地面与井下综合方法探测煤层顶底板富水区

陈国新

（中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司煤炭事业部，银川 750411）

地面与井下综合方法探测煤层顶底板富水区

陈国新

（中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司煤炭事业部，银川 750411）

为查明银星二号煤矿首采区主要含水层富水区分布、构造含导水性等情况，采用了地面瞬变电磁法和井下高分辨电测深法与音频电透视法等地、井结合的方法进行勘探。通过对1131001工作面地上、地下探测成果的分析，认为在工作面范围内，10煤层上覆和下伏各含水层相对富水区的位置具有较好的对应关系，其中在地面瞬变电磁法10煤向上30 m的层位上，存在9、10号视电阻率异常，其平面位置与井下二种方法解释的顶底板富水区基本一致，但三种探测方法的成果图中均无特征显示该工作面范围内存在断层，因此推断10煤上、下层位内的电性异常均为裂隙带富水所致。

地面瞬变电磁；矿井高分辨电测深法；音频电透视法；电阻率异常，裂隙带富水区

银星二号煤矿位于宁夏灵武市东南66 km处，属宁东煤田积家井矿区。虽然矿区进行过大量的地质、钻探和三维地震工作，对煤炭储量、构造等进行了估算和控制，但也存在一些问题和不足，如水文地质工作相对较少，对于生产矿井防治水工作来说还不够。井田内侏罗系中统直罗组、延安组砂岩含水层承压水为煤层开采的直接充水水源。首采区内积家井背斜轴部抬升地层剥蚀地段，导水裂隙带高度发育至松散层底部含水层。上述因素对煤层回采构成很大威胁，根据煤矿防治水规定中“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，为保障银星二号煤矿安全生产，在首采区探查主采煤层顶底板各主要含水层的富水区分布规律、构造含水性和潜在导水通道显得尤为重要。为了更为准确了解影响10号煤层开采的主要水患，决定在首采区采用地面瞬变电磁法和首采面井下高分辨电测深相结合的综合物探手段进行探查，为首采区及首采面（1131001工作面）探放水工作的设计、实施提供参考依据。

1 测区地质情况及地球物理特征

1.1 地质情况

井田全部被第四系黄土所覆盖，属隐伏式煤田。根据钻孔揭露及区域资料，井田地层由老至新依次有：三叠系上统上田组，侏罗系中统延安组、中统直罗组、上统安定组，白垩系下统宜君组，古近系渐新统清水营组和第四系。

井田总体构造格架为走向北北西向的积家井背斜。背斜轴部较为平缓，形态不对称，西翼较为宽缓，东翼较陡，走向上北部宽缓，往南变陡。井田内存在数条断层，其中积家井背斜轴部位于探测区的东部边界附近，DF10和3DF3两个大断层分别位于勘探区的西南和东南角位置。

侏罗系延安组是勘查区内主要含煤地层，最小厚度399.27 m，最大厚度472.09 m，平均厚度435.31 m，含煤层可达30多层，平均总厚度19.96m。其中10煤为主要可采煤层，为中厚-厚煤层，结构简单，属稳定煤层。煤层顶板多为粉砂岩、细粒砂岩；底板岩性以粉砂岩为主，其次为细粒砂岩和少量泥岩。

井田含水层按岩性组合特征及地下水水力性质、埋藏条件等，由上而下划分为以下四个主要含水层：第四系、古近系砂岩孔隙-裂隙潜水含水层（Ⅰ）、侏罗系中统直罗组砂岩裂隙-孔隙承压水含水层（Ⅱ）、侏罗系中统延安组上段砂岩裂隙-孔隙承压含水层（Ⅲ）、侏罗系中统延安组下段砂岩裂隙-孔隙承压含水层（Ⅳ）。

1.2 地球物理特征

不同的岩性具有不同的电性特征。在正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。当存在局部异常体，如岩溶洞穴、断层、裂隙带等，若有导电性水体存在则出现局部低电阻率异常；若无充、导水体存在，则表现为相对高阻异常区。

银星二号煤矿10号煤顶底板均为各种砂岩和泥岩互层，煤层与围岩之间存在较为明显的电性差异（表1），砂岩裂隙富水区、含水断层等均遵循上述规律而表现为相对低阻异常，其电性差异为地面瞬变电磁法、井下音频电穿透法和高分辨电测深法提供了良好的地球物理条件。

表1 一般含煤地层常见岩石电阻率值Table 1 Common coal-bearing strata general rock resistivity values

2 地面瞬变电磁法

2.1 测量参数

本次地面瞬变电磁勘探测区为不规则形状，主要对应首采区地面区域。设计采用40 m×20 m测网密度。根据地质资料，测区主要位于积家井背斜轴部及西翼，容易引起导水威胁的断层或其次生裂隙大多为东西方向即垂直于地层走向，所以布置测线方向平行于地层走向，便于控制裂隙带。全区布置测线41条，其中28—35线位于1131001工作面附近，试验区位于银星二号煤矿积家井背斜轴部附近，具体位置为19～35线的170～174号测点之间。

