綜合物探法在調查煤礦采空區積水中的應用

張元剛

（山西省地質勘查局二一二地質隊有限公司，山西 長治 046000）

1 地質概況

勘查區位于長治盆地邊緣，位于太行山西麓中段，屬黃土低山丘陵地貌，第四系黃土覆蓋，地形較簡單。勘查區總體呈向北北東—北—北北西傾伏的向斜構造。勘查區屬海河流域漳河水系濁漳河支流，區內無地表水系，沿溝谷有季節性洪流或煤礦排出的地下水流過。由于煤層大面積開采，淺部地下水多被疏干。勘查區內主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，可采煤層為山西組(P1s)3號煤層及太原組(C3t)15號煤層，存在多處小窯及老窯采空區。

2 目的任務

本次工作主要目的是采用地面物探手段探測勘查區范圍內3#、15#煤層采空積水區的分布情況及煤層上覆含水層的富水情況，為對勘查區域內各采空積水清楚、水量估算準確、上下組煤層間水力聯系情況提供可靠依據。

3 工作情況

3.1 理論依據

測區內各地層存在明顯的電性差異，橫向上區內地層沉積相對較為穩定，其橫向上電性差異應較小。但同一地層隨富水程度的不同，其電阻率差異明顯，變化范圍較大，這一電性差異是利用瞬變電磁法尋找同一地層中異常地質體的基礎。斷電后二次場衰減到一半時所對應的半衰時的大小在含水巖體上半衰時通常以高值異常形式出現，斷電后某一時間段的二次場的積分平均值與二次場第一個采樣值的比值是衰減度，該參數在含水地段也呈高值反應。就整個工作區來說，局部地段的地形及地物會對物探勘查造成一定的影響，靠近高壓區及游散電流也會有一定的影響。綜合評價，本區表、淺層電性條件復雜，中、深層電性條件良好，屬于電性條件較復雜的地區。

3.2 工作區物理特性

根據此區域內以往的物探成果及類似地區的地層、鉆孔和測井資料，可得出如下綜合地層電性一覽表（見表1）。不同巖層具有不同的導電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖其電阻率值依次增高。煤系地層有層狀分布特點，在橫向上導電性相對均一，縱向上視電阻率的變化規律基本一致。形成采空區后，如果采空區內不積水，一般反映為高阻異常；若采空區積水礦化度不高時，反應為高阻異常；若積水中溶解了較多的可溶性礦物，存在大量導電離子，則積水采空區呈現為低阻。灰巖在致密完整的情況下，視電阻率相對較高，如果灰巖中有充水裂隙、巖溶等構造存在，或受斷層切割，破碎帶含水、導水時，由于水體良好的導電性，使該區域與圍巖產生明顯的電性差異，這就是用電磁法進行采空區及積水范圍探測的地球物理前提。

表1 綜合地層電性一覽表

3.3 試驗及施工參數選擇

（1）瞬變電磁法：考慮勘探區內目的層埋深變化較大，根據目的層深度、實地踏勘情況及勘探范圍大小等，工作裝置采用大定源回線，測網線距40m，點距20m。單點試驗位置處于地質較完整的部位，應處在沒有構造、沒有已知采空區、地表沒有強干擾的部位。在GDP-32瞬變電磁儀開始工作之前對儀器進行自檢工作，狀態及性能良好，能滿足野外生產要求。通過選擇不同的裝置參數組合進行數據采集，對數據進行分析、計算，繪制不同參數條件下的電位衰減曲線，再結合測點的實際地質以及噪聲情況，最終選定適合勘查區瞬變電磁法工作參數如下：勘探的發射電流為17A，發射頻率為16Hz，發射線圈為480m×320m單匝回線發射，接收線圈采用等效面積為10000m2的探頭，疊加次數128次（在干擾較大的區域適當增加到512次），以每一發射回線中間約1/9面積所包含的測點范圍內施工。

（2）激電測深法：測量點位根據瞬變電磁勘探劃分的異常形態及地質要求確定，選取北測區120、160、200、480四條測線進行激電測深工作，選用重慶儀器廠生產的DZD-6型多功能直流電法儀進行數據采集，測量電極使用同廠配置的硫酸銅不極化電極，供電電極使用自制的鐵電極。采用對稱四極測深測量裝置，采集視電阻率Rs值、視極化率M值、半衰時TH值、衰減度D值及綜合參數值Zp以及電流I和電壓V的平均值等數據。儀器參數設置及依據瞬變電磁解譯成果，選用的參數為：正反向方波供電，供電周期4s，疊加次數1，延遲時間100ms，寬度20ms，裝置方法與電極距為：AB/2：3、5、7、10、15、22、34、50、70、100、150、220、340、500、600；MN/2：1、5、20、50。

