做出預測，為二采區工作面的安全回采提供科學參考依據。

1 水文地質分析

本次測區位于二采區地段中北部邊界附近，面積1.2 km2。二采區面積為4.6 km2，占井田總面積的16%左右，為一采區的接續采區，處于開拓階段。地勢總體呈南東高、北西低趨勢，區內地表水系發育。

1）所采煤層。二采區主要開采煤層為16號煤層和18號煤層，主要位于二疊系上統龍潭組中上部。16號煤層平均厚度為3.06 m，上距長興灰巖底板平均距離為51.69 m。18號煤層平均厚度為3.56 m，上距16號煤層底板平均距離為21.02 m。煤層結構簡單，一般不含或含1～2層夾矸，夾矸巖性多為炭質泥巖、少數為鋁質泥巖，在采區內屬于穩定煤層。

2）地質構造。青龍煤礦二采區位于礦井西北部的格老寨背斜北西翼，采區西北部及西南部發育有北東西南及東西走向的逆斷層及正斷層，其余地段斷層較少，斷層發育方向、性質受區域構造影響明顯，西北部走向與格老寨背斜褶曲軸向大致平行，西南部構造走向與大沖背斜大致平行；局部發育次一級小褶曲，二采區西南邊緣受這些構造影響較明顯。礦區內產狀多較平緩，總體上呈單斜形態，產狀南西－北東向，傾向北西，傾角一般小于15°，變化范圍多在5°～25°；斷層帶附近地層傾角變化較大，一般變化為10°～70°，受構造影響采區西北部煤層埋藏較深，東南部埋藏較淺。

3）含隔水層。二采區范圍內含水層自上而下分別為：三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙強含水層，二疊系長興組巖溶裂隙中等含水層，二疊系龍潭組砂巖裂隙弱含水層，以及二疊系茅口組巖溶裂隙強含水層等共4層含水層；井田范圍內隔水層共3層，分別為三疊系夜郎組九級灘段粉砂質泥巖相對隔水層、三疊系夜郎組沙堡灣段泥質粉砂巖相對隔水層、二疊系峨嵋山玄武巖組與龍潭組下段泥巖復合相對隔水層。

4）潛在水害分析。結合上述分析及礦井現狀，井田二采區開采時的主要充水水源為大氣降雨、地表水、三疊系夜郎組玉龍山段巖溶裂隙水，二疊系長興組巖溶裂隙水，二疊系龍潭組砂巖裂隙水。直接充水水源為二疊系龍潭組砂巖裂隙水，間接充水水源為二疊系長興組巖溶裂隙水[12]。

值得注意的是，2016年7月，礦方在二采區井底聯絡巷施工的探放水鉆孔，經過2年的疏放水，孔口水壓一直保持在2.5 MPa，目前疏放水鉆孔已經改造成為二采區的飲用水源點之一。綜合分析疏放鉆孔出水層位為長興灰巖，初步判斷長興灰巖層可能發育有導水通道，不排除與地表馱煤河水庫溝通的可能，對二采區后續工作面回采具有潛在的突水威脅。因此查明二采區的巖溶水害富水異常區，保障未來將要開采的21606工作面及鄰近工作面安全回采，對礦井防治水工作意義重大。

2 電法工程測網布置

根據地質資料和瞬變電磁法工作的任務及技術要求，測線的布設原則是盡量垂直于目標體，同時盡可能的避開電磁類干擾源，測線沿馱煤河延展方向布設，以便于斷面資料處理和解釋時對具有導水通道特征的低阻異常區識別和展示。TEM測區布置示意圖如圖1。設計測網密度40 m×20 m，探測區內共設計17條測線，沿西北方向測線編號依次增大，方位角為N56.12°E，坐標點1 621個，最長測線2 560 m，最短測線500 m，總物理點1 698個。

圖1 TEM測區布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of TEM survey area

3 工程成果

3.1 斷面異常分析與解釋

不同巖石具有不同的導電性，一般灰巖電阻率最高，其次為中粗砂巖、粉砂巖、泥巖[13-14]。反演電阻率斷面與測井曲線柱狀對照圖如圖2。

圖2 反演電阻率斷面與測井曲線柱狀對照圖Fig.2 Columnar comparison diagram of inversion resistivity cross section and log curve

將二采區Z4-3鉆孔電阻率測井曲線進行數字化，同時繪制直觀柱狀圖2（a）。圖中采用藍色填充低阻，橙色、黃色填充中高阻，綠色、青色介于高低阻之間，由圖2（a）可見，Z4-3鉆孔揭露地層電性由淺至深的變化規律整體表現為“低阻-高阻-低阻”的變化特征。

