榆横北区地面瞬变电磁法探查含水层特征应用

方 刚 高 波

(1. 西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

作为井工矿井“五大灾害”(瓦斯、水、火、煤尘、顶板)之一的煤矿水害，多年来对我国不同类型煤炭矿山造成了严重的危害，而近年来，在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田内发生的各类水害问题愈发突出。为此提出“超前探测、精细探查”的思想，采用多种手段、方法、途径以避免区内矿井水害的发生，在此过程中，地球物理勘探技术及其装备在业内得到了广泛的认可并有效地应用于现场实际。韩德品等利用反演技术提高瞬变电磁法的准确度，提高矿井突水构造定位探测效率；张天模等利用瞬变电磁法和地震波技术查明了落水洞及岩溶裂隙空间展布情况；康健基于瞬变电磁原理的地面半空间和井下全空间探测方法以综合确定含水体位置；蒋宗霖等利用综合物探技术探查确定工作面隐伏陷落柱发育位置和范围；邱占林、杨增林等利用多种物探技术联合的方法提高矿井水害探测精度及效率。另外，在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田内，物探技术的应用也较为广泛，为矿井水害防治打好了坚实的基础。代凤强通过瞬变电磁法对工作面顶板富水区进行探测并指导矿井接续布置，通过优选井下物探仪器特性，提高超前探测工作解译精度；高波利用瞬变电磁法确定火烧富水区低阻特性，结合磁法探测确定火烧区边界，并综合利用地面瞬变电磁法和井下音频电透法，对老矿区煤层上覆采空区积水区域进行探测。诸多煤炭行业内研究技术人员从地球物理勘探的技术、方法、装备、材料、解译等多角度不断优化、探索、发展，为矿井水害防治提供有力的保障。

巴拉素井田位于鄂尔多斯盆地陕北侏罗纪煤田中部的榆横矿区(北区)内，现矿井正处于基建阶段。区内多个大型井田近年来受水害影响严重，如大海则煤矿、小纪汗煤矿、可可盖煤矿、袁大滩煤矿等，其中小纪汗煤矿、袁大滩煤矿的煤层水害较为严重，为此在井田首采区水文地质补充勘探期间，应用地面瞬变电磁法对地下各含水层及主采煤层顶板富水性进行探查，准确掌握各含水层之间水力联系及相互关系，并希望能够为矿井后期生产合理有效地开展水文地质及矿井防治水工作提供有效的理论依据，同时对区内条件类似矿井具有指导和借鉴意义。

1 研究区及工程概况

巴拉素井田位于榆横矿区(北区)的中西部，本次研究区为矿井的先期开采地段，面积约60.79 km2，占井田总面积的20%左右，井田及测区位置如图1所示。目前，巴拉素煤矿处于基建阶段，未来主要开采煤层及其平均厚度为：2#煤层厚3.68 m、3#煤层厚6.19 m、8#煤层厚1.57 m。矿井一期设计生产能力15.00 Mt/a。井田地处毛乌素沙漠东南缘，地表绝大部分被第四系松散沉积物所覆盖，基岩仅在东南部和中部零星出露，地形以沙漠滩地为主，总体北部较高，向南地势逐渐降低，区内地表水系不发育。

图1 井田及测区位置示意图

地面瞬变电磁法用于观测纯二次场，对含(导)水构造、富水异常区等低阻体具有反应敏感、体积效应小、分辨率高等特点；由于测区内地层沉积序列清晰，地层相对稳定，正常地层组合条件下，在顺层与垂向上都有固定的电性变化规律，因而能够取得较好的探测效果。该方法在条件类似矿区内实际应用中取得了较好的探测效果，并得到广泛的认可。故本次工作对巴拉素井田未来开采地段地面物探的方法采用瞬变电磁法。

