瞬变电磁法在煤层顶板含水层富水性勘查中的应用研究

刘江斌

(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司,陕西 榆林 719000)

为了查明曹家滩井田首采区2-2煤上覆延安组、直罗组、安定组及基岩风化带富水异常区的分布范围、相对强弱特征等水文地质情况,为井下巷道掘进及采区工作面的防治水工作提供科学依据,采用地面瞬变电磁勘探技术[1-4],勘查了煤层顶板含水层富水性,共完成测线62条,控制面积15.62 km2,物理点共计21 249个,研究可为矿井设计、建设及生产提供水文地质依据。

1 工程概况

项目采用网度为40 m×20 m的瞬变电磁法,在井田东翼中部12盘区处施工,探查延安组(2-2煤顶板)、直罗组、安定组及基岩风化带岩层富水异常区的区域分布范围、相对强弱等特征,地面瞬变电磁法勘探测区位于曹家滩煤矿的东北部,测区范围由4个拐点圈定,面积约为15.62 km2。测区相对位置如图1所示。

2 瞬变电磁法

2.1 测线布置

测线的布设原则是尽量沿走向垂直于目标层位的主要构造,同时尽可能地避开电磁类干扰源,便于进行异常的识别和提取[5-8]。测区内地层主要为一单斜构造,测线布置主要垂直于该构造,自西南向东北布置。此次探测设计线距40 m、点距20 m,由东南向西北测线编号依次增大(共计布置测线62条),测线测点布置如图2所示,图2中密集的红色圆点即为测点。

对此次勘探设计工作量及完成工作量中的坐标点、试验物理点、检查点和总物理点分别进行了统计。统计结果如下:设计工作量坐标点19 964个,试验物理点50个,检查点1 000个,总物理点21 014个;完成工作量坐标点19 964个,试验物理点85个,检查点1 200个,总物理点21 249个。

图2 测线布置Fig.2 Layout of survey line

2.2 仪器设备

此次瞬变电磁法勘探使用V8多功能电磁法探测仪[9-11],如图3所示。该仪器的主要技术参数如下:输入阻抗>100 MΩ;补偿误差<0.12‰;分辨率1 μV;功率2 800 W;最大输出电流40 A;最大供电电压140 V。

3 探查成果

3.1 风化岩底界附近低阻异常区平面分析

据统计,本目标层电阻率最小值为12.97 Ω·m,最大值为46.04 Ω·m,变化范围不大。风化岩底界附近低阻异常区平面分布如图4所示。

测区内基岩风化层中共发现大小低阻异常区4处,分别编号为F-1号低阻异常区、F-2号低阻异常区、F-3号低阻异常区和F-4号低阻异常区,其中范围较大的有2处。

图3 V8多功能电磁法探测系统主要设备Fig.3 Main equipment of V8 multi-function electromagnetic detection system

图4 风化岩底界附近低阻异常区平面分布Fig.4 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near the bottom boundary of weathered rock

(1)F-1号低阻异常区位于测区西部,处于风化岩底界相对低洼处,为水的积聚提供了良好的前提,推断该低阻异常区为基岩风化层含/富水的电性反映。

(2)F-2号低阻异常区呈圈闭状位于测区中部,异常区范围偏小,距离F-1号异常区较近,推断该低阻异常区应为基岩风化层含/富水的反映特征。

(3)F-3号异常区位于测区东北部边界附近。根据平面位置来看,该异常区所处位置为122106工作面切眼附近,已知资料显示,该处探放水孔风化岩层位涌水量较大,推断该异常区应与其有一定对应关系。

(4)F-4号异常区位于测区东南部。已知资料显示,该低阻异常区处于风化岩底界相对低洼处,为水的积聚提供了良好的前提,推断该低阻异常区为基岩风化层含/富水的电性反映。

3.2 直罗组底界上60 m附近低阻异常区平面分析

直罗组底界上60 m附近低阻异常区平面分布如图5所示,反映了测区内直罗组上部层位低阻异常区的分布情况。据统计,本目标层电阻率最小值为21.56 Ω·m,最大值为48.16 Ω·m,变化范围不大。结合前述瞬变电磁法勘探异常划分方法,将该层平面图中低阻异常阈值定为32.8 Ω·m,即小于该值的区域为相对低阻异常区。

图5 直罗组底界上60 m附近低阻异常区平面分布Fig.5 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near 60 meters above the bottom boundary of the Zhiluo Formation

测区内基岩风化层中共发现大小低阻异常区5处,分别编号为Z60-1号低阻异常区、Z60-2号低阻异常区、Z60-3号低阻异常区、Z60-4号低阻异常区和Z60-5号低阻异常区,其中范围较大的有3处。