通過試驗區反演電阻率斷面圖2（b）。測區淺部為較薄的含有少量砂質的第四系土黃色黏土層；向下至三疊系下統夜郎組玉龍山段，其淺部巖性為泥質灰巖，電阻率值相對較低，下段巖性為石灰巖，電祖率較高；再向下至二疊系上統長興組灰巖，電阻率表現為明顯的高阻；繼續向下至二疊系上統龍潭組含煤地層，電阻率值較低。隨探測深度的增大，縱向電性變化均呈“低-高-低”趨勢，與測井曲線柱狀特征一致。

本次選取測區內特征變化明顯的8號反演電阻率等值線斷面為例，進行分析解釋。8號測線位于測區東南部邊界處，測線長度為2 560 m，地形標高大體呈“波狀”起伏趨勢，煤層表現為兩端低、中間略高的變化特征。反演電阻率等值線斷面圖如圖3。

圖3 反演電阻率等值線斷面圖Fig.3 Inversion of resistivity contour section

由圖3可知，探測深度范圍內地層縱向電阻率值總體上呈“低-高-低”的變化趨勢，斷面縱向電性變化特征與圖2顯示的實際地層電性規律吻合。橫向上在長興灰巖組層位發現7處低阻異常區，分別位于2#～10#、13#～32#、36#～40#、44#～48#、70#～73#、79#～87#及90#～101#測點之間，電阻率等值線扭曲變形明顯，呈低阻異常特征，且部分異常中間有小的弱高阻圈閉間斷，推斷低阻異常區可能與以上位置長興灰巖組地層巖溶、裂隙發育，且相對含/富水有關；在長興灰巖組頂界上方發現3處低阻異常區，分別位于19#～20#、37#～39#及82#～85#測點之間，電阻率等值線呈明顯的斷缺口形態，有連通上下層趨勢，呈低阻異常特征，并具有含（導）水通道的電性反映特征。

3.2 平面異常分析與解釋

本次電法工程探查目標主要圍繞16號煤頂板含水層富水性，重點探測了二疊系長興組灰巖、三疊系夜郎組玉龍山段上部灰巖和下部灰巖及附近地層。由于篇幅有限，本次選取測區內特征變化明顯的二疊系長興組灰巖和三疊系夜郎組玉龍山段下部灰巖電阻率等值線平面為例，進行分析解釋。煤層頂板含水層電阻率等值線平面圖如圖4，疑似含（導）水通道劃分圖如圖5。

圖4 煤層頂板含水層電阻率等值線平面圖Fig.4 Resistivity contour plan of coal seam roof aquifer

圖5（a）反映三疊系夜郎組玉龍山段下部灰巖平面異常區的分布，探測深度為長興組灰巖頂界面以上30 m，共發現異常6處，分別編號為Y下-1～Y下-6號低阻異常區；圖5（b）反映二疊系長興組灰巖平面異常區的分布，探測深度為長興組灰巖底界面，共發現異常6處，分別編號為C-1～C-6號低阻異常區。

圖5 疑似含（導）水通道劃分圖Fig.5 Diagram of suspected water channel containing

Y下-1、C-1和C-2低阻異常區位于測區西南部大片區域，異常強度較強、條帶狀特征明顯，向東南方延展過程中分為兩支。東部異常幅值相對較強，位于二采區井底聯絡巷和飲用水源點的上方區域，由于飲用水源點四季出水量穩定，結合地質資料可知，測區西南部大多鉆孔長興灰巖組鉆井液漏失量較大，且部分鉆孔通過玉龍山段也出現漏失量增大的現象，因此推斷此處異常區連通上下層，有可能接收到地表馱煤河水補給。

C-3、C-4、C-6、Y下-2、Y下-3和Y下-5低阻異常區位于二采區東側，圈閉狀分布特征明顯，范圍相對較大，結合Z3-3鉆孔資料可知，該鉆孔打鉆期間至長興灰巖層位時鉆井液漏失量亦大于15 m3/h，推斷異常區位置巖溶、裂隙發育，且局部可能相對含/富水。

