综合物探方法在煤矿水文地质勘查中的应用

曹清章，赵民

（河南省航空物探遥感中心，郑州450053）

综合物探方法在煤矿水文地质勘查中的应用

曹清章，赵民

（河南省航空物探遥感中心，郑州450053）

针对河南省禹州某煤矿区水文地质条件不明等问题，采用地震和瞬变电磁法相结合的方法进行勘探。为保证解释结果相互印证，在垂直于地层走向上布设了4条重合测线，并以其中的DZ03地震时间剖面和TEM03视电阻率断面图为例，依据其物理特征分别对陷落柱与断层进行了解释。结果表明，二种方法在解释异常位置、深度、形态及富水性等方面高度吻合。利用该方法解释矿区存在1个陷落柱，8条组合断层。根据断层的位置及富水区分布情况，推断F3和F5以北，富水性强且面积较大，特别在断层交汇部位岩溶水极其发育，且上下连通，另外陷落柱具有强富水性；F3以北和兴F2以西存在较大面积的中等富水区。

煤矿；水文地质；地震勘探；瞬变电磁法；断层；陷落柱；富水性

0引言

河南省禹州市某矿区在勘探阶段未进行水文地质勘查工作，存在水文地质条件、工程地质条件等不明问题，导致矿井开拓、生产过程中多次发生底板突水事故。如二1煤层底板在2007年7月与2009年7月发生突水事故，涌水量分别达240、300 m3/h。突水事故严重影响了煤矿的安全生产，造成了重大的财产损失。为确保矿山安全生产，采用地震及瞬变电磁等综合物探方法，基本查清了矿区的构造发育及富水情况，为矿方开展矿井防治水提供了可靠的地质依据。

1地质概况

矿区属低山丘陵区，为基岩半裸区，地势东北高西南低，海拔标高237～337 m，地形起伏明显。区内地层由老至新依次为寒武系、石炭系、二叠系及第四系，其中石炭系上统太原组、二叠系下统山西组为含煤地层，二1煤层厚度较为稳定，平均厚度5.87 m。

据现有的地质资料可知，矿区断裂构造发育，张性断层破碎带中断层角砾发育，断裂面张开性好，影响带宽度大，具有较好的透水与富水性，形成该区地下水的强富水带，尤其在张性断层的相交处，地层岩石破碎强烈，多形成地下水富集区。

该地区的地下水类型划分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三种，其中分布在石炭上统太原组（C2t）灰岩和寒武系上统凤山组（∈3f）灰岩中的岩溶水面积、水量较大，是造成该区二1煤层矿井突水事故的主要水源，也是该区煤矿防治水的主要对象。

2地震勘探

2.1施工方法

全区共布设9条地震测线，垂直于地层走向方向布置4条主测线，线距200 m，垂直于主测线方向布置5条联络测线，线距200 m，数据采集采用60 Hz检波器串（两串两并），观测系统采用道间距5 m、炮间距10 m、接收道数96道、中间不对称激发（36+ 60）。根据矿区的地形、地貌、地质条件，生产过程中选取不同震源激发，在岩石出露或基岩较浅区域选择井炮震源激发，在黄土覆盖区选取可控震源激发。

2.2解释方法

矿区深部二1煤层为主要可采煤层，煤层厚度较为稳定，平均厚度5.87 m，煤层顶板岩性多为砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩或砂岩，煤层与其顶底板围岩存在较大的波阻抗差异，反射系数比一般岩石要大，可形成较强的反射波（T2）。基于对特征波T2的认识，进行波组追踪对比，根据波的强度、相位、连续性特征，在时间剖面上确定反射层的起伏和错断情况。

断点确定的一般依据：

①反射波同相轴错断或重复；

②反射波同相轴数目增加或减少，波组间隔或产状突然发生变化；

③反射波突然出现中断或发生小段空白，中断或空白处两侧同相轴具有明显的时差；

④反射波相位的分叉与合并；

⑤反射波同相轴或相位强烈扭曲，伴随时差，一般为小断层的反映；

⑥出现绕射波、断面波等异常波。

根据以上特征确定疑似断点，然后再与其它测线进行闭合并结合地质规律对断层作出判别。

本次对比追踪从波组特征比较明显的DZ07线开始对比，然后利用交点闭合的关系延伸到其他测线（图1）。

图1　DZ07线Figure 1 Line DZ07

图2　DZ03线地震时间剖面解释结果Figure 2 Line DZ03 seismic time section interpreted results

选择矿区西部DZ03线为例，对该区断层与陷落柱的典型特征进行说明（图2）。从图中可以看出：二1煤层反射波较为连续，波组特征明显。在桩号430～510之间二1煤反射波缺失且其附近（上、下）波组零乱，结合与其重合的瞬变电磁剖面特征，推断解释为一陷落柱反映；此外，在桩号620、740和820附近二1煤反射波同相轴错断（或扭曲）明显。结合已有资料及相邻地震剖面特征，分别推断为F3、F2、F1。

3瞬变电磁

3.1施工方法

垂直主构造线方向布设9条瞬变电磁勘探线，线距100 m，其中4条与地震勘探主测线重合，其余5条为加密测线。接收线圈采用直径为1 m的MTEM-AL中频瞬变电磁接收线圈，以减少一次场影响、提高分辨力。为保证本次瞬变电磁勘探工作取得高信噪比、高质量的原始资料，在生产前进行了仪器标定工作和详细充分的试验工作。经过试验工作最终确定本区的主要工作参数有：使用发射线框600 m×600 m的大定源回线装置，回线内观测，发射电流7 A，发射频率：25 Hz。

