高密度电法和瞬变电磁法在转龙湾煤矿富水区探测中的应用

孟小杰，孙文斌，肖 磉

(1.核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410007;2.北京探创资源科技有限公司，北京 100071)

1 引 言

转龙湾煤矿位于鄂尔多斯高原东北部，最深可采煤层埋深在240 m左右，其安全开采直接受到煤层顶、底板砂岩含水层和第四系含水层、地表水系的影响。通常情况下，由于隔水层的存在，富水区很难对矿坑充水并构成威胁，然而，一旦冒落带裂隙高度达到含水层时，这些富水区的存在很可能转为充水源,并间接向矿坑充水，导致溃水甚至溃沙的危险，这将给煤层采掘工作带来巨大的困难和安全隐患。因此，查明研究区煤层富水区范围是防治矿井水害的关键，可以为矿井生产提供安全保障。

矿区水害探测及防治一直是工程地质灾害防治领域的研究热点和难点问题[1]。近年来，研究人员在含水层富水性研究领域开展了大量物探、钻探、水文地质等工作[2]。地球物理勘探方法因其具有快速、准确、经济等特点，已成为煤矿含水层探测的常用勘探方法之一[3-8]。其中，高密度电阻率法和瞬变电磁法具有对低阻敏感、经济、高效等显著优势，在煤矿富水性探测方面得到了广泛应用，并取得了良好的探测效果[9-11]。例如：刘国勇等[12]采用高密度电法对贵州六盘水市某废弃煤矿采空区进行探测，圈定出多个低阻异常区，并推断其为采空区积水和构造含水所致。翟培合等[13]采用高密度电法对微山煤矿富水区探测，在二维反演的基础利用三维可视化处理得到了煤层顶板砂岩地层、底板三灰地层和大屯断层带富水性的三维分布特征。于师建[14]采用瞬变电磁探测有效确定了含水层的富水异常区范围。刘百祥等[15]将瞬变电磁探测与钻探和前期地质工作相结合，查明了某煤矿工作面上覆采空区的富水区域。钟声等[16]利用地面与井下瞬变电磁探测相结合的方法，控制水害分布范围和圈定富水区域，指导下一步的抽排水工作。丁永禄[17]等采用瞬变电磁探测技术探明工作面横向范围与纵向顶板上方80 m范围岩层富水性，圈定了富水异常区段及等级。除煤矿富水区探测外，张红权等[18]还将瞬变电磁法应用于江西省贵溪市罗塘石膏矿区采空区探测并成功揭示出地下隐伏采空区的空间展布。张军等[19]利用瞬变电磁法探测地下灰岩溶洞取得良好效果。樊娟[20]利用瞬变电磁法探测黔北矿区青龙煤矿顶板岩溶发育情况及水力联系，圈定出顶板岩溶含水层的主要异常区，证明瞬变电磁法在岩溶水勘查等应用方面方法有效。由于单一地球物理勘探存在局限性，近年来，煤矿富水区探测逐渐向综合地球物理探测方向发展。李文[21]进行的地面物探方法特点及适用性研究总结出了不同物探方法的探测埋深，为实现煤矿水害地面精细探测提供物探方法组合，提高物探精度。李洪嘉等[22]通过数值模拟分析了高密度电法和瞬变电磁法不同装置类型对地下目标地质体的探测能力，并成功应用于煤矿采空区探测，查明了80 m以浅的地层分布和200 m以下的采空区分布特征，并得到了钻探结果的验证。江微娜[23]在瞬变电磁探测的基础上，利用高密度电法成功圈定出煤层内的低阻异常，并推测其是煤矿老空水所致，表明综合地球物理探测可以有效提高探测的可靠性。此外，梁向阳[1]采用瞬变电磁和音频电透视法在巴彦高勒煤矿深埋矿井富水区探测中成功划分出4处顶板富水区。由此可见，采用综合地球物理方法对煤矿富水区进行探测，将有助于矿井水害的防治。

为此，本文在转龙湾煤矿开展瞬变电磁和高密度电阻率法探测，通过对覆盖全区的综合地球物理数据进行反演，获得了研究区煤层含水层富水性的分布特征，并结合地质和钻探资料，重点分析了Ⅱ-3号煤层含水层的富水性，为该煤层的顺利开采提供了基础资料和安全保障。

