綜合物探技術(shù)在礦山水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

郭成民

(鄭煤集團(tuán)公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

在眾多影響煤礦開采安全的因素中，礦山水文地質(zhì)環(huán)境以及其中的儲(chǔ)水量、水涌道等信息是礦井水文地質(zhì)勘探的重要環(huán)節(jié)，對(duì)礦山周邊水文地質(zhì)環(huán)境做到充分的勘探了解，可以在煤礦采掘過程中避免因?yàn)閷?duì)水文環(huán)境不熟悉而造成采掘生產(chǎn)事故。礦山水文地質(zhì)勘探一直是礦山勘探技術(shù)難題，水文地質(zhì)隱蔽性較強(qiáng)，又具有區(qū)域性特征，通過一種物探技術(shù)難以保障勘探的精準(zhǔn)度。所以，需要采取將不同的物探技術(shù)相組合的方式加強(qiáng)對(duì)礦山水文地質(zhì)環(huán)境的勘測(cè)，彌補(bǔ)不同物探技術(shù)之間的缺點(diǎn)，使勘測(cè)結(jié)果能夠相互印證，從而提升勘測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，提高礦山采掘的安全性。

1 礦井概況

蘆溝礦處在丘陵區(qū)域，地勢(shì)呈現(xiàn)出從東北到西南逐漸降低的特性，地貌起伏比較顯著。蘆溝礦區(qū)主采山西組二1煤，煤層厚度平均值為7.3 m，產(chǎn)量較為穩(wěn)定。根據(jù)前期地質(zhì)勘探結(jié)構(gòu)，礦山范圍內(nèi)斷層裂隙分布廣泛，給地下水遷移和儲(chǔ)存提供了基礎(chǔ)條件。從礦山地下水的情況來看，主要有孔隙水、裂隙水及巖溶水3個(gè)類別。這3種水類里巖溶水是巷道內(nèi)的主要水源，對(duì)礦井煤層采掘的影響度比較大，同時(shí)也是礦上水文地質(zhì)勘測(cè)的主要目標(biāo)。從實(shí)際生產(chǎn)的角度出發(fā)，充分考慮蘆溝礦條件，采用地震勘測(cè)與瞬變電磁2種物探技術(shù)相配合的方式，對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘探。

2 綜合物探實(shí)施方法

2.1 地震勘測(cè)方式

1)勘測(cè)原理。地震勘測(cè)主要由野外數(shù)據(jù)收集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)解釋3個(gè)步驟構(gòu)成。在野外數(shù)據(jù)采集過程中，需要通過人工生成地震激波，激波在不同地層環(huán)境中傳播發(fā)生折射和反射，通過收集回波反射，結(jié)合激波特性進(jìn)行綜合分析評(píng)判，可分析出礦山范圍內(nèi)水文地質(zhì)的詳細(xì)情況。

2)數(shù)據(jù)分析與解釋。礦山煤層的頂部巖石種類主要由砂巖和砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，激波在煤層與巖石層受到阻礙后回波反饋特征明顯，煤層的回波反射強(qiáng)度要高于巖石層。從對(duì)地震激波回波的勘測(cè)與對(duì)比分析，把回波強(qiáng)度、連續(xù)性和相位等物理特征考慮在內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理。與此同時(shí)，結(jié)合地震勘測(cè)位點(diǎn)等信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可以得出礦山煤層分布情況以及相對(duì)產(chǎn)量，斷層特征等地質(zhì)信息。

3)勘測(cè)方法。結(jié)合蘆溝礦的地形地貌特征，在礦山范圍內(nèi)布置了13條地震勘測(cè)管線，沿傾向布置6條主要測(cè)量線和與主要測(cè)量線相互垂直的7條聯(lián)絡(luò)測(cè)量線，測(cè)量線之間的寬度保持在300 m。地震回波數(shù)據(jù)通過6個(gè)規(guī)格相同的檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。地震激波在使用的過程中，主要采取的是不對(duì)稱的方式進(jìn)行，在不同的區(qū)域內(nèi)，激發(fā)的方式有一定的差異，從當(dāng)前使用來看，主要是可控震源激發(fā)、炮震激發(fā)2類。

2.2 瞬變電磁勘測(cè)方式

1)工作原理。瞬變電磁勘測(cè)方法的共走原理并不復(fù)雜，其本質(zhì)就是時(shí)間域電磁方法，其在不接地回線或者在接地導(dǎo)線中接入具有脈沖特征的電流作為場(chǎng)源，觸動(dòng)探測(cè)目標(biāo)感應(yīng)生成二次電流，通過對(duì)二次場(chǎng)的時(shí)間變化特征進(jìn)行勘測(cè)，對(duì)礦山地層特征進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。瞬變電磁勘測(cè)的優(yōu)勢(shì)相對(duì)于其他勘測(cè)方式優(yōu)勢(shì)顯著，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備體積效應(yīng)小、穿透力強(qiáng)等諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還能夠在對(duì)地質(zhì)勘測(cè)的同時(shí)進(jìn)行剖面測(cè)量與探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山水文地質(zhì)環(huán)境的精準(zhǔn)勘測(cè)。

