黔北矿区青龙煤矿瞬变电磁法在探查岩溶含水层特征中的应用

樊 娟

（1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077）

黔北矿区是贵州省6大煤炭生产基地之一，也是贵州省优化煤炭产业和重点发展矿区[1]。本区晚二叠世含煤地层为一套海陆交互相地碎屑岩、碳酸盐岩含煤沉积[2]，由于其沉积历史时期所处环境、条件等复杂多变，在煤矿开采实际工作中，经常遇到地下水突然涌水，严重者酿成事故，危害极大。

青龙煤矿位于黔北矿区黔西区，二采区北部边界与驮煤河相邻，矿区地表岩溶地貌极其发育。由于矿区主采的二叠系龙潭组煤系地层受到上覆玉龙山巨厚灰岩和长兴组灰岩复合岩溶含水层的威胁，水文地质条件在贵州最为复杂。同时二采区未来回采遇到重大难题，工作面逐渐邻近驮煤河水域，矿井整体涌水量呈明显增大趋势。

顶板岩溶水害作为“喀斯特”煤矿生产中一种典型地质灾害，其形成原因复杂，分布极不规律，仅应用地质学方法预测预报准确度往往较低，要提高准确率，必须结合物探方法[3]。目前国内利用物探方法勘查与岩溶水害有关的问题中，瞬变电磁法因其具备施工快捷、探测深度较大、抗干扰能力强、对低阻体反映灵敏和不受高阻层屏蔽等优点[4-5]，成为应用及研究的热门。

于景邨等采用井上下双磁源矿井瞬变电磁法对煤层顶板进行立体探测，对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法[6]；张军，李貅等利用瞬变电磁法探测地下灰岩溶洞取得良好效果，证明瞬变电磁法在岩溶水勘查等应用方面方法有效[7]；薛国强等利用电性源短偏移距瞬变电磁法极大地提高了信号强度[8]；程建远等引入趋势面分析技术，消除了瞬变电磁视电阻率数据中背景场的影响，有效地突出了瞬变电磁的弱异常反映[9]；杨天春等通过比较多种物探手段圈定岩溶发育区，发现瞬变电磁法对地下岩溶的反映比较清晰[10]；侯彦威等采用带约束的正则化反演方法达到提高对不同电性地层精细分辨的目的[11]。技术人员在上述研究中从方法、技术、设备、解译等多角度不断优化瞬变电磁法的应用与发展，为矿井水害防治提供了有力的技术保障。

为了整体掌握黔北矿区青龙煤矿二采区顶板岩溶发育情况及水力联系，以青龙煤矿二采区邻近驮煤河指定区域为主要研究对象，采用地质分析、瞬变电磁法探查、钻探验证3种手段相互综合验证的方法来查明测区内顶板复合含水层含（富）水异常区[7]，并对潜在含（导）水通道做出预测，为二采区工作面的安全回采提供科学参考依据。

1 水文地质分析

本次测区位于二采区地段中北部边界附近，面积1.2 km2。二采区面积为4.6 km2，占井田总面积的16%左右，为一采区的接续采区，处于开拓阶段。地势总体呈南东高、北西低趋势，区内地表水系发育。

1）所采煤层。二采区主要开采煤层为16号煤层和18号煤层，主要位于二叠系上统龙潭组中上部。16号煤层平均厚度为3.06 m，上距长兴灰岩底板平均距离为51.69 m。18号煤层平均厚度为3.56 m，上距16号煤层底板平均距离为21.02 m。煤层结构简单，一般不含或含1～2层夹矸，夹矸岩性多为炭质泥岩、少数为铝质泥岩，在采区内属于稳定煤层。