2 地质概况与地球物理特征

2.1 地质概况

转龙湾矿区位于鄂尔多斯高原东北部，大地构造属于华北地台鄂尔多斯台向斜、东胜隆起的东南部。区内构造相对简单，总体为一单斜构造。倾向W—SWW，倾角为1°～2°。仅有一些宽缓的波状起伏和断距小于20 m的断层。研究区内地形总体趋势呈现西高东低、北高南低的态势，最小和最大标高分别为1 183和1 405 m，高差约222 m，地形起伏较小。

研究区地层由新到老大致可以划分为6套地层，分别是第四系全新统(Qh)和上更新统萨拉乌苏组(Qp3s)、侏罗系中统安定组(J2a)和直罗组(J2z)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)和三叠系上统延长组(T3y)。其中，第四系全新统(Qh)分布在研究区中部及东部，以风积砂为主(Qheol)、次为阶地堆积(Qhpl)和冲洪积(Qhal)。风积砂以细粒石英为主，阶地堆积物成分以松散的细粉砂土组成，冲、洪积物以中、粗粒砂为主，含小砾石，分布于河床及河漫滩。第四系上更新统萨拉乌苏组(Qp3s)多在低洼处或基岩裸露区的两侧分布。上部以灰黄、灰褐色黄土状亚砂土为主，中部为土黄色、杂色砂砾石层，下部为土黄色土层，由结构松散的粉细砂土组成。侏罗系中统安定组(J2a)在区内未出露，主要岩性为紫红色粉砂质泥岩，黄褐色块状长石石英砂岩。侏罗系中统直罗组(J2z)在公捏尔盖沟及西部较高的山坡上零星出露，岩性为浅蓝色粉砂质泥岩、夹土黄色砂岩透镜体。侏罗系中下统延安组(J1-2y)为采区内含煤地层，地表无出露，岩性主要为青灰色、灰黑色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，灰白色、浅灰白色砂岩，细、粉砂岩和煤层组成。厚99.78～257.83 m，平均187.01 m。含煤3～18层，可采煤层3～7层，全组含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五个煤组。三叠系上统延长组(T3y)为侏罗系含煤地层基底，该组地层在采区内无出露，上部主要岩性为灰绿色、灰白色中、粗粒长石石英杂砂岩，局部见泥质粉砂岩，偶含0.2 m左右的薄煤层。

研究区共分布4条断层，分别为DF1、DF2、DF4、DF7断层。其中，DF1和DF2正断层均位于研究区南部，前者走向NNE，倾向SEE，倾角约为65°，后者走向NE，倾向NW，倾角约为67°。DF4正断层位于研究区西部，走向NNE，倾向NWW，倾角约为72°。位于煤矿南部的DF7正断层是区内唯一的近NNW向断层，其倾向为NEE，倾角约为70°。

研究区内可采煤层共10层，其中Ⅱ-3煤层是主要的可开采煤层，煤层厚为0.8～5.96 m，平均厚度为4.9 m。煤层由东向西逐级增厚，东部为中厚煤区，西部为厚煤区。厚煤区约占总面积的一半。该煤层的顶板主要为粉砂岩和泥质粉砂岩，也有砂岩、细砂岩；底板则以泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主，局部含细砂岩。煤层在大部分区域较厚且稳定，全区可采，为一稳定煤层。

研究区地表水系较为发育，地表有乌兰木伦河，东南有公捏尔盖沟长年流水。通常情况下，地表水下部都有一稳定的隔水层阻碍其向矿井充水。但是，在基岩厚度较薄区域，尤其是距离公涅尔盖沟较近的区域，如果开采时顶板导水裂隙带发育到第四系附近，就很可能导致间接充水。

