高密度电法在煤矿含水层富水性探测中的应用

王海博，郭 恒

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

陕西彬县某煤矿属于大型现代化矿井，主采4号煤层，矿井水文地质类型划分为“简单”。目前该矿ZF2404 工作面回采至240 m 时出现涌水，且水量最大达到500 m3/h，较大的涌水量致使工作面多次停采排水，不但严重影响回采进度与经济效益，矿井安全生产也面临巨大威胁。在已有的勘探资料中，本采区以至整个井田的地质构造和水文地质条件均比较简单，但ZF2404 工作面长期持续的大量涌水，表明4 号煤局部水文地质条件具有相对复杂性。为保证ZF2404 及后续工作面的顺利和安全回采，采用地面高密度直流电法[1]对开采工作面上部主要含水层的电性特征及富水性进行探查[2-3]。

1 研究区工程概况

研究区域位于彬长矿区的东南，陇东黄土高原的东南部，属陕北黄土高原南部塬梁沟壑区的一部分。测区为泾河台地与河川地貌，河流切割深度达百米。测区地层按由老到新有三叠系、侏罗系、白垩系、新近系及第四系，主要含煤地层为侏罗系下统延安组4 号煤层。主要含水层为侏罗系层状裂隙承压水含水层、安定组（直罗组）层状裂隙承压水含水层。

高密度直流电法通过观测和研究人工建立的地下稳定电场在地面的分布规律来解决矿产资源、环境和工程地质问题[4-5]。该方法具有野外数据的快速和自动采集的特点。与传统直流电阻率法相比，效率高、信息丰富、解释方便、探测能力显著提高[6]。结合测区中有高压线穿过，电磁感应类方法受电磁干扰影响较大，如瞬变电磁法[7]。而直流电法受电磁干扰较小[8]，同时结合本次主要解决测区浅部低阻松散覆盖层有关的问题，因此，选择对浅部分辨率较高，且方法理论较为成熟的高密度直流电法进行探测。测区相对位置示意图如图1。

图1 测区相对位置示意图

电法探测区地形起伏不大，但施工障碍较多，有东西向横贯测区的新国道及泾河河道，测区南北两端各有福银高速及沪霍公路对电法测线的布置构成一定障碍和限制。根据现场实际条件对电法测点的布设进行了适当的调整，尽可能多的覆盖和控制目标区域。调整后的电法测区，分为（泾河）南北2 个区域，基本线距20～40 m，点距10 m，各区分别布置高密度观测剖面8 条。工程任务主要为探查白垩系洛河组含水层的电性变化特征、探查白垩系宜君组含水层的电性变化特征和探查侏罗系安定组顶部地层的电性变化特征。

2 工程成果及其验证

在视电阻率断面上，若地层不受富水区或含导水构造影响，沉积有序的含煤地层，其电阻率分布也有与之对应的次序。反映在视电阻率断（平）面上，等值线呈似层状分布；当存在低阻异常体（富水区或含导水构造）时，电阻率值降低，等值线表现为圈闭或呈密集条带等形状。在彩色视电阻率断面上约定较深的绿色代表低阻异常（富水区），砖红色代表高阻异常（不含水或含水性差），颜色递变与视电阻率的变化相对应。

2.1 断面异常分析与解释

据现场踏勘，本次电法探测区域，浅部第四系、新近系地表为薄层黄土、冲积砂层及河卵石、砂质黏土、亚黏土等，电性特征为低阻层。探测的3 个目标层中，洛河组为厚约100 m 的砂岩砂砾岩，宜君组为厚约30 m 的砾岩，安定组上部为厚约50 m 的中粗粒砂岩泥岩互层。3 个目标层均相对含水层，相对于下伏隔水层和煤层呈现为低阻电性特征，层厚、埋深均处于直流电法探测最为有利的分辨范围。本次选取测区内4 号和14 号测线视电阻率等值线断面为例，进行分析解释，测线相对位置示意图如图2。

图2 测线相对位置示意图

2.1.1 4 线视电阻率断面异常分析

此测线位于泾河北测区，ZF2404 工作面上方，正北方向，长度600 m，沿线地形平坦缓。据邻近钻孔，目标含水层洛河组顶界埋深20 m，厚度100 m；宜君组含水层顶界埋深120 m，厚度30 m；安定组顶界埋深为150 m，厚度50 m。4 线视电阻率断面图如图3。

图3 4 线视电阻率断面图

由图3 可以看出，视电阻率等值线基本上呈现层状分布的总体特征。低阻异常体主要分布在测线的南段（40#～60#测点），层位上则主要出于洛河组120 m 深度以上。低阻异常的上下连通性不强。

据已掌握地质资料，测区地质构造简单，中上部地层未发现明显的断裂、褶曲构造，因此，洛河组中的低阻异常应该是砂岩层组裂隙相对发育并含水的地段，45#测点附近有与浅地表水联系的迹象。低阻异常向宜君、安定组地层延伸发育的迹象不明显。测线北段、南段局部有零星小异常分布在地表浅部，应与卵石砂砾含水有关，下部安定组的小异常应该也是局部裂隙含水的反映。

