綜合物探技術在青海魚卡礦區(qū)三號井含水層富水性的應用研究

高國芹

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

青海魚卡礦區(qū)三號井在建井前期已開展過煤田地質(zhì)普查、詳查、勘探，區(qū)內(nèi)煤田地質(zhì)勘探程度較高，在建井階段，由于主井井筒施工揭露了第四系強含水層，出現(xiàn)大量涌水和冒頂垮塌現(xiàn)象，嚴重影響作業(yè)施工并被迫停工。為確保井筒建設安全生產(chǎn)，并為將來的巷道掘進、工作面回采及排水系統(tǒng)設計提出防治水措施及建議，有必要在分析以往資料的基礎上，開展水文物探工作。本文針對青海地形高差較大的干旱沙漠地區(qū)野外數(shù)據(jù)采集的難點，探討開展綜合電法探測煤層頂、底板含水層的富水性以及斷層的富含水性的有效性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬柴達木內(nèi)陸水系、魚卡河與德宗馬海湖流域。魚卡河位于井田南側，該河自東北向西南流入德宗馬海湖，是區(qū)域內(nèi)唯一的一條長年性河流。該河流發(fā)源于達肯大坂山北坡和土爾根大坂南坡，自東向西徑流。中上游河水主要來自山區(qū)的降水和冰雪融水，下游是由魚卡河洪積扇前緣泉水匯集而成的泉集河。井田位于魚卡沖洪積扇的北部，總體地勢呈東北高西南低的趨勢，最高處位于井田東北邊緣高山地貌區(qū)附近的達肯大坂山。

1.1 地質(zhì)概況

井田內(nèi)多被新生界地層所覆蓋。根據(jù)地表出露及煤田鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有奧陶系灘間山群（O3tj）、侏羅系（J）、古近系（E） 及第四系（Q）。

奧陶系上統(tǒng)（Q3）：全區(qū)分布，為本區(qū)含煤巖系的沉積基底，出露于井田北側的達肯大坂山，井田內(nèi)揭露最大厚度634.67 m。

侏羅系（J）：侏羅系中統(tǒng)（J2） 大煤溝組為本區(qū)主要含煤地層，出露于井田東北部及中部；門溝組出露于井田中部及西部，為區(qū)內(nèi)的次要含煤段。侏羅系上統(tǒng)（J3） 采石嶺組井田內(nèi)呈條帶狀分布出露于井田西部，該組水平層理和小型斜層理較多，水動力條件不是很強；紅水溝組出露于井田西部。

古近系（E）：分布并出露于井田中西部，地形上形成中低山。

第四系(Q)：在井田內(nèi)大面積分布，以沖洪積亞粘土、砂土及砂礫石層為主，區(qū)內(nèi)第四系沉積厚度較大，由井田中部侏羅系、古近系地表露頭向南北兩側逐漸增厚。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)水文地質(zhì)條件和對煤層開采影響的水文地質(zhì)因素，自上而下可劃分為第四系松散層孔隙含水層和碎屑巖類侏羅系砂巖裂隙含水層2 大含水層組，后者又細分為侏羅系M5 頂板砂巖裂隙含水層、M6 頂板砂巖裂隙含水層、M7 頂板砂巖裂隙含水層、M7 煤底板砂巖裂隙含水層。綜合水文地質(zhì)柱狀圖如圖1 所示。

圖1 綜合水文地質(zhì)柱狀圖Fig. 1 Comprehensive hydrogeological histogram

第四系松散層孔隙含水層：第四系含水層厚度4.00～559.44 m。北山背斜以南砂卵礫石、含卵礫石、砂礫石所占比例較大；北山背斜以北中粗砂、砂礫石所占比例較大。受山前支溝沖洪積扇的側向滲漏補給，水源較為充沛，富水性中等—強。

侏羅系砂巖裂隙含水層：M5 煤層頂板砂巖裂隙含水層，巖性主要為灰白色細、中、粗粒砂巖，含水層節(jié)理、裂隙局部較發(fā)育，含水層富水性弱，為M5 煤層直接充水來源；M6 煤層頂板砂巖裂隙含水層，巖性主要為灰白色細、中、粗粒砂巖，含水層節(jié)理、裂隙相對較發(fā)育，是弱富水相對較好含水層，為M6 煤組直接充水含水層；M7 煤層頂板砂巖裂隙含水層，巖性主要為細—粗粒砂巖和含礫砂巖，含水層節(jié)理、裂隙不發(fā)育，屬于弱富水層，為M7 煤組的直接充水含水層。

1.3 研究區(qū)地球物理特性

松散巖類含水層主要分布于第四系砂礫石富集區(qū)，孔隙較大，接受補給條件好，可接受大氣降水和地表水補給，富水性較強；砂礫石富集在電性上表現(xiàn)為高阻，而粘土在電性上表現(xiàn)為低阻。沉積巖中各電性層之間、砂巖與砂巖裂隙含水層之間、砂巖與煤層間存在比較明顯的電性差異。

