综合物探技术在煤矿地质水文勘探中的应用

郭 恒，王 鹏，张振勇

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

2009年山西省煤炭资源整合煤矿兼并重组开始[1]，临汾市整合了许多地方小煤窑资源。由于大多数小煤窑多属于无规划开采，遗留开采区域不详，矿区内构造分布及含导水性不详，甚至对于煤层的起伏形态和顶底板的富水情况多无从查询，其中构造的位置和老空区内的积水成为附近区域及邻近煤层开采的重大安全隐患；此外煤层顶底板水害以及地表水害也是该区域安全隐患之一。因此，查清井田内的地质构造分布、采空区及积水区、上覆含水层富水区等情况己成为亟待解决的煤炭地质水文问题[2-3]。目前采用三维地震法和瞬变电磁法相结合的综合物探技术解决煤炭地质水文问题是通常的选择[4-6]。三维地震勘探技术优势在于周期短、精度高[7-8]，地层的构造形态及断层等均可直接或间接地反映出来。瞬变电磁勘探以其对低阻含水体敏感、体积效应小、分辨能力强、工作效率高等特点，在采空区及积水范围的勘探中广泛应用[9-10]。本文采用上述综合物探技术，对临汾地区某矿计划开采区域进行煤矿地质水文勘探，以便于矿井设计、建设和安全生产。通过物探资料的综合解释和后期钻孔验证，查明了勘查区内煤矿水文地质情况，为矿井安全回采提供了保障。

1 勘查区概况及地球物理特征

1.1 勘查区概况

测区位于山西临汾地区某国家规划矿区。新生界黄土主要覆盖在梁坡上，基岩在沟谷局部出露。地层由老到新分别是奥陶系峰峰组、石炭系太原组、二叠系山西组、新近系及第四系。矿区内主要可采煤层有2号和10号煤层，其中2号煤层位于山西组上部，平均4.19m，该煤层为中厚煤层，厚度变化较小，属全区稳定的大部可采煤层。矿区内有1条落差30m的逆断层，9条落差在10m及以上正断层，26条落差在1.2～5m的小断层。该区构造复杂程度总体上属中等。矿区内共发育已知小窑破坏区8个，本次勘探区在南部边界附近发育有4个，存在采空区。为查明测区范围内的地质构造、采空区积水及富水区分布情况，为煤矿设计和安全生产提供地质保障，需要在测区开展三维地震和瞬变电磁法相结合的综合物探工作。

1.2 地球物理特征

1.2.1 地震地质条件

(1)表浅层地震地质条件 勘探区属黄土塬地区，沟谷发育，地形较差，给地震波的激发和接收带来很大影响；区内道路较少，且有的道路坡度较大，增加了施工难度；区内地表既有黄土覆盖区，又有基岩出露区，表浅层低降速带厚度极不均匀，本区的表浅层地震地质条件复杂。

(2)中深层地震地质条件 从已知钻孔揭露情况可知，本区石炭、二叠含煤地层沉积稳定，岩性组合及地球物理性质规律较稳定。主要目的煤层2号煤层响应特征明显，密度等物性差异明显，具备形成良好反射波的条件。但是由于煤层埋深浅，煤层反射波易受到面波、声波等干扰，因此本区中深层地震地质条件一般。

综合来看本区地震地质条件复杂。

1.2.2 勘探区地质电性条件

电阻率差异是进行电法勘探的基础。结合钻孔地质信息可知，浅层主要为第四系、新近系地层，为高电阻率反映；中部为二叠系上、下石盒子组地层，砂、泥岩含量较高，为低电阻率反映；中深部为石炭～二叠系地层，为主要的含煤地层，为中、高电阻率反映；深部为煤系基底、奥灰层位，为高电阻率反映。当岩层相对富水及存在含水裂隙、含水断层破碎带等构造(即地质异常体)时，地质异常体及其附近电性分布将发生明显变化而引起异常，与含水、充水性有关的一般是低阻异常。这就是利用瞬变电磁法进行探测富水区和构造含水性的电性条件。

2 现场施工布置

2.1 三维地震法

三维地震勘探采用加拿大Aries数字地震仪， 10线5炮制规则的观测系统。根据线束方向尽量垂直地层走向和主要构造走向的原则进行布置。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁勘探采用加拿大凤凰公司生产的V8多功能电磁法探测系统，该系统具抗干扰能力强、测量动态范围大、体积小、功率大、施工方便及测量精度高等特点，是当前国际上最先进的电磁法探测系统之一。测线布置与三维地震一致，采用中心回线装置。

3 资料处理

3.1 三维地震资料处理

通过对原始资料分析，对处理的难点采取了正确有针对性的处理手段，采用了初至折射静校正、噪声衰减、地表一致性反褶积、精细速度分析、剩余静校正、三维一步法偏移等技术，最大限度地提高了资料的分辨率和信噪比，剖面质量有了明显的提高，最终处理的剖面归位准确，目的层连续性较好，得到了品质较好的三维数据体。