2)數(shù)據(jù)解釋。礦山地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)不同介質(zhì)的電阻差異較大，在通常情況下，灰?guī)r和煤層的電阻要高于其他巖層，而含有水分的斷層和裂隙的電阻率則偏低。與此同時(shí)，在斷層與其他地層的連接處，由于內(nèi)部的破碎物質(zhì)物理特性也會(huì)存在不小的差異：一般灰?guī)r、砂巖等巖石地層的斷層破碎物電阻率偏低，在含水量較大的泥巖和砂巖中電阻率較高。這些巖石反饋出的不同電阻物理特性是瞬變電磁勘測(cè)地層裂隙和含水層的主要工作原理。

3)蘆溝礦瞬變電磁勘測(cè)設(shè)置10條勘測(cè)線路，其中有6條主要測(cè)量線以及7條加密線路，部分線路在設(shè)置上與地震勘測(cè)線相互重合。在勘測(cè)施工前，應(yīng)該做好勘測(cè)儀設(shè)施的實(shí)驗(yàn)性初試工作，保障勘測(cè)結(jié)果的精確性。

3 工程勘探結(jié)果分析

3.1 地震勘測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)地震勘測(cè)回波的分析來看，在西部位置，測(cè)線波線表現(xiàn)出明顯的特征，需要對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)采取交點(diǎn)閉合的方式進(jìn)行處理，地震時(shí)間剖面解釋結(jié)果見圖1。對(duì)地震回?fù)芊治隹梢缘贸觯麄€(gè)礦區(qū)煤層反射表現(xiàn)出較好的連續(xù)性，波組的特征較為顯著。從圖1中可看出，波動(dòng)在樁號(hào)630、750和830附近呈現(xiàn)出明顯的波形扭曲錯(cuò)動(dòng)的特征。對(duì)照礦區(qū)地質(zhì)鉆探資料綜合分析可以推斷出，該區(qū)域?yàn)閿鄬拥刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，在圖1中顯示為F1，F(xiàn)2和F3斷層。

圖1 地震時(shí)間剖面解釋結(jié)果

3.2 瞬變電磁勘測(cè)結(jié)果分析

瞬變電磁勘測(cè)結(jié)果的分析需要與地震勘測(cè)結(jié)果剖面組合分析，電阻斷面圖見圖2。對(duì)圖2的分析可以得出，在標(biāo)高60 m之上，電阻整體表現(xiàn)出較為均勻的分布，這屬于丘陵地形。由于受到地下斷層結(jié)構(gòu)的影響，出現(xiàn)了在橫向方向的較大變化，在60 m之下的方向，電阻率表現(xiàn)出均勻分布，呈現(xiàn)出來的圖像特征與灰?guī)r比較類似。

圖2 視電阻率斷面圖

3.3 綜合物探勘測(cè)結(jié)果分析

綜合2種探測(cè)結(jié)果可以看出，勘測(cè)范圍內(nèi)有25個(gè)斷電和6個(gè)富水地層。斷電的分布范圍大體上對(duì)所有勘測(cè)區(qū)域覆蓋，對(duì)所有解釋斷電進(jìn)行組合分析可以得出，有8條組合式地質(zhì)短程能夠?qū)ΦV區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行基本判斷，勘測(cè)處地層種類和斷層的水文地質(zhì)特征見圖3。對(duì)綜合探測(cè)結(jié)果分析還可以看出，在灰?guī)r分布中存在有能夠承受地質(zhì)壓力的含水層，含水層的分布范圍比較廣，所含水分總量也比較大。在F3和F5斷層的北部區(qū)域，斷層結(jié)合位置，集中儲(chǔ)存著熔巖水，斷層巖層破碎和裂隙的發(fā)育特征造成含水層有相互通道的可能性。在斷層北部和西部，探測(cè)區(qū)域內(nèi)還發(fā)現(xiàn)集中有較大面積的富水層，水源來自灰?guī)r巖溶水。以2種探測(cè)方式的結(jié)構(gòu)分析為依據(jù)，結(jié)合地質(zhì)地貌特征，選取重點(diǎn)部位進(jìn)行打孔勘測(cè)，設(shè)置有2處勘測(cè)孔位。2個(gè)勘測(cè)點(diǎn)均分布在灰?guī)r和斷層的破碎地帶。通過打孔勘測(cè)結(jié)果顯示：打通破碎斷層的巖層后，勘測(cè)厚度超過50 m。結(jié)合礦山勘測(cè)數(shù)據(jù)可以得出：打孔的勘測(cè)結(jié)果與2種物探探測(cè)結(jié)果一致，由此可以得出，此次勘測(cè)礦山水文地質(zhì)條件，無論是在技術(shù)上還是在設(shè)計(jì)上都具有可行性，勘測(cè)結(jié)果可靠。

圖3 綜合探測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

在對(duì)勘測(cè)礦山可勘測(cè)點(diǎn)位信息有著充分把握的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)綜合考慮礦山區(qū)域的水文地質(zhì)特征，并針對(duì)性選取合適的勘測(cè)方式，并對(duì)勘測(cè)方式進(jìn)行優(yōu)化組合，以此來提升勘測(cè)的精準(zhǔn)性，提升礦山開采的地質(zhì)安全水準(zhǔn)。蘆溝礦的礦井坐落在丘陵地帶，由于具有丘陵地區(qū)的顯著地質(zhì)特征，該礦山地表高低起伏較大，且地表土層較厚，地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育程度加大，含水量比較多，通過采取地震勘測(cè)與瞬變電測(cè)勘測(cè)相結(jié)合的綜合性探測(cè)方式，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)匯總分析后，可以測(cè)量出斷層、富水區(qū)域以及其他水文特征。