2.1.2 14 线视电阻率断面异常分析

此测线位于泾河南测区，测线方位136°，长度600 m，测区范围内地形平缓。据已知钻孔，目标含水层洛河组顶界埋深20 m，厚度100 m；宜君组含水层顶界埋深120 m，厚度30 m；安定组顶界埋深150 m，厚度50 m。14 线视电阻率断面如图4。

图4 14 线视电阻率断面图

由图4 可以看出，中段（15#～30#测点之间）和南段（45#～60#测点之间）发现2 处规模较大的低阻异常，幅度较弱。异常主要位于洛河组下部及宜君、安定组砂岩层位，应为裂隙相对发育的弱含水区域，其中南段异常在浅部砂石卵砾层也有分布，有与浅地表水力联系的可能。

2.2 平面异常分析与解释

对白垩系洛河组和宜君组、侏罗系安定组等地层分别进行平面异常分析与解释。视电阻率平面图如图5。

1）洛河组中段电性分布。该平面数据取自洛河组中段（深度70 m 附近），发现3 处低阻异常，由图5（a）可知：1 号异常区主要位于泾河北测区的南段（40#测点以南），1 线～8 线均有不同程度反映，规模相对较大、幅度较强，有向东向南延伸趋势；2#异常区位于泾河南测区各测线中段（21#～26#测点之间），垂直测线走向，规模较小，异常幅度弱。其它零散低阻区域未予编号。从整个测区范围来看，仅有1 号异常范围相对较大、幅度较强。这些低阻异常应该是洛河组中段砂岩裂隙发育、相对含水的地段。

图5 视电阻率平面图

2）宜君组中段电性分布。数据取自宜君组中段（深度120 m 附近），发现4 处低阻异常，由图5（b）可知：1 号异常，泾河北测区北段，其位置与洛河组1号低阻异常区大致对应，可能有垂向上的联系，但范围明显变小、幅度也明显变弱；2 号异常区于泾河北测区北段，3 线～5 线、11#～18#测点之间大部区域，异常幅度较弱，与洛河组相比，是新增加的异常；3 号异常区于泾河南测区中段，其平面位置与洛河组2号异常区基本对应，二者可能存在垂向联系，形状稍有变化，幅度较强，有向西南方向延伸趋势；4 号异常区于泾河南测区南段，11 线～16 线、46#测点以南部分区域，幅度较弱，有向东南方向延伸趋势，与洛河组相比，低阻异常小、散、弱的特征更加明显，以上低阻异常应该是宜君组中段局部砂岩裂隙发育、相对含水地段。

3）安定组顶部电性分布。数据取自安定组顶部（深度170 m 附近），发现3 处低阻异常区，由图5（c）可知：1 号异常区于泾河北测区北段，平面位置与宜君组2 号异常区基本对应，范围略小，幅度较弱，可能存在垂向联系；2 号异常区于泾河南测区中段，其平面位置与宜君组3 号异常区基本对应，形状稍有变化，幅度较弱，可能存在垂向联系；3 号异常区于泾河南测区南段，其平面位置与宜君组4 号异常区基本对应，幅度较弱，有向外延伸趋势。

2.3 含水性趋势分析

3 个目标层均发现数量和规模不等的低阻异常，且呈现小、散、弱的总体特征。与安定组相比，洛河组、宜君组低阻异常的范围和幅度略大。低阻异常表明，各目标层的含水性弱而不均，洛河组、宜君组略强，安定组较弱，在局部裂隙发育地段有一定垂向水力联系。

从掌握资料来看，本区新近系红土隔水层岩性稳定，隔水性强，为井田松散岩类与基岩含水层之间的稳定隔水层。侏罗系安定组、直罗组泥岩隔水层也是稳定隔水层。在构造发育简单、缺乏较大的张型断层切割以及采掘未曾扰动的原生状态下，洛河组、宜君组、安定组各含水层之间以及含水层与煤层之间的垂向水力联系总体较弱，高密度直流电法探测圈定的低阻异常区即是局部砂岩裂隙发育区值得关注。

依据所圈定低阻异常（洛河组1 号异常区）的分布趋势，在ZF2404 工作面东侧、泾河北岸可能还存在一定范围的低阻区域，泾河南岸也可能有小规模的低阻区域，即与ZF2404 相比，后续工作面水文地质条件是类似的，仍存在不利的水文地质条件或安全隐患，后期矿方在物探低阻异常区提前进行打钻验证和疏放水工程，保证了类似工作面的安全开采。

3 结语

1）对测区内白垩系洛河组含水层、宜君组含水层、侏罗系安定组含水层的含富水性进行了探测，圈出了低阻异常区的分布范围，分析了异常区的分布特征，并结合地质、水文、钻探和采掘等资料进行了地质推断。

2）根据水文地质资料结合电法成果对各含水层之间的垂向水力联系进行了分析推断。认为白垩系洛河组、宜君组含水层在低阻异常区间局部可能存在垂向水力联系。但现场踏勘和成果资料中未发现从地表垂直发育完全穿透3 个层位的低阻异常情况。

3）通过本次物探成果结合后期钻探验证，确定了该矿ZF2404 工作面及邻近类似工作面顶板富水区域，后期通过钻孔及时疏放水，为矿井正常开采提供了安全保障。