本次地面瞬变电磁法(TEM)探测区域为不规则矩形，考虑到地层走向，按东西方向进行布点，使测线大致与构造方向垂直。基本测网密度为40 m×40 m，加密区测网密度为40 m×20 m。TEM探测野外完成工作量具体为：电法设计测线63条(其中A区26条，B区26条，C区11条)，TEM设计坐标点10925个，试验点80个，检查点328个，总物理点11333个；实际完成物理点11345个，有效控制探测面积约15.1 km2。

本次工程任务主要为：探测区内白垩系洛河组，侏罗系安定组、直罗组砂岩低阻异常分布，圈定异常区范围；探测主采2#煤层、3#煤层及其顶板砂岩低阻异常分布，圈定异常范围；分析不同异常区的平面、垂向的联系；掌握探测区内主要断层构造的富水性情况。

2 工程成果

在视电阻率平面、断面图上，若地层不受富水区域或含导水构造的影响，含煤地层的电阻率值有序变化，在视电阻率平面、断面图上等值线变化稳定，呈近似层状分布；当存在低阻富水区或含导水构造时，异常处电阻率值降低，等值线分布表现为扭曲、变形或呈密集条带等形状。在彩色视电阻率平面、断面图上则更加直观，富水区或含导水构造处呈现较深的蓝色，可据此直观确定相对低阻异常体的空间赋存情况和异常强弱程度。

2.1 断面异常分析与解释

测区内第四系松散层主要以渗透性较强的黄色砂土为主，电阻率较高；下伏的白垩系洛河组地层岩性以中、粗砂岩为主，电阻率较低；侏罗系安定组地层由粉砂岩、砂质泥岩组成，电阻率较上覆地层表现为相对高阻；侏罗系直罗组地层岩性则以含水性较强的中粒砂岩和细粒砂岩为主，电阻率相对上部的含煤地层表现为低阻；直罗组下覆地层为含煤地层，电阻率表现为高阻。因此，从垂向上看，测区内地层的电线为高阻—低阻—高阻—低阻的变化特征。由于篇幅有限，本次选取测区内特征变化明显的B区10号测线反演电阻率等值线断面为例，进行分析解释，如图2所示。

B区10号测线长度6420 m，断面图反映了标高+600～+1200 m之间地层电性的分布情况。由图2可知，纵向上测区整体视电阻率特征为：浅部较高，浅部往深地层段较低，中深部相对较高，深部相对较低，即整体呈现高阻—低阻—高阻—低阻的变化趋势。

图2 B区10线反演电阻率等值线断面图

该测线反演断面图中浅部在洛河组底部岩层段发现一处低阻异常区，位于测线中部附近。编号为L4号异常区。该异常区位于99号测点以东位置，东部延伸至测区边界，范围较大，幅值较强，且该异常区的特征明显。结合地质及水文地质资料，分析认为该异常区与含水层裂隙较为发育有关，加之该层位层厚较大，且与上部地层无明显隔水层，因此该层段可与浅部含水层形成补给关系，故推断认为很有可能与上覆地层砂岩含水层相对富水有关。该测线反演断面图中深部在直罗组底部、2#煤层顶部岩层段发现两处明显的低阻异常区，分别位于测线小号测点附近和大号测点附近。在2#煤层顶板位置编号分别为Y2-4号异常区和Y2-6号异常区。其中Y2-4号异常区从该测线西侧C区延伸到该断面的121号测点之间，范围较大，幅值相对较强。结合地质及水文地质资料，分析认为该异常区地层应与相邻钻孔(位于C区Y2-4号异常区之内)地层相近，根据该钻孔资料显示，该层段分布有一层裂隙较为发育的中粒砂岩层，因此推断该异常成因为含水层裂隙较为发育所致。Y2-6号异常区位于279号测点以东位置，东侧延伸至测区边界，范围相对中等，幅值相对较强。结合地质及水文地质资料得知该层位在其相邻钻孔显示为几层中粒砂岩和细粒砂岩相互交替出现的层位，层位较厚，裂隙相对发育，且与上部直罗组含水地层无明显的隔水层，故分析认为该异常区与含水层裂隙较为发育有关。