瞬变电磁法装置选用中心回线装置（图1）。根据试验区10号煤层深度大致为280～400 m，而整个测区10号煤层埋深变化大（90～650 m）的特点，选择240 m×240 m和480 m×480 m进行试验。

图1 中心回线装置示意图Figure 1 A schematic diagram of central loop installation

实验结果表明测区东部煤层埋深较浅区域可以采用240 m×240 m发射线框、8.33 Hz激发频率；中西部煤层埋深较大，可采用480 m×480 m线框、5 Hz激发频率；在煤层埋深达680 m处，可考虑采用600 m× 600 m线框、5 Hz激发频率，施工参数如下：

观测装置类型，中心回线装置；

接收组合道数，60道；

激发频率，8.33 Hz/5Hz；

叠加次数，通常为500次(可变)；

发射回线边长，240 m/480 m/600 m；

接收线圈面积，100 m2；

发射电流，大于14 A；

发射电压，140v。

2.2 正、反演计算

实测瞬变电磁法资料是地下多个不同电性层的综合反映，在原始曲线或原始视电阻率断面图上仅能看出地层的电性变化趋势，而通过对实测资料进行反演计算可解译出真实地层及地质异常体的分布。本文采用一维正反演处理技术测区进行反演处理。

图2为28测线反演前后断面图对比，由图2a原始视电阻率—视深度断面图可以发现，浅部的高阻出现反转现象，受地表盐碱湖的影响，断面图上整体视电阻率值偏低，“影子效应”影响严重，对深部地层信息有屏蔽作用。图2b为反演后断面图，相比原始断面图，反演后强低阻层归位到浅地表，深部减小了地表盐碱湖的影响，使含煤地层中原被“影子效应”淹没的低阻异常突显，另外，断面图水平距离1600～1780 m的10号煤层下低阻异常区也更明显。可见，反演后的结果比较符合地层及其水文地质规律，可信度较高。

图2 28线反演前后断面对比图Figure 2 Comparison chart of line No.28 sections before and after conversion

2.3 视电阻率异常解释

在视电阻率异常平面图上，若层位分布稳定、不受低阻富水区域和含水构造控制或影响的情况下，视电阻率值分布稳定，等值线分布均匀、平缓；反之，若地层含有相对低阻富水区和含水构造时，电性的均匀分布规律被打破，反映在平面图上为低阻异常区呈现视电阻率值减小，等值线扭曲、变形为圈闭或呈密集条带状等。在彩色视电阻率异常平面图上则低阻异常区更为直观，表现为绿或蓝颜色（图3）。

图3 10煤上30m附近层位视电阻率异常分布平面图Figure 3 Apparent resistivity anomalies distribution plan of horizons near 30m above coal No.10

3 井下物探方法

本次井下物探控制区域为1131001工作面轨道回风顺槽1 800 m，轨道运输顺槽2 050 m。

测点布置以切眼为起点，以10 m为点距，回风顺槽编号从0～180，运输顺槽编号从0～205。

3.1 矿井音频电穿透法

音频电穿透设计为两个巷道内同时作业，在一个巷道内固定供电（发射）电极A1、A2，在另一巷道内与其对称点的附近移动测量电极M、N进行扇形扫描接收，达到探测工作面目的。其中发射点的间距为50 m，接收点距20 m（图4）。每个发射点一般对应7～11个接收点。施工时采用F=15 Hz、F=120Hz双频点进行测量。

图4 工作面音频电穿透工作方法Figure 4 Operation of working face audio electrical penetration detection

3.2 矿井高分辨电测深

矿井高分辨电测深是在两顺槽共布置387个物理点，设计点距为10 m。施工在单个巷道内进行作业，选取最小极距20 m，最大极距120 m，固定测量电极M、N，通过移动供电电极A达到由浅到深的目的。如图5所示：

图5 矿井高分辨电测深施工布置图Figure 5 Operation layout plan of mine high resolution electric sounding

高分辨率直流电法，的三极装置进行探测。

3.3 井下物探解释方法

异常划分通常有两种途径来确定：一是根据探测区内已知电性及水文地质条件来定；二是在一个新的矿区，根据对实测曲线的数理统计分析计算得到，根据数理统计学计算出一个异常阈值，低于此阈值的区域可划分为低阻异常区。

