古冲沟盆地区域煤层覆岩富水性瞬变电磁法探测技术研究

陈清通，牟 义

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013； 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

鄂尔多斯盆地是一个巨大而复杂的地下水盆地，自下而上埋藏有寒武系-奥陶系碳酸盐岩岩溶地下水、石炭系-侏罗系碎屑岩裂隙水和白垩系碎屑岩孔隙裂隙水及新生界孔隙水，其赋存规律、埋藏条件、分布范围和循环特征各异，各自构成相对独立的含水统一体[1-3]。根据盆地的地质及水文地质结构，结合含水介质类型，将鄂尔多斯盆地含水岩系划分为三大含水层系统，即寒武系-奥陶系碳酸盐岩岩溶含水层系统、白垩系碎屑岩孔隙裂隙含水层系统和石炭系-侏罗系碎屑岩裂隙与上覆松散层孔隙含水层系统[4，5]。每一个含水层系统可进一步划分为若干个亚系统。淖尔壕煤矿位于白垩系碎屑岩孔隙裂隙含水层系统和石炭系-侏罗系碎屑岩裂隙与上覆松散层孔隙含水层系统边界。淖尔壕煤矿主采4-2煤层，目前开采的北翼盘区1407及规划开采的1408、1409等工作面位于古冲沟盆地潜水富水区，其上覆侏罗系碎屑岩裂隙与松散层孔隙含水层为主要含水层，特别是松散层较厚。本文在分析鄂尔多斯古冲沟盆地上覆岩层水文地质条件的基础上，有针对性的采用瞬变电磁法进行4-2煤层覆岩富水性探测技术研究，首先进行仪器一致性检查及背景噪声调查，确保降低场地及仪器本身干扰，提高数据客观质量，然后进行现场参数测试，确定鄂尔多斯古冲沟盆地区域覆岩富水性瞬变电磁法探测的最优化参数，最后分析瞬变电磁探测结果，确定古冲沟盆地覆岩主要富水层及富水范围，指导矿井防治水工作，也为了解鄂尔多斯古冲沟区域覆岩水文地质条件提供了基础资料。

1 古冲沟盆地水文地质条件

淖尔壕煤矿目前主采4-2煤，回采工作面为1407综采工作面。4-2煤层可采厚度2.33～4.96m，平均3.75m，当前工作面煤层平均厚度4m。平均埋藏深度90m，基岩平均厚60m。淖尔壕煤矿采用长壁大采高综合机械化采煤工艺回采。

对于厚度大于3m的厚煤层开采导水裂隙带高度预测国内尚无标准预计公式，需根据国内其他矿井类似厚度煤层开采形成的导水裂隙带高度实测结果进行类比预测。本文选取鄂尔多斯市寸草塔二矿、察哈素矿导水裂隙带高度实测资料结果为参照，对淖尔壕煤矿4-2煤层开采导水裂隙带最大高度预测类比预测。寸草塔二矿和察哈素矿采用彩色钻孔电视观测法、钻孔冲洗液消耗量观测法及瞬变电磁法等多种方法对导水裂隙带高度进行现场探测，探测结果如下：①寸草塔二矿22111工作面倾斜长度300m，埋深311m，开采煤厚2.8m，覆岩为中硬岩层，探测结果为：该矿工作面覆岩破坏导水裂隙带高度41.06m，裂采比为14.66倍；②察哈素煤矿31303工作面埋深450m，走向长4250m，平均倾斜长300m，开采煤厚4.3～6.0m，平均4.75m，覆岩为中硬岩层，探测结果为：该矿工作面覆岩破坏导水裂隙带高度67.1m，裂采比为14.12倍。

淖尔壕煤矿也位于鄂尔多斯市古冲沟盆地区域，工作面附近采区煤层厚度平均4m，与察哈素煤矿、寸草塔二矿等水文地质条件类似，根据类比法可以对矿井煤层开采后垮落带、导水裂缝带发育进行预计，4-2煤导水裂缝带发育高度约为58.6m。井田北翼盘区东部4-2煤埋藏深度约为95～105m，古冲沟盆地松散层厚度大，最大可达60m，基岩最薄为35m。煤层开采后导水裂缝带发育高度约为58.6m，在北翼盘区东部古冲沟盆地区域导水裂缝带贯穿基岩发育至松散含水层内。

通过以上分析可知，矿井北翼盘区东部古冲沟盆地区域基岩厚度薄，导水裂缝带贯穿基岩发育进入松散含水层，基岩含水层与第四系松散含水层水能通过导水裂缝带进入井下采掘空间。因此，第四系(Q4)松散层潜水含水层在导水裂隙带沟通的情况下，已成为工作面的直接充水水源，充水强度大，对矿井产生威胁。

