大同矿区煤系地层富水性预测CSAMT勘探试验

张建智

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北省涿州市， 072750)

大同矿区是华北典型的双纪煤田，对基底构造的研究对成煤规律、构造成因、采区工作面合理布置、安全防治水等工作都具有重要的指导意义。龚飞等研究了煤系地层的一维正演并与实测曲线进行了对比, 余传涛等研究了煤矿隐伏断层的CSAMT探测效果，宋玉龙等研究了CSAMT探测煤矿采空区的应用效果，于昌明等在大同陷落柱探测中取得了较好的效果。 这些研究针对影响煤矿开采的断层、陷落柱、采空区等致灾因素的CSAMT响应特征及效果进行了讨论，研究成果表明煤系地层中构造是影响煤系地层富水性的重要因素。

煤矿富水区预测是关系到煤矿安全生产的重要内容，目前主要采用了三维地震技术解释导水通道(构造、陷落柱等地质异常)、采用电阻率法(直流电法、TEM等)解释赋水范围的方法进行探测，并结合井下巷道揭露情况指导煤矿防治水工作，但对于大同煤田，由于浅层新生界地层电阻率较低，影响了瞬变电磁法和直流电法勘探深度，采用大功率CSAMT进行试验是解决深部煤层富水性预测的一个思路。本文从煤系地层富水区的控制因素出发，根据三维地震和测井建立数值模型，探讨大同矿区煤系地层富水性特征，并据此开展了煤系地层富水性预测的CSAMT测试试验。

1 地质背景

1.1 区域地质与水文地质概况

大同煤田位于牛心山和口泉山之间，大部分为低山丘陵地貌。区内出露地层有太古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系及第三系、第四系地层，整体为一北东-南西向向斜构造，东南翼窄，地层倾角陡，构造较复杂，西北翼宽广，地层及构造简单，如图1所示。

图1 大同矿区大地构造纲要图

区域内河流由北至南依次为十里河、口泉河、

鹅毛口河、小峪河、大峪河、元子河等6条季节性河流，对地下水补给有限，地层含水性从上至下逐渐变弱。奥灰水位线标高在1100～1200 m之间，水文地质条件相对简单，如图2所示。

图2 大同矿区奥灰等水位线图

1.2 煤层及地质构造

井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系山西组。本次试验区主采煤层为石炭系太原组5#煤层和8#煤层。根据三维地震成果，区内构造发育，以高角度东西向正断层为主，测区构造纲要图如图3所示。

图3 井田构造纲要图

1.3 试验区地球物理特征

井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系山西组，太原组煤层总厚约为25 m，山西组煤层总厚5.5 m。根据测井数据统计，各个地层电性参数见表1，各地层电阻率差异明显，具有大地电磁法开展工作的物性条件。

表1 煤岩层电性参数特征表

2 煤系地层CSAMT响应

CSAMT纵向分辨率相对较低，分辨煤层及顶底板比较困难，但煤系地层中由于煤层顶底板电阻率差异明显，研究煤系地层的电磁响应，有利于利用CSAMT研究煤系地层富水性在纵向的连通关系，指导生产。

2.1 水平层状大地电磁场正演计算

由麦克斯韦方程得到的Ex、Hy解析表达式为：

采用汉克尔积分变换进行求解计算。卡尼亚视电阻率计算公式为：

(3)

式中：Ex——电场水平分量，V/m；

Hy——磁场水平分量, A/m；

PE——电偶极子在层状介质表面产生的电磁场，A/m；

λ——采样频率，Hz；

i——电流强度，A；

u1——相对磁导率，H/m；

u0——真空中的磁导率，取4π×10-7H/m；

ω——角频率，(°)；

r——偶极子长度，m；

k1——第一个电性层的波数；

ρ——卡尼亚视电阻率，Ω·m；

J1(λr)——以λr为变量的一阶贝赛尔函数。

2.2 均匀半空间CSAMT模型正演

根据试验目的，在ZK860井附近进行了试验，并模拟了一维各向同性介质条件下CSAMT的正演响应，所用参数为：发射电极AB=2 km,发射电流10 A，收发距为12 km，根据ZK860测井曲线，模型参数见表2。

表2 模型参数表

ZK860点的正演理论值和实测值对比图见图4。从图4可以看出，理论视电阻率曲线和实测曲线基本重合，理论相位和实测曲线相差较大，这是地下地质条件复杂的特征，由此验证正演计算可靠，可以指导野外生产和数据反演、解释。

3 煤系地层富水性预测试验

为了验证煤系地层富水性预测CSAMT效果，选择大同煤田中部的已知构造富水区开展了CSAMT探测试验。

3.1 试验区地质特征

试验线整体为F98、F99控制的地堑，构造发育。整个剖面有4个钻孔控制，根据测井曲线统计，煤层顶底板与煤层电阻率有一定差异(见表1)，利用CSAMT开展试验具有良好的地球物理电性前提。

图4 均匀半空间CSAMT正演结果图

3.2 工作方法

试验区煤层埋深在300～450 m之间，可控源音频大地电磁发射、接收工作频段为5～3840 Hz，共28个频点，各频点在对数坐标轴上基本均匀分布，实际试验收发距为12 km,发射源长度为1.5 km,发射机供电电流7 A，供电电压400 V，为保证数据质量，每个点叠加次数为50次，在正式测量前按规范对不极化电极的一致性进行了测试，对仪器和探头进行了标定。