3.4 數據采集及質量檢查

瞬變電磁面積性測量共分二個測區，北測區控制面積0.44km2，完成瞬變電磁勘探測線17 條，物理點601 個，試驗物理點36 個，檢查點53 個，累計完成生產點690 個。南測區控制面積0.22km2，完成瞬變電磁勘探測線10條，物理點309個，試驗物理點25 個，檢查點23 個，累計完成測量點357 個。兩個測區實際完成瞬變電磁勘探面積0.66km2，共計完成生產點1047個。激電測深在瞬變電磁勘探推測的低阻異常段完成測深點54個，質量檢查點2個，檢查率3.7%。

4 資料解釋

4.1 瞬變電磁法斷面圖解釋

經過對測區內測線進行數據整理，制作相應參數斷面圖，結合個點所在位置煤層埋深情況，對各斷面情況進行分析解譯。現就600N線視電阻率斷面圖（見圖1）進行詳細解譯：斷面圖縱向上反映視電阻率由淺到深的變化情況，基本呈由低到高的電性特征。圖中的低阻為第四系地層及基巖風化帶、二疊系砂泥巖互層的反映，山西組下部的煤層位于低阻向高阻的過渡帶上。下部視電阻率呈梯級增高，等值線較為緊密，為石炭系泥砂巖、煤層、灰巖—奧陶系頂界地層的反映。從橫向上看，在小號點附近視電阻率等值線出現明顯錯動，為北仙泉斷層的反映（圖1中細虛線）。3號煤層位置的580～780 點呈現相對的低阻區（圖1 中細虛線橢圓區域），推測為3號煤層采空區積水或巖層破碎、裂隙發育含水引起的反映。15 號煤層位置的550～600 點、660～760點呈現相對的低阻區（見1圖中粗虛線橢圓區域），推測為煤層頂板巖層破碎、裂隙發育含水或采空區積水引起的反映。測線的其他地段視電阻率等值線較為平緩，與各煤層底板形態基本一致，無明顯異常反映。北仙泉斷層附近沒有低阻異常。

圖1 600N線視電阻率斷面圖

4.2 瞬變電磁視電阻率順層切片圖解釋

為了解勘探區內低阻異常的空間分布情況，對3號煤頂板、3號煤、15號煤層頂板以及15號煤層位進行視電阻率順層切片。15 號煤層標高位于760～840m，K2灰巖厚6.45～8.21m，平均為7.33m，K2 灰巖距15 號煤層小于1m，為15號煤層的直接頂板，3號煤層標高位于910～970m。3 號煤層頂板含水層距離3 號煤層約10m。

各層視電阻率順層切片圖中虛線所圈范圍為各層位在平面上的相對低阻異常區，其中：北測區3號煤層頂板巖層異常區9個，3號煤層低阻異常區13個，15號煤層頂板K2 灰巖低阻異常區4 個（見圖2）、15 號煤層低阻異常區5 個（見圖3）；南測區3 號煤層頂板巖層異常區6 個，3 號煤層低阻異常區8 個，15 號煤層頂板K2灰巖低阻異常區3個、15號煤層低阻異常區9個。

圖2 北測區15號煤層頂板K2視電阻率順層切片圖

圖3 北測區15號煤層視電阻率順層切片圖

4.3 激電測深數據解釋

根據瞬變電磁測量解譯成果，選取異常段布設測深點，激電測深成果主要分析視電阻率值、視極化率值、半衰時、衰減度。半衰時是斷電后二次場衰減到一半時所對應的時間；半衰時大，表示極化體二次場衰減慢、含水量大。在含水巖體上半衰時通常以高值異常形式出現。衰減度是斷電后某一時間段的二次場的積分平均值與二次場第一個采樣值的比值，該參數在含水地段也呈高值反應。在D≥0.4 左右，一般認為有水。綜上所述，在解釋中要結合水文地質條件，多參數配合使用，各參數含水特征異常吻合，基本可以認為含水。

以120 線極化率擬斷面圖（圖4）為例對采集的數據進行分析解譯。視電阻率等值線整體表現為西高東低，僅在880 點出現臺階狀，分析與F8斷層有關；視極化率在AB/2約100m及220m時存在極化率梯度帶，推測該層位存在含煤地層，另在AB/2 約300～420m 以880點為中心位置出現封閉的極化率高值異常，分析與斷層破碎帶有關。通過分析測深點在AB/2為100m及220m的衰減度和半衰時（圖5）可知，800～1040段在含煤地層段富水情況一般，只是在1000～1040點處200m深度左右局部富水。另外在深部340m處，半衰時有明顯異常，推測該深度巖層含水較多，分析為斷層破碎帶或奧陶系灰巖巖溶裂隙發育含水。