2 物探方法的選擇

目前常用于煤礦井田水文地質(zhì)補充勘探的物探方法有地震和電法。地震主要用于探測構造，電磁法在探測水的方面效果較好。研究區(qū)前期地質(zhì)勘探程度較高，且構造簡單，因此可以不考慮進行地震勘探，而采用電磁法的方法對各含水層進行富水性探測。

電磁法勘探方法種類較多，有高密度電法、直流電測深法、電剖面法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法、可探源音頻大地電磁法、核磁共振法等，而每一種勘探方法均有優(yōu)缺點，綜合考慮研究區(qū)地表及地電條件，最終選擇對低阻反映靈敏、分層明顯的感應類的瞬變電磁法和傳導類的高密度電法2 種方法進行分析研究。

3 應用分析研究

3.1 試驗點選取

試驗點選取原則是人文干擾小、揭露地層最全且有代表性的已知鉆孔作為試驗點，力求試驗工作能代表整個測區(qū)地質(zhì)情況。試驗點最終選擇在已知主、副井涌水點附近。

3.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)采集技術難點及采取的對策

（1） 研究區(qū)中部地形差，鋪放瞬變電磁發(fā)射線框時，測量實放了每個線框的四個邊及拐點，各邊多帶100 m 電纜按照實際坐標鋪放線框，保證發(fā)射線框面積準確。

（2） 針對勘探區(qū)地質(zhì)情況復雜，構造十分發(fā)育，資料解釋難度大，盡量收集已有的地質(zhì)、鉆孔和水文資料等資料，利于資料解釋。

（3） 針對高密度直流電法因地形影響，有些點位電纜難以到達準確位置時就采用引線連接，保障每個點距都是10 m；針對地表接地條件不好，高密度直流電法對每個電極都澆足夠鹽水，個別接地條件不好的使用多個電極。

（4） 針對勘探區(qū)地質(zhì)情況復雜，構造十分發(fā)育，資料解釋難度大，盡量收集已有的地質(zhì)、鉆孔和水文資料等資料，利于資料解釋。

3.3 試驗分析

3.3.1 高密度電法

高密度電法采用溫納裝置，使用了轉(zhuǎn)換電極120 路、4 個電池組360 V 電壓進行試驗，保證探測深度和供電電流，由于接地條件較差，野外數(shù)據(jù)采集過程中對每個測點都澆足夠鹽水、個別接地條件不好的使用多個電極并用以保證電極接地條件符合規(guī)范要求。

高密度試驗線剖面圖如圖2 所示。

圖2 高密度試驗線剖面Fig. 2 Profile of high density test line

從圖2 中可以看出，淺部視電阻率值高低阻分布不均勻，為第四系松散巖類孔隙沖洪積亞粘土、砂土及砂礫石的電性反映，高阻區(qū)域為砂礫石富集區(qū)即富水異常區(qū)。圖中圓點部分為礦方在采掘過程中的涌水點，在高密度剖面解釋成果圖中有明顯反映。

3.3.2 瞬變電磁法

如果在淺部存在一低阻體，瞬變電磁法在對深部資料的解釋中，無論是水平切片還是順層切片，低阻異常的范圍或視電阻率等值線的形態(tài)都非常接近，對深部資料的解釋難度增大。如果采用特殊處理消除低阻屏蔽，將提高資料處理解釋精度[1]。

瞬變電磁法試驗線斷面如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁法試驗線斷面Fig. 3 Transient electromagnetic test line section

從圖3 中可以看出，斷面圖上部等值線呈封閉、半封閉，視電阻率為相對高阻，是第四系沖洪積亞粘土、砂土及砂礫石層的電性反映；下部淺黃色、藍色區(qū)域視電阻率相對較低，是以泥巖為主的煤系地層的綜合電性反映。其中，斷面圖上均可以看出測線中部有基巖出露，其地層在橫向上因風化剝蝕，使其視電阻率值在同深度范圍附近有明顯變化，與已知鉆孔對比，第四系基底起伏形態(tài)基本吻合，圖中圓點部分為礦方在采掘過程中的涌水點，在瞬變電磁剖面解釋成果圖中有明顯反映。

3.4 勘探成果及鉆探驗證

松散巖類含水層主要分布于第四系砂礫石富集區(qū)，孔隙較大，接受補給條件好，可接受大氣降水和地表水補給，富水性較強；砂礫石富集在電性上表現(xiàn)為高阻，而粘土在電性上表現(xiàn)為低阻，因此尋找第四系地層水就要圈定視電阻率值的高阻區(qū)。

