新型探测技术在水文地质勘探中的应用

王晓彪

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿地测中心，山西 古交 030200）

本文以山西省太原市古交市区北西曲井田水文地质勘探为例，在详细分析了水文地质勘探现状的基础之上，分别利用瞬变电磁、γ射线找水等新技术进行水文地质勘探，为提高该区域勘探技术水平提供价值参考和借鉴。

1 井田概况

西曲井田位于太原市古交市区，长宽分别为6.5km和6km，其中东、西部分别以煤层露头和断层为界，而南边界为汾河最高水位线。井田内最大的河流为汾河，属于黄河流域，河宽600m径流井田南部边缘处。较大的沟谷有矾石沟、水深沟、李家沟等，地下水来源可通过各个水体和水流进行补给。西曲井田倾角为3°～15°，倾向和走向分别为SW和NW方向，复式向斜向蓄水构造盆地为太原西山煤田的主要构造形式，其地下水主要有岩溶水、裂隙水以及孔隙水，其中供水意义最大的为岩溶水。页岩为该区域隔水地板岩性，太原市工农业及城市供水的主要水源为晋祠岩溶和兰村岩溶水亚系统。丰富的岩溶地下水在满足供水的同时，也给煤矿的开采带来间接煤层底板突水的威胁。煤系围岩地层中的砂岩裂隙水和层间裂隙岩溶水最为直接，并且由于存在泥岩隔水层，上部的裂隙水与围岩含水层未表现出密切的作用关系。

2 传统水文地质勘探方法的原理与缺陷

在西曲井田水文地质勘探过程中的流量测井法是相对常规的一种方法。该方法主要是针对井下深度截面中两个断面中的流量进行测量，并以此来确定井下岩层的具体深度、含水层厚度以及地层的实际渗透性能等参数。通过对上述几类参数的测量，将西曲井田地下的隔水层、含水层进行了科学的划分，在此基础上详细了解了西曲井田的水文地质情况。在西曲井田水文地质情况勘探过程中应用流量测井法的主要原因就是该方法通过单次测量就能获得整个井田的各种数据信息，从而为井田的生产开采节省大量的人力、物力投入。但在煤矿的水文地质勘探中流量测井法的测量结果无法实现精确的定量测量，而且在进行测量结果的解释时也不能实现计算机的处理，导致该方法具有一定的限制性。

3 新型水文地质勘探技术的应用与分析

由于认识层面、技术层面以及煤矿自身水文状况等问题，导致西曲煤矿的水文地质勘探的投入和产出不成比例，为了进一步完善煤矿的水文地质状况，并提升煤矿的水文地质勘探水平，采用新的煤矿水文地质勘探技术即瞬变电磁技术、γ射线找水技术对该区域地质状况进行勘探。

3.1 瞬变电磁法地质勘探

3.1.1 瞬变电磁法基本原理

YCS150瞬时电磁波仪基本原理如图1所示，利用瞬时电磁波技术进行水文地质勘探时应首先在地表布置线框，并往线框内输入阶跃电流，当线框内电流突然中止，则为维持通电状态下的磁场线框下方空间形成感应场，随着时间的推移此种感应场会向底层下部逐渐推移并且在此过程中能量会出现逐渐衰减。因此，底层由浅至深的整体结构可通过观测此过程中感应场能量变化情况进行反映，据此可对水文地质状况进行科学、有效的勘探。岩石湿度与底层结构中电阻率存在一定的关联性即电阻率随岩石湿度的增大而降低。岩层富水性以及岩石的破碎性与断层位置的电阻率存在一定的关联行，具体表现为含水量越高，岩石破碎性越大则岩层电阻率越高。对水文地质条件可利用瞬变电磁法和以上关联性特征进行快速识别。

图1 瞬时电磁波仪控制面板及基本原理图

3.1.2 瞬变电磁法方案设计

考虑到西曲煤矿井下施工环境和空间的局限性，不能采用大线圈，为提高勘探效率采用边长小于3m的多匝小线框进行勘探工作。

（1）探测过程中对煤层底板与发射线框之间的夹角进行调整，使线圈与巷道掘进方向平行，对煤矿进行超前探测与含水构造异常体探测，同时对煤层底板下一定程度范围内的含水异常体横向或垂直向发育规律的勘探可通过将线圈置于巷道地板并设置一定夹角进行探测。

（2）为便于地质异常体产生最佳耦合效应，在进行勘探时，应设置瞬时电磁波仪器接受线框和发射线框匝数不同且相互独立。对确定隐伏含水异常位置和范围可利用现有巷道对相邻工作面未掘进巷道实施测量探测，并以此减少、部分替代或取代现行超前探测工作为探水、中防工作提供技术依据。