2）地质构造。青龙煤矿二采区位于矿井西北部的格老寨背斜北西翼，采区西北部及西南部发育有北东西南及东西走向的逆断层及正断层，其余地段断层较少，断层发育方向、性质受区域构造影响明显，西北部走向与格老寨背斜褶曲轴向大致平行，西南部构造走向与大冲背斜大致平行；局部发育次一级小褶曲，二采区西南边缘受这些构造影响较明显。矿区内产状多较平缓，总体上呈单斜形态，产状南西－北东向，倾向北西，倾角一般小于15°，变化范围多在5°～25°；断层带附近地层倾角变化较大，一般变化为10°～70°，受构造影响采区西北部煤层埋藏较深，东南部埋藏较浅。

3）含隔水层。二采区范围内含水层自上而下分别为：三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙强含水层，二叠系长兴组岩溶裂隙中等含水层，二叠系龙潭组砂岩裂隙弱含水层，以及二叠系茅口组岩溶裂隙强含水层等共4层含水层；井田范围内隔水层共3层，分别为三叠系夜郎组九级滩段粉砂质泥岩相对隔水层、三叠系夜郎组沙堡湾段泥质粉砂岩相对隔水层、二叠系峨嵋山玄武岩组与龙潭组下段泥岩复合相对隔水层。

4）潜在水害分析。结合上述分析及矿井现状，井田二采区开采时的主要充水水源为大气降雨、地表水、三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙水，二叠系长兴组岩溶裂隙水，二叠系龙潭组砂岩裂隙水。直接充水水源为二叠系龙潭组砂岩裂隙水，间接充水水源为二叠系长兴组岩溶裂隙水[12]。

值得注意的是，2016年7月，矿方在二采区井底联络巷施工的探放水钻孔，经过2年的疏放水，孔口水压一直保持在2.5 MPa，目前疏放水钻孔已经改造成为二采区的饮用水源点之一。综合分析疏放钻孔出水层位为长兴灰岩，初步判断长兴灰岩层可能发育有导水通道，不排除与地表驮煤河水库沟通的可能，对二采区后续工作面回采具有潜在的突水威胁。因此查明二采区的岩溶水害富水异常区，保障未来将要开采的21606工作面及邻近工作面安全回采，对矿井防治水工作意义重大。

2 电法工程测网布置

根据地质资料和瞬变电磁法工作的任务及技术要求，测线的布设原则是尽量垂直于目标体，同时尽可能的避开电磁类干扰源，测线沿驮煤河延展方向布设，以便于断面资料处理和解释时对具有导水通道特征的低阻异常区识别和展示。TEM测区布置示意图如图1。设计测网密度40 m×20 m，探测区内共设计17条测线，沿西北方向测线编号依次增大，方位角为N56.12°E，坐标点1 621个，最长测线2 560 m，最短测线500 m，总物理点1 698个。

图1 TEM测区布置示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of TEM survey area

3 工程成果

3.1 断面异常分析与解释

不同岩石具有不同的导电性，一般灰岩电阻率最高，其次为中粗砂岩、粉砂岩、泥岩[13-14]。反演电阻率断面与测井曲线柱状对照图如图2。

图2 反演电阻率断面与测井曲线柱状对照图Fig.2 Columnar comparison diagram of inversion resistivity cross section and log curve

将二采区Z4-3钻孔电阻率测井曲线进行数字化，同时绘制直观柱状图2（a）。图中采用蓝色填充低阻，橙色、黄色填充中高阻，绿色、青色介于高低阻之间，由图2（a）可见，Z4-3钻孔揭露地层电性由浅至深的变化规律整体表现为“低阻-高阻-低阻”的变化特征。

通过试验区反演电阻率断面图2（b）。测区浅部为较薄的含有少量砂质的第四系土黄色黏土层；向下至三叠系下统夜郎组玉龙山段，其浅部岩性为泥质灰岩，电阻率值相对较低，下段岩性为石灰岩，电祖率较高；再向下至二叠系上统长兴组灰岩，电阻率表现为明显的高阻；继续向下至二叠系上统龙潭组含煤地层，电阻率值较低。随探测深度的增大，纵向电性变化均呈“低-高-低”趋势，与测井曲线柱状特征一致。