2 瞬变电磁场响应特征

由于鄂尔多斯盆地区域沉积环境的关系，煤系地层一般具有层状分布的特点，其电性分布具有特定的规律。在同一岩层内，电性分布相对均一(横向均一性)；不同岩层组合，其垂向电性分布和变化是有序的且与岩性组合顺序相对应(垂向有序性)[6，7]。根据钻孔测井曲线和该地区大量物探实践经验，正常情况下，试验区地层从上至下依次表现为：第四系地层，电阻率整体呈低～中阻特征；4-2煤层顶板侏罗系-白垩系地层岩性多以砂岩为主，夹泥岩，电阻率整体呈中高阻特征；4-2煤层则属导电性较差的中高阻层；4-2煤层底板岩性多以泥岩为主，夹砂岩，其电阻率整体呈低阻特征[8，9]，如图1所示。综上所述，当地层沉积层序稳定，不含局部地质构造、含/积/富水区时，地层由浅至深的电性呈稳定的“中(低)阻～高阻～低阻”的K型特征，如图2所示。

图1 典型异常体电阻率衰减曲线

图2 典型异常体电阻率剖面图

当地层富水或包含富水的地质异常体时，其电阻率会显著降低，横向上同一地层的电性均一性也会被破坏，在电阻率衰减曲线中富水层位会出现明显的低阻特征，含水采空区就表现出低于正常地层的低阻“弯曲凹陷”特征，在电阻率断面图或平面图上会出现等值线的密集扭曲、圈闭等现象，图2中第四系地层中的低阻异常1、2、3及穿层低阻异常4、5呈现相似特征。同理，当地层不含水或包含不富水的地质异常体，则出现明显的高阻特征，图1中出现高阻“凸起”特征，图2中的高阻1、2、3均有此特征，本次主要探测低阻富水体，高阻不富水体不再细述。这种明显的电性差异，为瞬变电磁法探测富水性提供了良好的应用前提。

3 瞬变电磁法优化试验

3.1 仪器一致性检查

试验过程中为了提高施工效率，投入2台接收机和3个接收线圈，为确保不同接收机、线圈的数据质量，在现场进行了一致性检测[10]。进行一致性检测时保持其他条件不变，分别更换接收机或接收线圈进行工作，检测结果如图3、图4所示。从图3和图4可见，不同接收机和线圈的数据曲线基本重合，说明各接收机和线圈没有出现故障，可以相互兼容，一致性较好。根据一致性检测数据计算的平均均方误差，接收机间的最大误差为0.11%，线圈间的最大误差为0.24%，满足规范和施工要求。

图3 仪器一致性对比

图4 线圈一致性对比

3.2 背景噪声调查

在发射机没有工作的情况下，接收机直接采集背景噪声，然后发射机工作采集正常信号[11]。背景噪声与正常信号强度对比如图5所示，从图5可见，所有测道正常信号的强度远大于噪声信号，表明该区背景噪声水平较低。同时噪声信号的最大值为0.0547，有效信号的最后一个测道值为0.1804，满足规范中信噪比大于3的要求，说明晚期测道的数据也很可靠。

图5 背景噪声与正常信号强度对比

3.3 参数优化选取

3.3.1 发射频率

本次探测的目标层位最大埋深约110m，各测道的视电阻率约为20～60Ω·m。规范中最大时窗估算公式为：

式中，t为电流关断后延时，ms；H为最大勘探深度，m；ρ(t)为延时t时刻视电阻率，Ω.m。

按式(1)估算，电流关断后延时0.78ms即可满足勘探深度要求，而25Hz的发射频率最大延时约为7ms，还具有盲区较小的优点，完全满足试验要求。

3.3.2 发射电流

发射电流越大，信噪比越高，因此实际施工时在保证仪器稳定工作的前提下，应选择尽可能大的发射电流，在此不再赘述[12，13]。

短期内对考上内初班、内高班、大中专本科院校的贫困户子女给予资金奖励，提高贫困户子女学习积极性，保证其能够顺利完成学业；从长远来讲，加大对基层教育的投入力度，改善基层教育环境，提高教学质量。扶贫扶智是扶贫开发的重要任务，也是阻断贫困代际传递的重要途径［4］。

3.3.3 增益

不同增益设置下的数据曲线对比如图6所示，三种增益的数据曲线基本重合，说明在该区背景噪声低于最后一个测道值的情况下，无论哪一种增益都能取得较好的数据。考虑到测区部分区段(如高压线、房屋附近)干扰较大，选择抗干扰能力强的1X增益。

图6 不同增益数据曲线对比

3.3.4 发射线框

根据试验区地质情况和最大勘探深度，设计两种发射框，边长分别为120m和240m的正方形边框。保持其它参数不变的情况下，两种发射框采集到的数据反演后结果如图7所示。从图7可见，两个地电断面在垂向上都表现出了该区“中(低)阻～高阻～低阻”的K型特征，但与发射框边长120m的结果相比，边长240m的结果分辨率更高，4-2煤层对应的高阻层位置更准确，在地下30多米处有1低阻层(白色虚线框部分)，推断该层为第四系地层富水所致，物探结果与已知地质资料吻合，而120m的结果则缺少该富水层的反映，因此发射框边长确定为240m。

