综合物探技术在青海鱼卡矿区三号井含水层富水性的应用研究

高国芹

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

青海鱼卡矿区三号井在建井前期已开展过煤田地质普查、详查、勘探，区内煤田地质勘探程度较高，在建井阶段，由于主井井筒施工揭露了第四系强含水层，出现大量涌水和冒顶垮塌现象，严重影响作业施工并被迫停工。为确保井筒建设安全生产，并为将来的巷道掘进、工作面回采及排水系统设计提出防治水措施及建议，有必要在分析以往资料的基础上，开展水文物探工作。本文针对青海地形高差较大的干旱沙漠地区野外数据采集的难点，探讨开展综合电法探测煤层顶、底板含水层的富水性以及断层的富含水性的有效性。

1 研究区概况

研究区属柴达木内陆水系、鱼卡河与德宗马海湖流域。鱼卡河位于井田南侧，该河自东北向西南流入德宗马海湖，是区域内唯一的一条长年性河流。该河流发源于达肯大坂山北坡和土尔根大坂南坡，自东向西径流。中上游河水主要来自山区的降水和冰雪融水，下游是由鱼卡河洪积扇前缘泉水汇集而成的泉集河。井田位于鱼卡冲洪积扇的北部，总体地势呈东北高西南低的趋势，最高处位于井田东北边缘高山地貌区附近的达肯大坂山。

1.1 地质概况

井田内多被新生界地层所覆盖。根据地表出露及煤田钻孔揭露，区内地层由老至新发育有奥陶系滩间山群（O3tj）、侏罗系（J）、古近系（E） 及第四系（Q）。

奥陶系上统（Q3）：全区分布，为本区含煤岩系的沉积基底，出露于井田北侧的达肯大坂山，井田内揭露最大厚度634.67 m。

侏罗系（J）：侏罗系中统（J2） 大煤沟组为本区主要含煤地层，出露于井田东北部及中部；门沟组出露于井田中部及西部，为区内的次要含煤段。侏罗系上统（J3） 采石岭组井田内呈条带状分布出露于井田西部，该组水平层理和小型斜层理较多，水动力条件不是很强；红水沟组出露于井田西部。

古近系（E）：分布并出露于井田中西部，地形上形成中低山。

第四系(Q)：在井田内大面积分布，以冲洪积亚粘土、砂土及砂砾石层为主，区内第四系沉积厚度较大，由井田中部侏罗系、古近系地表露头向南北两侧逐渐增厚。

1.2 水文地质条件

研究区水文地质条件和对煤层开采影响的水文地质因素，自上而下可划分为第四系松散层孔隙含水层和碎屑岩类侏罗系砂岩裂隙含水层2 大含水层组，后者又细分为侏罗系M5 顶板砂岩裂隙含水层、M6 顶板砂岩裂隙含水层、M7 顶板砂岩裂隙含水层、M7 煤底板砂岩裂隙含水层。综合水文地质柱状图如图1 所示。

图1 综合水文地质柱状图Fig. 1 Comprehensive hydrogeological histogram

第四系松散层孔隙含水层：第四系含水层厚度4.00～559.44 m。北山背斜以南砂卵砾石、含卵砾石、砂砾石所占比例较大；北山背斜以北中粗砂、砂砾石所占比例较大。受山前支沟冲洪积扇的侧向渗漏补给，水源较为充沛，富水性中等—强。

侏罗系砂岩裂隙含水层：M5 煤层顶板砂岩裂隙含水层，岩性主要为灰白色细、中、粗粒砂岩，含水层节理、裂隙局部较发育，含水层富水性弱，为M5 煤层直接充水来源；M6 煤层顶板砂岩裂隙含水层，岩性主要为灰白色细、中、粗粒砂岩，含水层节理、裂隙相对较发育，是弱富水相对较好含水层，为M6 煤组直接充水含水层；M7 煤层顶板砂岩裂隙含水层，岩性主要为细—粗粒砂岩和含砾砂岩，含水层节理、裂隙不发育，属于弱富水层，为M7 煤组的直接充水含水层。

1.3 研究区地球物理特性

松散岩类含水层主要分布于第四系砂砾石富集区，孔隙较大，接受补给条件好，可接受大气降水和地表水补给，富水性较强；砂砾石富集在电性上表现为高阻，而粘土在电性上表现为低阻。沉积岩中各电性层之间、砂岩与砂岩裂隙含水层之间、砂岩与煤层间存在比较明显的电性差异。