圖4 120線電阻率、極化率擬斷面圖

圖5 120線AB/2=100m、200m時半衰時及衰減度曲線

5 地質成果

通過對勘查區范圍內各測線視電阻率斷面及不同層位順層切片的解釋推斷，結合勘查區內的地質、水文資料進行綜合分析，推斷并圈定了勘查區范圍內3號煤層、15號煤層采空積水異常區及3號煤層頂板、15號煤層頂板K2灰巖富水異常區。其中：北測區：3號煤層頂板：劃分出相對低阻異常區9 個，編號為NK8-1～NK8-9，推測為3號煤層頂板K8砂巖裂隙發育或斷層破碎帶含水所致。3 號煤層：劃分出相對低阻異常區13個，編號為N3-1～N3-13，其中N3-1、N3-2異常位于測區北西FA斷層附近，推測為斷層破碎帶含水所致；N3-3～N3-11 異常位于測區中部和西南部，推測為3號煤層采空區積水或塌陷冒落帶充水的反映，局部為井下巷道干擾所致；N3-12、N3-13異常位于測區東南15號煤層井巷揭露的F8逆斷層附近，推測為斷層破碎帶含水或采空區塌陷冒落帶含水所致，局部為井下巷道干擾所致。15 號煤層頂板K2 灰巖（見圖2）：劃分出相對低阻異常區4個，編號為NK2-1～NK2-4，其中NK2-1位于F8斷層附近，故推測各低阻異常為15號煤層頂板K2 灰巖巖溶裂隙發育富水或斷層破碎帶含水所致，局部不排除為上部3號煤層采空區積水的影響。15 號煤層（見圖3）：劃分出相對低阻異常區5 個，編號為N15-1～N15-5，其中N15-1、N15-2、N15-3 位于15101和15102工作面采空區范圍，推測為15號煤層采空區積水的反映，其它異常推測為上部3號煤層采空區積水及頂板K2 灰巖富水區影響所致。南測區：3 號煤層頂板：劃分出相對低阻異常區6 個，編號為SK8-1～SK8-6，推測為3號煤層頂板K8砂巖裂隙發育或斷層破碎帶含水所致。3號煤層：劃分出相對低阻異常區8 個，編號為S3-1～S3-8，根據走訪調查，本區未開采過3 號煤層，但該區煤層埋深較淺，故推測低阻異常3號煤層上部砂巖含水層或第四系和基巖風化帶含水層的反映，局部為斷層破碎帶含水所致。15 號煤層頂板K2 灰巖：劃分出相對低阻異常區3 個，編號為SK2-1～SK2-3，推測低阻異常為15 號煤層頂板K2 灰巖巖溶裂隙發育富水所致，SK2-1位于FA斷層、F7斷層及X陷落柱之間，SK2-3異常位于F3斷層附近，故不排除其為斷層破碎帶含水的反映。15 號煤層：劃分出相對低阻異常區8 個，編號為S15-1～S15-8，根據調查南測區15 號煤層未開采，推測異常為上部3 號煤層采空區積水及頂板K2 灰巖富水區影響所致。結合3 號和15號煤層的低阻位置發現，各層低阻區域在空間上有一定的重合性，說明3 號煤層與15 號煤層之間的裂隙連通性較好，兩者之間存在水力聯系。

通過對4條瞬變電磁剖面線的激電測深工作，對異常位置從多個與含水有關的參數綜合分析了各剖面含水層的位置、埋深及性質情況：本區低阻異常主要為3號、15號煤層采空區積水、煤層頂板巖層水及構造破碎帶引起，其結果與地面瞬變電磁勘探結果基本一致，達到了預期驗證目的。

6 成果結論

本次地面物探勘查采用瞬變電磁勘探和激發極化電測深相結合的方式，解決了測區富、含水區探測與評價問題，推測勘查區范圍內3號煤層、15號煤層采空積水及頂板巖層的富水性及主要富水區域，推斷3號煤層積水區與15號煤層積水區存在一定的水力聯系。方法選用合理、技術手段先進、野外試驗充分、施工方法和技術措施得當、數據處理精細，取得了可靠、高質量的基礎資料。

7 存在問題

受工作區內溝谷、村莊房屋、變壓器、電線、電纜及人為活動等不利因素影響，對勘探測點點位的偏差，對數據采集存在一定的干擾，造成局部數據質量下降，本次勘查工作對斷層及煤層頂底板含水層富水性的分析解釋均為靜態和定性解釋，由于測區內水文資料較少，對富水區的解釋造成一定的不利影響。劃定的富水異常區是視電阻率的相對較低值區域，由于視電阻率變化受多種因素影響，視電阻率低阻區可能不是水文地質上的富水區，但鑒于勘探區低電阻率區域主要是因為裂隙含水造成的實際情況，報告中仍依據視電阻率高低來劃分富水區。