C-5、Y下-4和Y下-6，低阻異常區，位于東北側邊界附近，范圍相對較小，幅值相對較弱，推斷其成因應與局部地層巖溶裂隙富水有關。

總體而言，16號煤層頂板復合含水層富水性極不均一，測區西南部富水性較強，測區東南部富水性一般，測區東北邊界富水性偏弱。通過圖5（a）和圖5（b）對比來看，上、下層位異常基本有對應關系，強異常區條帶特征明顯，這種情況在鉆孔抽水試驗和電法探測成果均能體現，同時證明電法成果與鉆孔抽水試驗成果具有高度吻合性。

3.3 疑似含（導）水通道劃分與分析

根據異常區的地質條件與特征不同，劃分了5個疑似含（導）水通道。其中I、II號異常區條帶狀特征明顯，靠近馱煤河，馱煤河兩側地下水交替頻繁，巖溶作用強烈，巖溶大泉、伏流出口、大型溶洞等大多數分布在河流深切溝谷兩側。同時因為F1正斷層自上而下依次切割了茅草鋪組巖溶裂隙含水層和夜郎組玉龍山段巖溶裂隙含水層，在F1斷層控制下發生水力聯系，且F1斷層與F2支斷層之間有較寬的斷層破碎帶，傾角和斷距均較大，在開采導水裂隙帶影響范圍內，河水將通過F1、F2支斷層的斷層破碎帶與靠近河流兩旁所發育的原生巖溶管道、裂隙與采礦導致的導水裂隙進入礦井，對開采造成充水影響。

III、IV、V號異常區主要位于2#與3#勘探線范圍內，相對于I、II號異常區，異常強度較弱，但是圈閉狀分布特征和垂向條帶較為明顯。分析主要原因，分隔16號煤層頂板復合含水層的沙堡灣泥巖隔水層非常薄，平均厚度僅為6.66 m，而二采區東側又分布著F17、F52、F26斷層等構造，在構造影響作用下，當斷層落差大于沙堡灣段地層厚度時，會使玉龍山段灰巖與長興組灰巖對口接觸時，2含水層發生水力聯系，導致局部含（富）水較強，可能對礦井開采產生較大的充水影響。

綜合分析認為I、II號異常為目前二采區煤層頂板復合含水層富水性的主要異常區，建議將此2處異常區作為近年防治水的重點區域，防治思路以垂向巖溶通道的探查與治理為主，結合井下工作面疏水降壓工程，同時采用物探和鉆探相結合的方式，實現工作面的安全開采[13-15]。

4 鉆探驗證

根據探測成果，針對I號與II號異常區設計T1-1～T1-3、T2-1～T2-6，共9個鉆孔對異常區進行驗證。鉆孔布置示意圖如圖6。

圖6 鉆孔布置示意圖Fig.6 Diagram of borehole layout

I號富水異常區在21606底抽巷共設計施工鉆孔3個，累計進尺357.3 m，放水總量為3 322.8 m3。I號富水異常區探查鉆孔初始水量小且下降明顯，放水60 d之后觀測已無水。根據涌水量下降速度及累計出水量進行分析，I號富水異常區充水水源為上部長興灰巖巖溶溶穴－裂隙水，為靜儲量水，無穩定補給水源。

II號富水異常區在21606運輸巷共設計施工鉆孔6個，累計進尺521.3 m，放水總量達42 766 m3。6個鉆孔初期均出現涌水，目前鉆孔總涌水量仍穩定在5 m3/h，證明II號富水異常區充水水源穩定，充水通道通暢，同時鉆探驗證結果表明，電法探測結果真實可靠。異常區鉆孔驗證情況見表1。

表1 異常區鉆孔驗證情況Table 1 Drilling verification in abnormal areas

5 結語

本次電法工程探查目標主要圍繞16號煤頂板含水層富水性，重點探測了二疊系長興組灰巖、三疊系夜郎組玉龍山段上部灰巖和下部灰巖及附近地層含水地質構造的分布特征、上下連通情況及富水性平面分布規律。根據數據資料成果，對各地層進行了若干個低阻異常區的劃分及邊界圈定，分析發現5處異常區，綜合分析認為I、II號異常區為目前16號煤層頂板的主要異常區。經過現場鉆探驗證，驗證結果與探測結果具有較高的重合度，應用效果良好。通過本次勘查，準確圈定了頂板復合巖溶含水層富水區，不僅為黔北礦區受頂板巖溶水害威脅的煤礦后續防治水工作提供了可靠依據，還證明采用地面瞬變電磁法探測巖溶含水層富水區的賦存位置及展布情況，是一種行之有效的物探方法，為煤礦山的安全生產提供技術保障。