2 物探方法的选择

目前常用于煤矿井田水文地质补充勘探的物探方法有地震和电法。地震主要用于探测构造，电磁法在探测水的方面效果较好。研究区前期地质勘探程度较高，且构造简单，因此可以不考虑进行地震勘探，而采用电磁法的方法对各含水层进行富水性探测。

电磁法勘探方法种类较多，有高密度电法、直流电测深法、电剖面法、激发极化法、瞬变电磁法、可探源音频大地电磁法、核磁共振法等，而每一种勘探方法均有优缺点，综合考虑研究区地表及地电条件，最终选择对低阻反映灵敏、分层明显的感应类的瞬变电磁法和传导类的高密度电法2 种方法进行分析研究。

3 应用分析研究

3.1 试验点选取

试验点选取原则是人文干扰小、揭露地层最全且有代表性的已知钻孔作为试验点，力求试验工作能代表整个测区地质情况。试验点最终选择在已知主、副井涌水点附近。

3.2 研究区数据采集技术难点及采取的对策

（1） 研究区中部地形差，铺放瞬变电磁发射线框时，测量实放了每个线框的四个边及拐点，各边多带100 m 电缆按照实际坐标铺放线框，保证发射线框面积准确。

（2） 针对勘探区地质情况复杂，构造十分发育，资料解释难度大，尽量收集已有的地质、钻孔和水文资料等资料，利于资料解释。

（3） 针对高密度直流电法因地形影响，有些点位电缆难以到达准确位置时就采用引线连接，保障每个点距都是10 m；针对地表接地条件不好，高密度直流电法对每个电极都浇足够盐水，个别接地条件不好的使用多个电极。

（4） 针对勘探区地质情况复杂，构造十分发育，资料解释难度大，尽量收集已有的地质、钻孔和水文资料等资料，利于资料解释。

3.3 试验分析

3.3.1 高密度电法

高密度电法采用温纳装置，使用了转换电极120 路、4 个电池组360 V 电压进行试验，保证探测深度和供电电流，由于接地条件较差，野外数据采集过程中对每个测点都浇足够盐水、个别接地条件不好的使用多个电极并用以保证电极接地条件符合规范要求。

高密度试验线剖面图如图2 所示。

图2 高密度试验线剖面Fig. 2 Profile of high density test line

从图2 中可以看出，浅部视电阻率值高低阻分布不均匀，为第四系松散岩类孔隙冲洪积亚粘土、砂土及砂砾石的电性反映，高阻区域为砂砾石富集区即富水异常区。图中圆点部分为矿方在采掘过程中的涌水点，在高密度剖面解释成果图中有明显反映。

3.3.2 瞬变电磁法

如果在浅部存在一低阻体，瞬变电磁法在对深部资料的解释中，无论是水平切片还是顺层切片，低阻异常的范围或视电阻率等值线的形态都非常接近，对深部资料的解释难度增大。如果采用特殊处理消除低阻屏蔽，将提高资料处理解释精度[1]。

瞬变电磁法试验线断面如图3 所示。

图3 瞬变电磁法试验线断面Fig. 3 Transient electromagnetic test line section

从图3 中可以看出，断面图上部等值线呈封闭、半封闭，视电阻率为相对高阻，是第四系冲洪积亚粘土、砂土及砂砾石层的电性反映；下部浅黄色、蓝色区域视电阻率相对较低，是以泥岩为主的煤系地层的综合电性反映。其中，断面图上均可以看出测线中部有基岩出露，其地层在横向上因风化剥蚀，使其视电阻率值在同深度范围附近有明显变化，与已知钻孔对比，第四系基底起伏形态基本吻合，图中圆点部分为矿方在采掘过程中的涌水点，在瞬变电磁剖面解释成果图中有明显反映。

3.4 勘探成果及钻探验证

松散岩类含水层主要分布于第四系砂砾石富集区，孔隙较大，接受补给条件好，可接受大气降水和地表水补给，富水性较强；砂砾石富集在电性上表现为高阻，而粘土在电性上表现为低阻，因此寻找第四系地层水就要圈定视电阻率值的高阻区。