3.1.3 瞬变电磁法勘探结果

太原西曲煤田为一北端翘起的复式向斜蓄水构造盆地，赋存孔隙水、裂隙水、岩溶水三种类型的地下水，其中中奥陶统的岩溶水具有重大的供水意义。区域性隔水底板为寒武系底部的页岩。西山煤田岩溶水在山前排泄，形成了兰村岩溶水亚系统及晋祠岩溶水亚系统，它们是太原市工农业及城市供水的主要水源。丰富的岩溶地下水在满足供水的同时，也给煤矿的开采带来间接煤层底板突水的威胁。从评价煤矿矿井充水来源来看，煤系围岩地层中的砂岩裂隙水和层间裂隙岩溶水最为直接。

3.2 γ射线找水法地质勘探

3.2.1 射线找水法原理及应用

FE-803Aγ射线仪在太原西曲煤田裂隙发育地层或破碎地层地下水探寻时具有较好的应用效果，并且该仪器设备精度较高，仪器简便，受地形结构影响较低，在水文地质勘探中具有广泛的应用价值。其基本原理是首先对指定区域内γ射线的纵横分布状况进行测定，然后对基岩断裂位置利用一定风险系数进行判定并对地下水位置进行确定。通常条件下，可由下述公式对基岩中水量进行近似计算：

W=KRS2

式中：

W-近似计算水量，m3/s；

K-γ射线峰值；

S-射线异常区宽度，m。

3.2.2 射线找水法勘探结果

利用γ射线找水法是对基岩水含量进行测算分析，测量深度与地测井γ射线频率的关系如图2所示。

裂隙含水岩组所含岩类包括碎屑岩类、碎屑岩夹碳酸盐岩类、变质岩类及岩浆岩类等四种。含水岩层以砂岩、石灰岩为主，裂隙水赋存于岩石裂隙中，分为裂隙潜水和裂隙承压水。裂隙潜水含水层为基岩风化壳，其深度随地形变化较大，一般为30～50m。含水性视裂隙发育程度和地形条件也有较大差异，以构造断裂带附近及沟谷中的风化壳含水较大。一般含水微弱，补给主要为大气降水，由于山区地形差异悬殊，沟谷发育，使裂隙潜水很易排泄，因此，谷坡常见有下降泉溢出。裂隙承压含水层主要为二叠系山西组和石盒子组数层砂岩及石炭系太原组薄层灰岩，其含水性主要决定于岩层厚度和裂隙发育程度，其富水程度差异很大。主要取决于埋藏条件，其次是与构造及地形条件有关。从垂直方向上看，由太原组往上到山西组、下石盒子组、上石盒子组，钻孔的单位涌水量逐渐变小。裂隙承压水除依靠大气降水补给外，还依赖于其他含水层补给，其中以裂隙潜水为主。地下水自西北向东南运动。

图2 测井深度与脉冲关系图

4 西曲井田水文地质勘探结果分析

结合西曲井田煤矿实际概况，利用上述新型水文地质勘探方法进行该区水文地质勘探。结果如下：

（1）将西曲井田区含水层依据测量结果并结合含水层岩性特征和赋存条件可划分为裂隙、孔隙以及裂隙潜水层。供水意义最大的为河谷冲积层，此层地质主要分布于屯兰河、原平河、汾河等区域，其厚度约为20～30m。岩浆岩、碎屑岩、变质岩等为裂隙含水岩组主要的岩层属性，其中裂隙潜水含水层其分布主要为30～50m，并且随地形变化其深度存在较大差异，属于典型的基岩风化壳。

（2）矿井采空区积水有以下特点：由于煤层倾角较小，为近水平煤层，采空区内积水少；具有较为清楚的标高和工作面开采区间，并且积水量和积水范围可利用新型勘探技术进行准确、简便的测量。在采空区下部煤层进行开采时，煤层之间的较小空间为上覆采空区积水提供了有利条件。

5 结 语

本文在详细分析了瞬变电磁、γ射线找水法等新型水文地质勘探技术基本理论和原理的基础上，利用该新型技术进行西曲井田煤矿水文地质勘探。实践表明：FE-803Aγ射线仪以及FE-803Aγ射线仪在西曲井田煤矿水文地质勘探中表现出较强的适用性与可靠性，不仅提高了地质勘探的速度和效率，而且水文地质勘探结果的准确性与可靠性得到了较大提升。