本次选取测区内特征变化明显的8号反演电阻率等值线断面为例，进行分析解释。8号测线位于测区东南部边界处，测线长度为2 560 m，地形标高大体呈“波状”起伏趋势，煤层表现为两端低、中间略高的变化特征。反演电阻率等值线断面图如图3。

图3 反演电阻率等值线断面图Fig.3 Inversion of resistivity contour section

由图3可知，探测深度范围内地层纵向电阻率值总体上呈“低-高-低”的变化趋势，断面纵向电性变化特征与图2显示的实际地层电性规律吻合。横向上在长兴灰岩组层位发现7处低阻异常区，分别位于2#～10#、13#～32#、36#～40#、44#～48#、70#～73#、79#～87#及90#～101#测点之间，电阻率等值线扭曲变形明显，呈低阻异常特征，且部分异常中间有小的弱高阻圈闭间断，推断低阻异常区可能与以上位置长兴灰岩组地层岩溶、裂隙发育，且相对含/富水有关；在长兴灰岩组顶界上方发现3处低阻异常区，分别位于19#～20#、37#～39#及82#～85#测点之间，电阻率等值线呈明显的断缺口形态，有连通上下层趋势，呈低阻异常特征，并具有含（导）水通道的电性反映特征。

3.2 平面异常分析与解释

本次电法工程探查目标主要围绕16号煤顶板含水层富水性，重点探测了二叠系长兴组灰岩、三叠系夜郎组玉龙山段上部灰岩和下部灰岩及附近地层。由于篇幅有限，本次选取测区内特征变化明显的二叠系长兴组灰岩和三叠系夜郎组玉龙山段下部灰岩电阻率等值线平面为例，进行分析解释。煤层顶板含水层电阻率等值线平面图如图4，疑似含（导）水通道划分图如图5。

图4 煤层顶板含水层电阻率等值线平面图Fig.4 Resistivity contour plan of coal seam roof aquifer

图5（a）反映三叠系夜郎组玉龙山段下部灰岩平面异常区的分布，探测深度为长兴组灰岩顶界面以上30 m，共发现异常6处，分别编号为Y下-1～Y下-6号低阻异常区；图5（b）反映二叠系长兴组灰岩平面异常区的分布，探测深度为长兴组灰岩底界面，共发现异常6处，分别编号为C-1～C-6号低阻异常区。

图5 疑似含（导）水通道划分图Fig.5 Diagram of suspected water channel containing

Y下-1、C-1和C-2低阻异常区位于测区西南部大片区域，异常强度较强、条带状特征明显，向东南方延展过程中分为两支。东部异常幅值相对较强，位于二采区井底联络巷和饮用水源点的上方区域，由于饮用水源点四季出水量稳定，结合地质资料可知，测区西南部大多钻孔长兴灰岩组钻井液漏失量较大，且部分钻孔通过玉龙山段也出现漏失量增大的现象，因此推断此处异常区连通上下层，有可能接收到地表驮煤河水补给。

C-3、C-4、C-6、Y下-2、Y下-3和Y下-5低阻异常区位于二采区东侧，圈闭状分布特征明显，范围相对较大，结合Z3-3钻孔资料可知，该钻孔打钻期间至长兴灰岩层位时钻井液漏失量亦大于15 m3/h，推断异常区位置岩溶、裂隙发育，且局部可能相对含/富水。

C-5、Y下-4和Y下-6，低阻异常区，位于东北侧边界附近，范围相对较小，幅值相对较弱，推断其成因应与局部地层岩溶裂隙富水有关。

总体而言，16号煤层顶板复合含水层富水性极不均一，测区西南部富水性较强，测区东南部富水性一般，测区东北边界富水性偏弱。通过图5（a）和图5（b）对比来看，上、下层位异常基本有对应关系，强异常区条带特征明显，这种情况在钻孔抽水试验和电法探测成果均能体现，同时证明电法成果与钻孔抽水试验成果具有高度吻合性。