3.2资料解释

矿区存在多种含水地质体，含水断层、裂隙的电阻率比周围围岩的电阻率低，寒武系灰岩的电阻率高于其上覆地层的电阻率，煤系的电阻率高于围岩。另外断层穿越不同岩性的地层，其断层破碎带中的物质成分不同，所形成的断层角砾不同，导致的透水性与富水性也不同，其中在灰岩和砂岩中，断层破碎带的富水性较好，电阻率真低；而在泥岩、砂质泥岩中的断层破碎带的富水性较差，其电阻率就高。这是瞬变电磁法评价断层裂隙和含水层富水性的物理依据。

3.3典型剖面解释

这里选择与地震剖面DZ03线重合的TEM03线为例来说明瞬变电磁法的解释效果（图3）。

图3　TEM03视电阻率断面图Figure 3 TEM03 line apparent resistivity section

从TEM03线视电阻率断面图可看出，剖面的电性总体表现为在地面标高50 m以上视电阻率等值线横向分布较均匀，其视电阻率中-低-中-低特征则是煤系的反映，这部分受断裂等影响横向均匀性变化较大；地面标高50 m以下视电阻率等值线横向分布较均匀，其视电阻率特征表现为逐步升高是C—∈灰岩的反映。在桩号450～500 m，地面标高0m以下有一低阻异常，推断为一陷落柱；在620、740和820附近，地面标高50～100 m视电阻率等值线扭曲，且出现局部低阻异常，推断为断层影响且存在富水区，二种方法解释结果基本吻合。

4成果及验证

通过本次工作，共解释出断点24个、陷落柱1个，圈定富水区域9块。根据解释出的断点共组合出断层8条，基本上查清了勘查区的地层、断层富水性特征，圈定了寒武系灰岩及石炭系灰岩富水区分布范围（图4）。

寒武系上统灰岩溶隙-裂隙承压水发育，主要集中在F3和F5以北，面积大，富水性强，在断层交汇部位岩溶水极其发育，具上下连通现象。发育在DZ03线桩号400～500的陷落柱，富水性强。

图4　综合成果图Figure 4 Comprehensive results

石炭系上统太原组（C2t）灰岩岩溶水，富水区主要集中在F3以北和兴F2以西，面积较大，富水性中等。

经钻探验证，地震勘探和瞬变电磁勘探方法是本矿区水文地质勘查工作行之有效的工作手段。位于富水性较弱区域钻孔SZ1孔，太原组（C2t）岩溶含水层水位标高为98.99 m，单位涌水量为0.912 L/（s· m），渗透系数为1.514 m/d，具有中等富水性。二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层水位标高为73.56 m，该含水层的单位涌水量为0.546 L/（s·m），渗透系数为1.537 m/d，具有中等富水性；位于富水性较强区域钻孔SZ2孔打穿了断层破碎带，破碎带厚度约为40 m，寒武系上统凤山组（∈3f）灰岩和石炭系上统（C2t）灰岩含水层的水位为128.43 m，单位涌水量为1.510 L/（s·m），渗透系数为2.248 m/d，具强富水性。

5结语

煤矿区水文地质勘查中采用瞬变电磁法、地震勘探，结合钻探、抽水试验、水文地质调查等资料查明矿区寒武系、石炭系、煤层顶底板、采空区等富水区的赋存位置、范围和形态，以及断层的含水、导水性，是一种较为理想且行之有效的勘探方法，可为矿井的安全生产提供技术保证，因此综合物探技术在煤矿水文地质勘查方面具有良好的应用于前景。

［1］熊章强，方根显.浅层地震勘探［M］.北京：地震出版社，2002.

［2］李金铭，罗延中.电法勘探新进展［M］.北京：中国地质出版社，1996.

［3］刘海涛，杨娜.综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用［J］.工程地球物理学报，2011，3.

Application of Integrated Geophysical Prospecting in Coalmine Hydrogeological Exploration

Cao Qingzhang，Zhao Min
（Henan Provincial Airborne Geophysical Prospecting and Remote Sensing Center，Zhengzhou，Henan，450053）

In allusion to issues of uncertain hydrogeological condition etc.in a coalmine，Yuzhou，Henan，have carried out seismic prospecting combined with TEM method.To ensure the interpreted results can be mutually corroborated，4 coincident lines perpendicular to strata strike have been laid out.Taking the DZ03 seismic time section and TEM03 apparent resistivity section as example，according to their physical characteristics carried out subsided column and fault interpretations.The result has shown that interpretations of the integrated prospecting are highly consistent.Through the method，1 subsided column and 8 fault complexes have been interpreted. Based on fault position and water rich area distribution have inferred large area water rich zones to the north of F3and F5，especially karst water extremely developed on fault intersections and connected from top to bottom.Besides，subsided columns have strong water yield property.Rather large area medium water yield property zones have existed to the north of faults F3and XF2.

coalmine；hydrogeology；seismic prospecting；TEM；fault；subsided column；water yield property

P631

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.18

1674-1803（2016）08-0083-04

曹清章（1962—），男，高级工程师，主要从事地球物理勘探工作，现在河南省航空物探遥感中心工作。

2016-05-03

责任编辑：孙常长