研究区共存在3个含水组，自上至下依次是第四系松散岩类孔隙潜水含水组、Ⅱ-3煤层顶底板砂岩含水组和Ⅴ-1煤层顶底板砂岩含水。其中，Ⅱ-3煤层顶底板砂岩含水组为主要充水水源，尤其是顶板砂岩中的承压水(Ⅱ-a′含水层、Ⅱ-a含水层、Ⅲ-a含水层)，而第四系松散岩类孔隙潜水含水组则是间接的充水含水层。表1为侏罗系地层含(隔)水层的组合关系，从中可以发现，Ⅱ-3煤层自身含水，裂隙发育，钻进到此层位时多发生涌水、漏水现象。值得注意的是，区内隔水层的隔水条件比较好，各含水层之间基本没有水力联系。

表1 侏罗系地层含(隔)水层组合关系

2.2 地球物理特征

研究区地层岩性主要有粉砂岩、砂岩和泥岩。煤层作为开采的目标地质体，其电性特征与其他地层存在显著的差异。通常情况下，泥岩、粉砂岩、细砂岩、中粗砂岩、煤层的电阻率值依次增高。在致密完整的情况下，岩层电阻率相对较高，如果岩层中有充水裂隙或岩溶等构造存在时，或受断层切割，破碎带含水、导水时，由于水体良好的导电性，使该岩层与围岩产生明显的电性差异，其电阻率明显下降。由此可见，富水区与围岩之间的电性差异为高密度电阻率法和瞬变电磁法探测提供了应用前提和地质解释的依据。

3 数据采集与处理

矿区预主采Ⅱ-3煤层为近水平煤层，平均厚度约4.3 m，煤层平均埋深190 m。为了更好地掌握探测区域内地下水的分布情况,及进一步减少各种物探方法探测成果解释的多解性，提高探测精度，采用高密度电阻率法勘探与地面瞬变电磁法勘探相结合的综合物探方法调查探测区内的地下水的分布情况，为矿井防治水规划提供参考资料。

3.1 数据采集

物探测线布置见图1。全区瞬变电磁法按照40 m×20 m测网进行布置，即线距40 m，点距20 m。共设计测线21条，测点3 485个；共设计3条高密度电法测线，分别命名为L1～L3，电极距10 m，隔离系数为50,其中：

图1 物探测线布置

L1布置于L440线，起点位于760点，终点位于1760点，测线长度1 000 m；

L2布置于L600线，起点位于920点，终点位于1720点，测线长度800 m；

L3布置于L280线，起点位于120点，终点位于1120点，测线长度1 000 m。

高密度电阻率法采用了E60M型直流电法工作站，根据现场环境选取了一条测线，分别采用单边A三级、B三级、温纳等实验装置进行了试验，最后采用温纳装置进行了施工，进一步丰富本次探测的成果资料，提高本次探测的成果解释精度。

本次采用加拿大Geonics公司生产的ProTEM57瞬变电磁仪，中心回线装置。经发射边框、发射频率、发射电流、积分时间等参数的试验后确定施工参数：发射线框280 m×280 m；发射电流为10 A；发射频率为6.25 Hz；积分时间为60 s。

3.2 数据处理与分析

根据研究区钻孔资料，采区最深可采煤层为V-1煤，其埋深在240 m左右。数据处理首先对已知钻孔ZK5933、ZK5932附近测线L480、L440进行反演，结合钻孔资料分析视电阻率断面图中地层和钻孔揭露的地层层状分布是否相吻合。

图2是ZK5932钻孔附近所在的瞬变电磁法L440线视电阻率断面图。从横向上看，剖面1 420～1 760 m段，视电阻率等值线呈现低阻半闭合状，推断该段为侏罗系直罗组砂岩富水异常所致；其他地段，视电阻率值相对较大，为弱含水或不含水地层。图3是ZK5933钻孔旁瞬变电磁法L480测线360～660点范围内的视电阻率断面图。从图3中可以看出，视电阻率值随深度加深先增大，后减小，再增大；煤系地层层位稳定，等值线平滑呈层状，和钻孔揭露的地层层状分布相吻合。

图2 瞬变电磁法L440线断面

图3 瞬变电磁法L480线断面

从图2和图3可以看出，在纵向上，第四系、侏罗系安定组、直罗组及延安组煤系地层视电阻率视电阻率值呈现先升高、再下降、再升高的趋势；在横向上，视电阻率等值线基本沿着地层的倾向似层状，反映了地层层状分布的特点，局部地段出现视电阻率等值线低阻闭合现象，结合水文地质资料分析，为砂岩富水所致。