图7 不同边长发射框数据反演结果对比

综上所述，本次试验采用的接收机和接收线圈不存在故障，误差在规程范围之内，一致性高，且试验区域背景噪声较低，试验数据采集可有效压制背景噪声，为参数优化试验及数据采集提供了可靠保证；针对鄂尔多斯古冲沟盆地区域覆岩富水性瞬变电磁法探测优化的参数为：发射频率25Hz、增益1X、正方形发射线框边长240m、尽可能大的发射电流，此参数适用于鄂尔多斯古冲沟盆地覆岩富水性探测。

4 覆岩富水性瞬变电磁法探测成果

依据瞬变电磁资料和成果，结合鄂尔多斯古冲沟盆地区域覆岩含水层发育特征，由点到线，由线到面，对本次物探资料进行解释[14]。测区地层由地表至煤层为第四系、侏罗系，仅有4-2煤1层可采煤层，侏罗系地层岩性以砂泥岩为主，根据上文分析的水文地质条件，主要的含水层分别为第四系(Q4)松散层潜水含水层和侏罗系碎屑岩类承压水含水层，这些地质条件是资料分析解释的基础[15，16]。

4.1 衰减曲线

以V-t曲线为依据，通过对比不同测点的曲线，定性分析地质体的分布[17，18]。典型的0线60号测点和90号测点V-t曲线对比如图8所示，在早期，90号点的衰减速度比60号点曲线明显要快，晚期两者则基本重合，这说明90号测点浅部的电阻率低于60号测点，而在深部两者的电阻率则趋于一致，根据地质资料推断90号测点处的第四系地层浅部的富水性要比60号测点强。

图8 衰减曲线对比

4.2 二维剖面

典型的视电阻率断面图如图9所示。由图9可见，纵向上由浅至深“中(低)阻～高阻～低阻”的变化特征表现得十分明显，与该区实际地质层位的电性变化规律吻合。在地表以下到高程约1260m左右有一连续性较好的低阻层，根据地质资料，推断为第四系地层富水的反映，该富水层整体北高南低的趋势也与测区地下水流向基本一致。由4-2煤煤层底板至其上高程约1260m，整体视电阻率值明显高于浅部地层，表明该范围内的侏罗系地层(煤层顶板)的富水性要显著弱于第四系地层。

图9 典型视电阻率断面图

4.3 三维切片

由于测区不同地层或岩层之间电性差异较大，可比性较差，在视电阻率断面图上，真正需要的某一层位的电性异常在某种程度上被掩盖[19，20]。为更好地比较同一层位不同区域的富水性，圈定弱异常，根据各条测线反演得到的高程-视电阻率数据，形成三维数据体，由高至低分别抽取了典型层位的顺层视电阻率平面图，据此分析第四系地层和侏罗系-白垩系地层含水层的富水性。间隔10m抽取的顺层视电阻率三维切片如图10所示，图中总体可以看出第四系地层视电阻率值整体较低，富水性相对强-中等，而侏罗系-白垩系及4-2煤层整体视电阻率值整体相对要高，富水性弱或不富水。

图10 顺层视电阻率三维切片

1)第四系地层富水性分析。由测区高程1270m层位的视电阻率分析可见，高程1270m层位富水性呈现低阻富水区明显增大、区域相互联通的特征。与高程1280m平面图相比，低阻异常范围大面积增加，北部低异常区从1407工作面上方开始延伸到1408工作面，中、南部低阻异常区开始东西覆盖1407和1408工作面上方，随着深度的增加，高程1270m层位中、南部的富水范围呈现区域化、互通化，特别是4376000线以南低阻富水区全部联通，4375000线以南低阻富水区全覆盖，富水性也极大增强，1408工作面南段局部出现较强低阻富水区。

2)侏罗系-白垩系地层富水性分析。由测区高程1220m层位的视电阻率分析可见，高程1220m层位富水性呈现整体无低阻富水区、弱富水性的特征。

3)4-2煤层分析。由测区高程1200m层位(4-2煤层)的视电阻率分析可见，高程1200m层位富水性呈现整体无低阻富水区、弱富水性的特征。

5 结 论

1)鄂尔多斯古冲沟盆地区煤层覆岩主要有第四系松散层和侏罗系-白垩系地层。正常地层电性呈稳定的“中(低)阻～高阻～低阻”的K型特征，当存在含水异常体时就表现出低于正常地层的低阻“弯曲凹陷”特征。

2)鄂尔多斯古冲沟盆地区域覆岩富水性瞬变电磁法探测优化的参数为：发射频率25Hz、增益1X、正方形发射线框边长240m、尽可能大的发射电流，此参数有效适用于鄂尔多斯古冲沟盆地覆岩富水性探测。

3)鄂尔多斯古冲沟盆地区域覆岩主要含水层为为第四系松散层孔隙含水层和侏罗系碎屑岩裂隙含水层，第四系岩层整体富水性较强，侏罗系岩层整体的富水性较弱，越接近4-2煤层富水性越弱。淖尔壕矿区第四系地层北部富水范围变化不大，富水区较分散，南部富水区面积较北部明显增大，且形成层状分布，局部富水强～较强，富水区联通性较强，富水性变化与该区地下水流向吻合；而侏罗系岩层富水区范围明显减小，零散孤立分布，不富水或富水性弱。