沉积岩中各电性层之间、砂岩与砂岩裂隙含水层之间、砂岩与煤层间存在比较明显的电性差异。在横向上，沉积地层的电性正常情况下是均一的或变化不大。当存在富水性的断层构造、含水层富含水或其它良导电地质体时（如断层破碎带富水，灰岩内的充水溶洞、裂隙、岩溶洞穴、断层、陷落柱、裂隙带、采空区等），则表现为相对低阻[2]。

3.4.1 第四系松散层孔隙含水层

根据物探成果解释相对富水异常区与钻探成果综合分析圈定了第四系富水异常区，富水异常区主要分布在北山背斜以南富水和北山背斜以北Q2- K3- K4 一线，与钻探抽水试验特征基本一致。

3.4.2 M5 煤层顶板砂岩裂隙含水层

图4 为物探圈定M5 顶板砂岩视电阻率等值线平面图，视电阻率值在65 ～210 Ωm 变化，根据水文地质资料并结合视电阻率变化情况，将视电阻率值小于85 Ωm 圈定为富水异常。富水异常区Ⅰ位于先期开采地段的西部，位于钻孔ZK32- 5、ZK32- 6 附近；富水异常区Ⅱ、Ⅲ位于先期开采地段的中部及东部位于M5 煤风氧化带边界处；富水异常区Ⅳ位于先期开采逆断层F4 附近，呈北西方向的一条带。经钻探抽水试验，该含水层属弱富水含水层，钻探验证准确率达80%。

图4 M5 煤层顶板砂岩富水异常平面Fig. 4 Water- rich anomaly plan of sandstone in the roof of No.M5 coal seam

3.4.3 M7 煤层顶板砂岩裂隙含水层

图5 为物探圈定M7 顶板砂岩视电阻率等值线平面图，视电阻率值在50～185 Ωm 变化，根据水文地质资料并结合视电阻率变化情况，将视电阻率值小于95 Ωm 圈定为富水异常区。富水异常区主要分布在2 个区段，富水异常区Ⅰ位于先期开采地段南部，集中在断层F1 及北部，富水异常区Ⅱ位于先期开采地段的中部，富水面积较大，主要集中在逆断层F4 附近。经钻探抽水试验，该含水层属弱富水含水层，钻探验证准确率达80%。

图5 M7 煤层底板砂岩富水异常平面Fig. 5 Water- rich anomaly plan of sandstone in the floor of No. M7 coal seam

3.4.4 断层的富含水性

对于富水断层，其视电阻率值远小于不富水断层和周围不富水地层的视电阻率值；断层的导水性取决于两盘岩性及断层力学性质，同一断层，由于两盘岩性以及力学性质的变化，不同部位的导水性不尽相同。发育于脆性岩层中的张性断裂，中心部位多为疏松多孔的构造角砾岩，两侧一定范围内则为张开度及裂隙率都增大的裂隙增强带，常具有良好的导水能力，断层两侧视电阻率值变化不明显；发育于含水泥质较多的塑性岩层中的张性断裂，构造岩夹有大量泥质，两侧的裂隙增强也不如脆性岩层中明显，往往导水不良甚至隔水，在断层两侧视电阻率值会发生较明显变化[3]。

图6 为F6 断层所在瞬变电磁某测线的视电阻率断面图。从图中可以看出，54～55 号点300 ～400 m 有一明显低阻层为粉砂岩的电性反应，54 ～55 号点600 m 左右有一明显高阻层为粗粒砂岩电性反应，右上部高阻区域为粗粒砂岩的电性反应。图中斜线为F6 逆断层，断层带附近电阻率与周围地层的电阻率存在明显差异，分析认为该断层在M6 煤层顶板砂岩、M7 顶、底板砂岩局部富水。与钻孔资料基本吻合。

图6 F6 断层所在瞬变电磁某测线的视电阻率断面Fig. 6 Apparent resistivity section of a transient electromagnetic survey line at fault F6

4 结 语

通过在青海鱼卡矿开展的综合电法勘探试验工作，在主、副井对涌水点进行了探测试验，并探测了煤系地层主要含水层的富含水性以及断层的富含水性，物探成果经钻探验证，准确率达到80%以上，表面在高海拔地区地表条件复杂情况下的地形高差较大的干旱沙漠地区，只要采取有效的综合物探技术对策，可以对含水层富水性进行有效勘查，并取得良好的勘探效果。