文中资料分析综合利用了以电性参数结合数理统计法，确定异常划分依据，再结合测区内的水文地质资料，对构造发育相对较弱的地层，富水区的阈值作了适当的调整，最终确定Ⅱ-3煤层底板相对富水区阈值为22 Ω·m。

4 成果解释

4.1 断面图解释

图4为L1高密度电阻率法成果图，该测线探测起点位于瞬变电磁法L440线760点，终点位于瞬变电磁法L440线1 760点。该成果图可以在平面及深度上较准确地反应瞬变电磁法L440线附近地表以下0～170 m深度范围内视电阻率的变化趋势。从图4中可以看出，视电阻率等值线以低阻值和高阻值呈闭合或半闭合相间分布，视电阻率值基本在1.3～3.7 Ω·m之间变化，经分析认为，低阻值区主要为砂岩富水地段，高阻值区主要为砂岩弱含水或不含水地段。根据电法资料，并结合区内钻孔及煤矿水文地质资料综合分析，将视电阻率值小于1.8 Ω·m区域划分相对低阻异常区。从图4上还可以看出，在横向位置570～770 m、纵向深度50～110 m范围内视电阻率值小于1.8 Ω·m，命名为A相对低阻异常区。另外在深度30 m左右存在一层视电阻率值小于1.8 Ω·m区域，该区域位于第四系含水层。

图4 L1高密度电阻率法成果

从图5可以看出，在瞬变电磁法L440线1 380～1 760点之间存在相对低阻区域，与高密度电阻率法成果图较为对应。A相对低阻异常区纵向深度在50～110 m范围内，该范围所在含水层组为直罗组和安定组，该相对低阻异常区附近有ZK5932钻孔，根据ZK5932号钻孔资料分析，该地段砂岩厚度较厚，因此推断该相对低阻异常区可能为顶板砂岩富水所致。

图5 瞬变电磁法L440线剖面

图6为L2高密度电阻率法成果图，该测线探测起点位于瞬变电磁法L600线920点，终点瞬变电磁法L600线1 720点。该成果图可以在平面及深度上较准确地反应瞬变电磁法L600线附近地表以下0～130 m深度范围内视电阻率的变化趋势。从图6中可以看出，视电阻率等值线以低阻值和高阻值呈闭合或半闭合相间分布，视电阻率值基本在0.1～2.9 Ω·m之间变化，经分析认为，低阻值区主要为砂岩富水地段，高阻值区主要为砂岩弱含水或不含水地段。根据电法资料，并结合煤矿水文地质资料综合分析，将视电阻值小于1.3 Ω·m区域划分为相对低阻异常区。从图6上还可以看出，在横向位置310～510 m、纵向深度50～130 m范围内视电阻率值小于1.3 Ω·m，命名为B相对低阻异常区。另外在深度20 m左右存在一层视电阻率值小于1.3 Ω·m区域，该区域位于第四系含水层里。

图6 L2高密度电阻率法成果

从图7可以看出在瞬变电磁法L600线1160～1560点之间存在相对低阻区域，与高密度电阻率法成果图较为对应。B相对低阻异常区纵向深度在50～130 m范围内，该范围所在含水层组为直罗组和安定组，DF7断层穿过相对低阻异常区，因此推断该相对低阻异常区可能为断层砂岩裂隙导水所致。

图7 瞬变电磁法600线剖面

图8为L3高密度电阻率法成果图，该测线探测起点位于瞬变电磁法L280线120点，终点位于瞬变电磁法L280线1 120点。该成果图可以在平面及深度上较准确地反应瞬变电磁法L280线附近地表以下0～170 m深度范围内视电阻率的变化趋势。从图8中可以看出，视电阻率等值线以低阻值和高阻值呈闭合或半闭合相间分布，视电阻率值基本在0.1～4.8 Ω·m之间变化，经分析认为，低阻值区主要为砂岩富水地段，高阻值区主要为砂岩弱含水或不含水地段。根据电法资料，并结合煤矿水文地质资料综合分析，将视电阻率值小于0.8 Ω·m区域划分为相对低阻异常区。从图8上还可以看出，在横向位置420～620 m、纵向深度90～170 m范围内视电阻率值小于0.8 Ω·m，命名为B相对低阻异常区。另外在深度20 m左右存在一层视电阻率值小于0.8 Ω·m区域，该区域位于第四系含水层。