地震勘探资料解释使用GeoFrame 4.5三维解释系统，对高分辨率偏移数据体进行解释。解释过程中采用工作站解释和人工解释相结合，时间剖面、水平切片、面块切片解释相结合的思路和流程。在地震时间剖面上，解释断点的依据为反射波(波组)同相轴的错断、扭曲及产状突变等(图1、图2)。将断点组合为断层的依据是：相邻地震时间剖面上的断点显示特征和性质一致；相邻断点落差接近或有规律变化，追踪和组合的断层符合区内的构造规律。本次三维地震勘探发现小窑破坏区，在地震时间剖面上表现为同相轴消失或凌乱(图3)。

图1 断层错断在地震时间剖面上的反映

图2 断层扭曲在地震时间剖面上的反映

图3 南部小窑破坏区在时间剖面上的反映

3.2 瞬变电磁法资料处理

瞬变电磁法资料处理前，首先对原始数据逐点进行整理或预处理，即检查数据质量，剔除不合格数据，并对其进行编录，整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式，再对数据进行滤波，以滤除或压制干扰信号，恢复信号应有的变化规律，突出地质信息，再利用专用软件转换得到视电阻率和视深度等参数；在此基础上，结合有关测量、地质和钻探等资料做进一步分析处理；最后，将所得数据以平面等值线的形式绘制成图。

一般情况下，当正常地层中含水时，其电阻率值较不含水时偏低，含水性越强，其电阻率值越低。瞬变电磁法勘探用于解释的参数即是与导电性

密切相关的视电阻率，该物性基本上可以反映地层的电性变化情况。

依据本次瞬变电磁法勘探工作的地质任务和目的，绘制了测区内所有测线的视电阻率拟断面图。图4为87测线方向上的视电阻率—深度断面图，右上方示意图中黑色实线代表测区的边界，黑色虚线代表87测线在测区中的相对位置，根据钻孔、地震资料，在断面图中标识了2号煤、10号煤的相对位置。垂向上，随着深度的增加视电阻率值由低到高变化，与实际地层的电性特征吻合。浅部相对低阻层与上、下石盒子组地层相对应，中部相对高阻层与含煤地层相对应，深部高阻层与奥陶系灰岩层相对应。横向上，在煤层及其下伏地层，随着点号的增加，视电阻率整体呈升高的趋势，等值线与煤层有一定的交叉现象。煤层附近，68～98号测点之间存在相对低阻异常区，结合平面图，命名为2号异常区。根据收集的资料可知，该异常区与已知采空破坏区相对应，同时68～74号点位于原小煤窑的2号煤轨道大巷、回风大巷附近。结合地震资料，落差5～28m的F131断层在80号点附近穿过，落差0～7m的F138断层在90号点附近穿过。整体看，该异常区受采空破坏区、巷道及断层的影响，地层较为破碎、裂隙较为发育并相对含水所致。

图4 87测线视电阻率断面

图5为207测线方向上的视电阻率—深度断面图，右上方示意图中黑色实线代表测区的边界，黑色虚线代表207线在测区中的相对位置，根据钻孔、地震资料，在断面图中标识了2号煤、10号煤的相对位置。垂向上，随着深度的增加视电阻率值由低到高变化，与实际地层电性特征吻合。横向上在断面图的左、右两侧各发现一处相对低阻异常区，命名为5号、6号异常区。5号异常区位于122点附近，异常范围较小、幅值较弱。异常区附近有F131断层，且该处煤层埋藏较浅，易接受大气降水的补给，推断异常区因断层附近地层裂隙较发育且相对含水所致。6号异常区在2号煤以浅的地层中反映明显，10号煤、奥灰顶界面附近异常不明显，与151，163测线区别较大。由采掘图可知，40～52号测点对应12上01工作面采空积水区的位置，同时该异常区基本处在S2向斜的轴部，推断异常区主要为采空积水区及顶板砂岩相对含水所致，10号煤、奥灰层位地层正常。

图5 207测线视电阻率断面

4 综合推断成果

通过三维地震勘探基本查明了勘探区内2号煤层的构造形态及煤层底板起伏形态和区内落差大于5m的断层；发现小窑破坏区两处。通过瞬变电磁法勘探，对地震解释的小窑破坏区的范围和积水情况进一步确认和细化，同时对2号煤层顶板富水区进行了推断(图6)。比较丰富的水文地质成果为矿井开拓、采区设计提供了地质依据。其中2号采空积水区在矿方后期打钻验证中，发现小窑巷道并且积水严重，从而验证了本次综合物探成果的准确性。

图6 2号煤层附近地层物探综合推断

5 结 论

各种物探方法往往由于自身的局限性、多解性问题，不能够全面、准确地解决煤矿地质水文方面的问题。本文运用综合物探方法，尤其是地震勘探和瞬变电磁法勘探相结合，通过地震勘探解决煤层顶底板起伏情况、勘查区构造和采空区的分布情况，在此基础上通过瞬变电磁法勘探来进一步确认煤层顶底板的富水情况、构造的含、导水情况和采空区的积水范围。两种方法相辅相成，既解决了多解性又提高了综合物探的精度。后期打钻验证成果

与物探成果基本吻合，说明采用三维地震和瞬变电磁勘探相结合的综合物探技术是有效的。

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