3.3 疑似含（导）水通道划分与分析

根据异常区的地质条件与特征不同，划分了5个疑似含（导）水通道。其中I、II号异常区条带状特征明显，靠近驮煤河，驮煤河两侧地下水交替频繁，岩溶作用强烈，岩溶大泉、伏流出口、大型溶洞等大多数分布在河流深切沟谷两侧。同时因为F1正断层自上而下依次切割了茅草铺组岩溶裂隙含水层和夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层，在F1断层控制下发生水力联系，且F1断层与F2支断层之间有较宽的断层破碎带，倾角和断距均较大，在开采导水裂隙带影响范围内，河水将通过F1、F2支断层的断层破碎带与靠近河流两旁所发育的原生岩溶管道、裂隙与采矿导致的导水裂隙进入矿井，对开采造成充水影响。

III、IV、V号异常区主要位于2#与3#勘探线范围内，相对于I、II号异常区，异常强度较弱，但是圈闭状分布特征和垂向条带较为明显。分析主要原因，分隔16号煤层顶板复合含水层的沙堡湾泥岩隔水层非常薄，平均厚度仅为6.66 m，而二采区东侧又分布着F17、F52、F26断层等构造，在构造影响作用下，当断层落差大于沙堡湾段地层厚度时，会使玉龙山段灰岩与长兴组灰岩对口接触时，2含水层发生水力联系，导致局部含（富）水较强，可能对矿井开采产生较大的充水影响。

综合分析认为I、II号异常为目前二采区煤层顶板复合含水层富水性的主要异常区，建议将此2处异常区作为近年防治水的重点区域，防治思路以垂向岩溶通道的探查与治理为主，结合井下工作面疏水降压工程，同时采用物探和钻探相结合的方式，实现工作面的安全开采[13-15]。

4 钻探验证

根据探测成果，针对I号与II号异常区设计T1-1～T1-3、T2-1～T2-6，共9个钻孔对异常区进行验证。钻孔布置示意图如图6。

图6 钻孔布置示意图Fig.6 Diagram of borehole layout

I号富水异常区在21606底抽巷共设计施工钻孔3个，累计进尺357.3 m，放水总量为3 322.8 m3。I号富水异常区探查钻孔初始水量小且下降明显，放水60 d之后观测已无水。根据涌水量下降速度及累计出水量进行分析，I号富水异常区充水水源为上部长兴灰岩岩溶溶穴－裂隙水，为静储量水，无稳定补给水源。

II号富水异常区在21606运输巷共设计施工钻孔6个，累计进尺521.3 m，放水总量达42 766 m3。6个钻孔初期均出现涌水，目前钻孔总涌水量仍稳定在5 m3/h，证明II号富水异常区充水水源稳定，充水通道通畅，同时钻探验证结果表明，电法探测结果真实可靠。异常区钻孔验证情况见表1。

表1 异常区钻孔验证情况Table 1 Drilling verification in abnormal areas

5 结语

本次电法工程探查目标主要围绕16号煤顶板含水层富水性，重点探测了二叠系长兴组灰岩、三叠系夜郎组玉龙山段上部灰岩和下部灰岩及附近地层含水地质构造的分布特征、上下连通情况及富水性平面分布规律。根据数据资料成果，对各地层进行了若干个低阻异常区的划分及边界圈定，分析发现5处异常区，综合分析认为I、II号异常区为目前16号煤层顶板的主要异常区。经过现场钻探验证，验证结果与探测结果具有较高的重合度，应用效果良好。通过本次勘查，准确圈定了顶板复合岩溶含水层富水区，不仅为黔北矿区受顶板岩溶水害威胁的煤矿后续防治水工作提供了可靠依据，还证明采用地面瞬变电磁法探测岩溶含水层富水区的赋存位置及展布情况，是一种行之有效的物探方法，为煤矿山的安全生产提供技术保障。