2.2 平面异常分析与解释

本次对白垩系洛河组、侏罗系安定组、侏罗系直罗组、2#煤层顶部、3#煤层顶部等地层分别进行平面异常分析与解释。由于篇幅有限，本次选取测区内特征变化明显的侏罗系直罗组底部电阻率等值线平面及低阻异常区平面为例，进行分析解释，结果如图3所示。

图3 侏罗系直罗组底部瞬变电磁探测结果

侏罗系直罗组下部与含煤地层延安组相隔较近，根据井田地质资料，该地层段含水性相对较强，且为矿井首采2#煤层的直接充水含水层。根据区内钻孔资料，该地层段在底部存在一层中粒砂岩，该层段分布厚度在不同钻孔中表现不一，其中，在测区东部、西部和北部分布较厚，且存在中粒砂岩和细粒砂岩互层发育的特征，测区中部钻孔中并未见到裂隙较为发育的中粒砂岩层。根据各钻孔抽水试验结果表明该层段富水性也相对较强，加之其赋存位置与下伏的2#煤层相距较近，对矿井未来开采2#煤层威胁相对较大，因此提取了标高在730～780 m之间的直罗组底部地层电性信息，得到侏罗系直罗组底部视电阻率等值线平面图。根据电法资料，从图3(a)中可以看出，该层段视电阻率值约在31～48 Ω·m之间变化，该层段视电阻率低阻区域主要集中在A区的西部、C区的南部和B区，其中A区主要分布在A区西部和东部，其西部异常幅值相对较强；东部异常幅值则相对较弱，且与C区南部低阻区相连接；B区低阻区域分布面积相对较广，且异常幅值相对较强。结合电法探测异常划分原则和相关地质资料，将视电阻率等值线平面图中的低阻异常区提取出来，得到侏罗系直罗组底部低阻异常区平面分布图。从图3(b)中可知，在该层段共发现异常4处，分别编号为Z1～Z4号低阻异常区。其中Z1号低阻异常区位于测区西部A区的西侧，该异常西部和南部边界均延伸至测区之外，异常分布范围相对中等，异常幅值相对较强，其异常中心位置位于测区西南部，从附近钻孔抽水试验成果得知该位置涌水量为现井田内布设钻孔中已知涌水量最大的一个，因此推断该异常成因应为地层局部裂隙发育富水引起的。Z2号低阻异常区位于A区中部呈近椭圆形分布，分布范围相对较小，幅值相对较弱，其南部边界延伸至测区之外，推断其成因应与地层局部裂隙富水有关。Z3号低阻异常区位于A区东部、C区南部呈条带状分布，分布范围中等，异常幅值相对较弱，该异常南部布设有ZLG-1号钻孔，根据该钻孔本层位抽水试验结果对比得出该位置涌水量相对较小，地层富水性较弱，因此推断Z3号低阻异常区成因应为地层裂隙不发育导致的结果。Z4号低阻异常区广泛分布在B区之内，分布范围较大，局部有延伸至测区北部边界的可能，总体呈条带状东西方向分布，异常中心偏B区北部，异常幅值较强。根据异常东侧南部附近钻孔抽水试验得知该位置地层富水性相对较强，且中粒砂岩分布较厚，在测区之外北部布设的ZLG-3号钻孔也有类似的结论，因此推断Z4号低阻异常区为地层裂隙发育富水所致。

总体而言，侏罗系直罗组下部地层富水性差异明显，测区北部富水性较弱，测区南部富水性较强，测区东西两侧富水性较强，测区中部富水性偏弱。这种情况在钻孔抽水试验和电法探测成果均能体现，同时证明电法资料与钻孔抽水试验的高度吻合性。