图8 L3高密度电阻率法成果

从图9可以看出在瞬变电磁法L280线510～720点之间存在相对低阻区域，与高密度电阻率法成果图较为对应。B相对低阻异常区纵向深度在90～170 m范围内，该范围位于Ⅱ-3煤顶板含水层，通过Ⅱ-3煤层顺层电性切片分析，在瞬变电磁法L280线510～720点之间也存在相对低阻区域，位于Ⅱ-3-3相对低阻异常区范围内，与高密度电阻率法成果对应，推断该相对低阻异常区可能为断层砂岩裂隙含水所致。

图9 瞬变电磁法L280线剖面

4.2 顺层电性切片分析

图10为沿Ⅱ-3煤层底板进行准平面提取所得的切片成果图，该成果图可以在平面及深度上较准确地反应Ⅱ-3煤层底板附近视电阻率的变化趋势。图10中视电阻率等值线以低阻值和高阻值呈闭合或半闭合相间分布，视电阻率值基本在10～80 Ω·m之间变化，经分析认为，低阻值区主要为砂岩富水地段，高阻值区主要为砂岩弱含水或不含水地段。

图10 Ⅱ-3煤层底板电性切片成果

根据电法资料，并结合测区内钻孔及煤矿水文地质资料综合分析，将视电阻率值小于22 Ω·m区域，划分Ⅱ-3煤层底板低阻异常区，并绘制煤层底板富水区成果图(图11)。全区共圈定低阻异常区(相对富水异常区)7处，编号依次为Ⅱ-3-1、Ⅱ-3-2、Ⅱ-3-3、Ⅱ-3-4、Ⅱ-3-5、Ⅱ-3-6、Ⅱ-3-7。其中，Ⅱ-3-1号位于测区的西南部，在其西北边约15 m附近存在DF1断层，受DF1断层影响，断层周边岩层裂隙、空隙较发育，富水的可能性较大，因此推断为中等砂岩裂隙富水区；Ⅱ-3-2号位于测区的中部，推断该相对低阻异常区为顶板砂岩富水所致，为弱富水区；Ⅱ-3-3、Ⅱ-3-6号位于测区的东南部区段Ⅱ-3号煤层底板砂岩厚度较小，推断为砂岩裂隙弱富水区；Ⅱ-3-7号位于测区的东部，受DF2影响，推断为砂岩裂隙中等富水区。Ⅱ-3-4、Ⅱ-3-5号位于测区的西北部，受DF1、DF6断层影响，断层周边岩层裂隙、空隙较发育，富水的可能性较大，为中等砂岩裂隙富水区。

图11 Ⅱ-3煤层底板富水区成果

Ⅱ-3煤层含水层位于侏罗系延安组上部第五岩段，为砂岩孔隙裂隙承压含水层，主要受上覆砂岩含水的下渗或通过导水构造补给，该含水层富水性弱，是开采Ⅱ-3号煤层的直接充水水源。在Ⅱ-3煤层底板划分相对富水异常区7处，其中4处相对富水性评价为中等，3处相对富水性评价为较弱。

5 结 论

1)基于本文高密度电阻率法和瞬变电磁法数据的反演结果，获得了研究区不同深度的电性分布特征，研究区Ⅱ-3煤层顶、底板存在多处相对低阻异常区域，与围岩存在明显的电性差异。

2)结合地质和钻孔资料，推测Ⅱ-3煤层顶板、底板相对低阻区域为砂岩富水地段，其低阻成因很可能是砂岩裂隙含水所致，而富水区的高阻特征则很可能是砂岩弱含水和不含水的反映。

3)根据上述不同的电性分布特征，成功圈定出7处富水区域，并结合水文资料，认为其中4处富水区表现为中等富水性，其他3处表现为弱富水性，这些富水区的分布受层内断层所控制。