图6为1131001工作面顶板上0～70 m岩层平面异常图，该层段内岩层的视电导率值在1.26～33.9 s/m，平均值为13.6 s/m、标准偏差为1.4 s/m。该图为工作面顶板至7煤底板间中粒砂岩及粉砂岩含水层富水性的综合反映。根据异常的划分方法，选取异常的门槛值为15 s/m。在该深度层段上主要有5处异常区，依次标为D1、D2、D3、D4和D5号异常区。

图6 1131001工作面顶板音频电穿透0～70 m异常平面图Figure 6 No.1131001 working face roof audio electrical penetration 0～70 m depth anomalies plan

图7所示为工作面底板下30 m附近视电阻率低阻异常平面图，它反映的是10煤下方11煤层底板附近粉砂岩含水层的富水性特征。从平面图上可以看出该层段低阻异常区主要有4处，依次编号为Z1、Z2、Z3和Z4号异常区。推断上述4处异常区为工作面底板下30 m附近粉砂岩含水层相对富水所致。其中Z1号异常区、Z2号异常区和Z3号异常区为该层位的重点异常区。

图7 1131001工作面底板下30 m附近直流测深异常平面图Figure 7 No.1131001 working face near 30 m under floor direct current sounding anomalies plan

4 综合分析对比

对比图3、图6及图7，可以发现首采区地面瞬变电磁法勘探发现的低阻异常区，与井下高分辨率直流电法发现的处低阻异常区（Z1～Z5）及顶板音频电透视发现低阻异常区（D1～D5）可相互印证。

①Z1号异常区、D1号异常区与T9号低阻区在首采工作面范围内的部分平面位置基本一致。

②Z2、Z3、Z4号异常区、D3和D4号异常区与T10号异常区平面分布位置接近。

③纵向上看T9号异常区在地面瞬变电磁断面图上异常中心主要位于10号煤层下，但Z1和D1号异常区则在10煤层顶底板均有分布，且幅值较强。由于井下物探对地质异常体的深度探查相对更准确，所以综合起来认为T9号异常区应该是10号煤层顶底板均存在。在首采面相应区段的巷道掘进中，也揭露了顶板较强淋水现象。

④地面TEM勘探中T10号异常区在断面图中主要位于10号煤层顶板，而井下物探相应位置的低阻异常区Z2、Z3和D3、D4则显示在10号煤层顶底板均有发育，且幅值均较强，三种方法综合分析认为该区段10号煤层顶底板砂岩均相对富水。

5 结论

地面瞬变电磁法勘探技术可以宏观地圈出从浅部松散层至深部各含煤地层富水区的分布范围和含水构造、富水裂隙发育带等的平面分布位置，即该方法横向上分辨率相对较高。虽然采用了反演处理等技术手段但纵向上层位判定误差仍然较大。而井下物探技术由于距离目标层和地质异常体较近，探查的针对性更强，精度相对更高。针对性强体现在如底板直流电法勘探可以探查巷道底板下及其周围的电性分布规律，而音频电透视技术可以探查工作面内部及工作面顶板上方的电性分布规律。精度高体现在比地面瞬变电磁法勘探可以探查规模更小的地质异常体，地质异常的赋存层位和深度也更准确，异常形态也更接近实际地质体的形态。但井下物探受防爆影响一般发射功率较低，探测距离有限。所以同时采用地面瞬变电磁法和井下物探技术的井、地综合物探可以起到相互补充、互相印证的作用，大大提高了资料解释的合理性和可靠性。

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Coal Roof and Floor W ater-rich Zone Detection through Integrated Surface and Underground Prospecting

Chen Guoxin
(Coal Department,Ningxia Branch,Great Wall Energy and Chemical Co.Ltd.,SINOPEC,Yinchuan,Ningxia 750411)

To identify main aquifer water-rich zone distribution,structural water-bearing and water transmitting properties in the first mining area,Yinxing No.2 coalmine,the integrated surface and underground prospecting including surface TEM,underground high res⁃olution electric sounding and audio electrical penetration detection have been used for working face No.1131001.The results have bet⁃ter correspondence with coal No.10 overlying and underlying aquifer relative water-rich zones within the extent of working face.Among them,on surface TEM data 30m above coal No.10 have Nos.9 and 10 apparent resistivity anomalies;their planimetric positions are basi⁃cally coincide with coal roof and floor water-rich zones interpreted by 2 underground methods.But on result charts of 3 prospecting methods all have no characteristic display of faults existed within working face extent;thus inferred the electric anomalies above and under coal No.10 are all from fissure zone water enrichment.

surface TEM;underground high resolution electric sounding;audio electrical penetration detection;resistivity anomaly;fis⁃sure water-rich zone

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.13

1674-1803(2016)12-0070-05

陈国新（1968—），男，1987年毕业于郑州地质学院地质矿产专业，2001年长安大学地质学院硕士研究生毕业，从事基础地质调查与固体矿产调查及研究工作。

2016-10-17

责任编辑：孙常长