2.3 各异常区的平面、垂向联系

(1)平面水力联系。根据对测区内各含水层平、断面异常分析可知，同一层位在不同区段的水力联系表现各不相同，如图4所示。

图4 其他地层低阻异常区分布图

其中，浅部洛河组地层与上部地层无明显隔水层发育，因此受上部第四系补给较为明显，其富水性也相对较强，根据本次探测结果分析，洛河组各异常形态相似，异常幅值不尽相同，因此推断它们之间均存在相连通的可能性。其中L1号低阻异常区和L2号低阻异常区在测区内已表现为相连通的状态，L3号和L4号低阻异常区推断在测区的东北侧也应存在相连通的情况。这种大面积分布的低阻异常区相连通的情况的成因主要是洛河组地层无有效隔水层，从而导致地层富水性较强，且富水层发育高度较大，从而在空间上表现为连通状态。侏罗系安定组地层裂隙发育层位厚度揭露差异较大，从而导致各低阻异常之间在同一平面内连通情况并不明显，各异常之间相隔较远，从钻孔抽水试验结果来看，不同异常的单位涌水量差异也相对较大，因此推断测区内各异常之间无明显水力联系。侏罗系直罗组地层含水层厚度相对安定组来说较厚较复杂，不同钻孔资料揭露的厚度差异也相对较大，个别钻孔呈现含水层和隔水层互层的情况，其中Z3号低阻异常区和Z4号低阻异常区分布形态、异常幅值和异常特征非常相似，加之两者相距较近，因此推断其在测区外应有连通渠道，其他异常较远，分析其无明显水力联系。2#煤层顶部砂岩层发育较厚，从电法探测成果分析，Y2-1号低阻异常区和Y2-2号低阻异常区位置相近，异常形态类似，推断这两处在测区外有沟通的可能性；Y2-4号低阻异常区和Y2-5号低阻异常区应该在测区北部边界之外存在沟通渠道；其他异常则无明显连通关系。3#煤层顶部砂岩层发育较薄，隔水层相对发育，从电法探测成果分析，Y3-2号低阻异常区和Y3-3号低阻异常区位置相近，异常形态类似，推断这两处在测区外有沟通的可能性。

(2)垂向水力联系。根据本次电法提取的平面高程，结合电法断面和平面分析，整体上讲洛河组地层受隔水层安定组地层的影响，其层位未发现明显与下部地层存在水力联系的通道。安定组地层本身富水性相对较弱，结合下部直罗组地层低阻异常分布情况分析，其地层与下部地层也未发现有明显的水力联系通道。侏罗系直罗组地层相对上部安定组地层含水层较为发育，分布范围相对较广，其与下部2#煤层顶部砂岩层之间的隔水层发育不稳定，个别区域可能存在沟通。3#煤层顶部至2#煤层之间的岩层以相对隔水的粉砂岩和砂质泥岩为主，隔水效果明显，从电法探测成果可以看出，这两个层位异常形态和异常位置差别较大，结合钻孔抽水试验结果推断，3#煤层和2#煤层之间水力联系相对较弱，无明显沟通情况。

3 结论

(1)探测了区内白垩系洛河组、侏罗系安定组、直罗组砂岩低阻异常区的分布位置，同时圈定异常区范围，并结合地质资料推断了异常的成因；其中白垩系洛河组圈定了4处低阻异常区，侏罗系安定组圈定了6处低阻异常区，直罗组砂岩圈定了4处低阻异常区。

(2)探测了区内主采煤层(2#煤层、3#煤层)及其顶板砂岩低阻异常区的分布位置，同时圈定了异常区范围边界，并结合地质资料推断了异常的成因；其中在2#煤层顶板砂岩层位置圈定了6处低阻异常区，在3#煤层顶板砂岩层位置圈定了3处低阻异常区。

(3)分析了不同异常区的平面、垂向的联系；认为各异常主要表现为同层之间有一定的水力联系，各含水层垂向水力联系不明显。