3.3 数据处理与解释

在充分收集区内已有地质、水文和相关资料的基础上，对前期的相关地质报告进行了分析，根据已知钻孔附近采集的资料，进行地电特征分析，结合本区的地球物理特征，对获得的资料进行反复认识和推敲，为进一步资料处理和解释工作提供前提。资料处理主要包括预处理、一维正演和一维反演等工作；预处理包括了畸变点剔除、曲线平滑、静态校正、近场校正等。

3.3.1 曲线特征分析

试验线L10线的部分原始视电阻率曲线如图5所示。中高频段视电阻率在20～40 Ω·m之间，小于15 Hz低频部分视电阻率随频率降低而逐渐上升，对比视电阻率曲线，试验线地层可分为二层，上部低阻和下部高阻层，与实际地层结构基本一致。

图5 L10线实测视电阻率曲线

3.3.2 拟断面分析

L10线实测数据拟断面图见图6，图中横坐标为距离桩号，纵坐标为频率的对数。由图6(a)可知，视电阻率从低频到高频呈高-低-高特征，整体上频率在32 Hz附近电阻率呈低电阻，频率小于20 Hz视电阻率呈逐渐增大趋势，成层性好。由图6(b)可知，视相位断面也有类似的层状结构，是煤系地层的CSAMT典型特征。

图6 L10实测数据拟断面

3.3.3 成果解释

反演采用了钻井和测井曲线约束的OCCAM法，最终获得用于解释的反演剖面图。L10线反演电阻率剖面与地震时间剖面叠合的综合解释图见图7，电阻率为反演电阻率的常用对数值。整体上剖面电性层呈中间低两侧高的趋势，与本区的地层变化趋势一致，受F99、F98、DF109和DF325断层影响，各组地层发生明显的错断，图中同向轴与电阻率变化趋势基本一致。

图7 L10反演电阻率剖面综合解释图

在纵向上电阻率剖面可划分为6个电性分层：第一电性层位为第四系覆盖层，呈低阻特征；第二电性层位为二叠系山西组泥岩和煤段，呈高阻特征；第三电性层位为二叠系下石盒子和上石盒子砂岩段，呈低阻特征；第四电性层位为石炭系太原组泥岩、煤层，呈低阻特征；第五电性层位为本溪组地层，呈低阻特征；第六电性层位为奥陶系灰岩段，呈高阻特征。根据剖面电性特征，对比测井曲线，推断了5#煤层、8#煤层和奥灰顶界面的地层界线。

通过对本区地质资料收集可推断，断层中地下水的分布极不均匀，这是由于断层本身结构的不均匀性造成的，断层结构的不均匀性同时也造成断层富水性研究的复杂性。因此，利用视电阻率值判断断层的富水性是常用的煤矿采区富水性预测方法。由图7可知，相对电阻率最低的为本溪组地层，为K1灰岩含水层，测井资料显示K1灰岩含水层富水性中等，是影响煤层开采的主要含水层。结合电阻率剖面，F99和F98连通第四系、煤系地层和奥陶系，控制了地下水的空间格局，因此断层水是影响煤层开采的主要影响因素。断层的富水性与电阻率断面图上的低阻异常对应，对断面上的电阻率异常进行分析认为，F99和F98在5#煤层附近富水性较强。其中F99和F98与上覆含水层连通, F99和F98可能与奥灰连通。

3.4 煤层富水区综合预测

5#煤层富水性预测图见图8。图中的等值线为顺5#煤层电阻率值，岩层富水性评价借助电阻率参数，电阻率低对应富水性强，反之亦然。依据电阻率顺层切片，预测5#煤层富水性。通过研究各剖面电阻率断面图和5#煤层电阻率顺层切片，对5#煤层附近断层的影响范围及富水强度进行分类，图中蓝色区域(电阻率80～120 Ω·m)为强富水区域，黄色区域(电阻率150～250 Ω·m)为中等富水区域，红色区域(电阻率大于250 Ω·m)为弱富水区域，503、504、505工作面回采过程中顶、底板有轻微渗水，DF87断层富水性差，与CSAMT预测富水性中等基本一致。

图8 5#煤层富水性预测图

根据各条断面电阻率断面图和顺5#煤层电阻率切片对断层进行了综合解释，F99、F98为区域性深大断裂，连通煤系地层与奥灰，其他断层规模较小，导水性弱；在5#煤层附近，F99、DF109、DF170断层富水性中等，其他断层富水性较弱；在电阻率断面上，F99、F98、DF325断层电阻率畸变特征明显，属于较可靠电阻率异常，断层富水性、导水性分级评价见表3。

表3 断层富水性、导水性分级评价表

4 结论

目前，采用地面三维地震和瞬变电磁综合开展煤矿采区富水性探测已经取得了较好的效果，但在地球物理条件比较复杂的矿区，瞬变电磁法在勘探深度和精度上都受到制约。本文通过对比大同矿区煤系地层的CSAMT正演响应与实测数据的特征，开展CSAMT勘探试验，建立由井约束的精确地电断面对煤层、构造的富水性进行预测，结果表明：

(1)通过数值模拟，在大同地区，CSAMT能有效识别煤系地层中含水砂层，煤层及奥灰界面，可以作为煤矿采区矿井水文地质勘探的技术手段。

(2)通过大同矿区煤系地层的CSAMT勘探试验，认为CSAMT方法在影响煤层开采的富水区预测和探测中具有一定的优势。

在以往的煤系地层CSAMT勘探中，由于奥灰高阻界面的响应与CSAMT近场效应重合，影响了深部勘探的精度。随着CSAMT技术在理论方面的不断完善，全区精确电阻率计算的应用为CSAMT解决煤系地层、奥灰富水性评价提供了条件，本次试验也为深部煤矿富水性预测积累了经验。