沉積巖中各電性層之間、砂巖與砂巖裂隙含水層之間、砂巖與煤層間存在比較明顯的電性差異。在橫向上，沉積地層的電性正常情況下是均一的或變化不大。當存在富水性的斷層構造、含水層富含水或其它良導電地質(zhì)體時（如斷層破碎帶富水，灰?guī)r內(nèi)的充水溶洞、裂隙、巖溶洞穴、斷層、陷落柱、裂隙帶、采空區(qū)等），則表現(xiàn)為相對低阻[2]。

3.4.1 第四系松散層孔隙含水層

根據(jù)物探成果解釋相對富水異常區(qū)與鉆探成果綜合分析圈定了第四系富水異常區(qū)，富水異常區(qū)主要分布在北山背斜以南富水和北山背斜以北Q2- K3- K4 一線，與鉆探抽水試驗特征基本一致。

3.4.2 M5 煤層頂板砂巖裂隙含水層

圖4 為物探圈定M5 頂板砂巖視電阻率等值線平面圖，視電阻率值在65 ～210 Ωm 變化，根據(jù)水文地質(zhì)資料并結合視電阻率變化情況，將視電阻率值小于85 Ωm 圈定為富水異常。富水異常區(qū)Ⅰ位于先期開采地段的西部，位于鉆孔ZK32- 5、ZK32- 6 附近；富水異常區(qū)Ⅱ、Ⅲ位于先期開采地段的中部及東部位于M5 煤風氧化帶邊界處；富水異常區(qū)Ⅳ位于先期開采逆斷層F4 附近，呈北西方向的一條帶。經(jīng)鉆探抽水試驗，該含水層屬弱富水含水層，鉆探驗證準確率達80%。

圖4 M5 煤層頂板砂巖富水異常平面Fig. 4 Water- rich anomaly plan of sandstone in the roof of No.M5 coal seam

3.4.3 M7 煤層頂板砂巖裂隙含水層

圖5 為物探圈定M7 頂板砂巖視電阻率等值線平面圖，視電阻率值在50～185 Ωm 變化，根據(jù)水文地質(zhì)資料并結合視電阻率變化情況，將視電阻率值小于95 Ωm 圈定為富水異常區(qū)。富水異常區(qū)主要分布在2 個區(qū)段，富水異常區(qū)Ⅰ位于先期開采地段南部，集中在斷層F1 及北部，富水異常區(qū)Ⅱ位于先期開采地段的中部，富水面積較大，主要集中在逆斷層F4 附近。經(jīng)鉆探抽水試驗，該含水層屬弱富水含水層，鉆探驗證準確率達80%。

圖5 M7 煤層底板砂巖富水異常平面Fig. 5 Water- rich anomaly plan of sandstone in the floor of No. M7 coal seam

3.4.4 斷層的富含水性

對于富水斷層，其視電阻率值遠小于不富水斷層和周圍不富水地層的視電阻率值；斷層的導水性取決于兩盤巖性及斷層力學性質(zhì)，同一斷層，由于兩盤巖性以及力學性質(zhì)的變化，不同部位的導水性不盡相同。發(fā)育于脆性巖層中的張性斷裂，中心部位多為疏松多孔的構造角礫巖，兩側一定范圍內(nèi)則為張開度及裂隙率都增大的裂隙增強帶，常具有良好的導水能力，斷層兩側視電阻率值變化不明顯；發(fā)育于含水泥質(zhì)較多的塑性巖層中的張性斷裂，構造巖夾有大量泥質(zhì)，兩側的裂隙增強也不如脆性巖層中明顯，往往導水不良甚至隔水，在斷層兩側視電阻率值會發(fā)生較明顯變化[3]。

圖6 為F6 斷層所在瞬變電磁某測線的視電阻率斷面圖。從圖中可以看出，54～55 號點300 ～400 m 有一明顯低阻層為粉砂巖的電性反應，54 ～55 號點600 m 左右有一明顯高阻層為粗粒砂巖電性反應，右上部高阻區(qū)域為粗粒砂巖的電性反應。圖中斜線為F6 逆斷層，斷層帶附近電阻率與周圍地層的電阻率存在明顯差異，分析認為該斷層在M6 煤層頂板砂巖、M7 頂、底板砂巖局部富水。與鉆孔資料基本吻合。

圖6 F6 斷層所在瞬變電磁某測線的視電阻率斷面Fig. 6 Apparent resistivity section of a transient electromagnetic survey line at fault F6

4 結 語

通過在青海魚卡礦開展的綜合電法勘探試驗工作，在主、副井對涌水點進行了探測試驗，并探測了煤系地層主要含水層的富含水性以及斷層的富含水性，物探成果經(jīng)鉆探驗證，準確率達到80%以上，表面在高海拔地區(qū)地表條件復雜情況下的地形高差較大的干旱沙漠地區(qū)，只要采取有效的綜合物探技術對策，可以對含水層富水性進行有效勘查，并取得良好的勘探效果。