(1)Z60-1号低阻异常区呈条带状分布于西部测区边界位置附近,且有向测区外延伸的趋势,范围较小但异常幅值较强,强低阻异常位于弱低阻异常之中,推断该低阻异常区为直罗组上部砂岩含/富水的电性反映。

(2)Z60-2、Z60-3号低阻异常区位于测区中部,异常区范围较大,且在异常中部有相互联通的趋势。根据该异常区所处位置来看,疑似与上部基岩风化层低阻异常区分布中的F-1号低阻异常区有一定对应关系。由于该位置上部基岩风化层与直罗组之间没有稳定的隔水层,基岩风化层中的水极易向下导通至直罗组从而使其富水,推断该低阻异常区应为直罗组上部砂岩含/富水的电性反映。

(3)Z60-4号低阻异常区呈圈闭状位于测区中东部,分为一小范围圈闭状的强低阻异常区和一大范围圈闭状的弱低阻异常区,分析并对照上下各层位该位置处异常的分布状态,该低阻异常区主要赋存在直罗组底界上60 m层位中,推断该低阻异常区应为直罗组上部砂岩含/富水的电性反映。

(4)Z60-5号低阻异常区分布于测区东部。已知资料显示,该低阻异常区异常中心所处位置为122106工作面切眼附近,该处顶板淋水严重且探放水孔涌水量也较高,应与该异常区有一定对应关系,推断该低阻异常区应为直罗组上部砂岩含/富水的电性反映。

3.3 直罗组底界上30 m附近低阻异常区平面分析

直罗组底界上30 m附近低阻异常区平面分布如图6所示。据统计,本目标层电阻率最小值为30.25 Ω·m,最大值为66.18 Ω·m,变化范围不大。结合前述瞬变电磁法勘探异常划分方法,将该层平面图中低阻异常阈值定为49.51 Ω·m,即小于该值的区域为相对低阻异常区。

图6 直罗组底界上30 m附近低阻异常区平面分布Fig.6 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near 30 m above the bottom boundary of Zhiluo Formation

测区内基岩风化层中共发现大小低阻异常区5处,分别编号为Z30-1号低阻异常区、Z30-2号低阻异常区、Z30-3号低阻异常区、Z30-4号低阻异常区和Z30-5号低阻异常区,其中范围较大的有3处。

(1)Z30-1号低阻异常区呈条带状分布于西部测区边界位置附近,且有向测区外延伸的趋势,范围较小但异常幅值较强,强低阻异常位于弱低阻异常之中,该异常南部强低阻异常中心所处位置为直罗组底界较为低洼处,为水的积聚提供了有利前提,推断该低阻异常区为直罗组中部砂岩含/富水的电性反映。

(2)Z30-2、Z30-3号低阻异常区位于测区中部,异常区范围较大,且在异常中部有相互联通的趋势。根据该异常区所处的位置来看,疑似与上部直罗组底界上60 m附近低阻异常区分布中的Z60-2、Z60-3号低阻异常区有一定对应关系,推断该低阻异常区应为直罗组中部砂岩含/富水的电性反映,且与上部有一定联通关系。

(3)Z30-4号低阻异常区呈圈闭状位于测区东南部,范围较小且异常较强,疑似受到了上部直罗组底界上60 m附近低阻异常区分布中Z60-4号低阻异常区“影子效应”的影响,但强低阻异常中心和形态略有差异,所以其低阻异常应是客观存在的,推断该低阻异常区为直罗组中部砂岩含/富水的电性反映。

(4)Z30-5号低阻异常区分布于测区东部,与上部直罗组底界上60 m附近层位中Z60-5号低阻异常区有一定对应关系,疑似存在上下联通的趋势。已知资料显示,该低阻异常区异常中心所处位置为122106工作面切眼附近,该处顶板淋水严重且探放水孔涌水量也较高,应与该异常区有一定对应关系,推断该低阻异常区应为直罗组中部砂岩含/富水的电性反映。

3.4 直罗组底界附近低阻异常区平面分析

直罗组底界附近低阻异常区平面分布如图7所示。据统计,本目标层电阻率最小值为45.26 Ω·m,最大值为96.15 Ω·m,变化范围不大。

图7 直罗组底界附近低阻异常区平面分布Fig.7 Plane distribution of low resistance anomaly areas near the bottom boundary of the Zhiluo Formation

测区内基岩风化层中共发现大小低阻异常区5处,分别编号为Z-1号低阻异常区、Z-2号低阻异常区、Z-3号低阻异常区、Z-4号低阻异常区和Z-5号低阻异常区,其中范围较大的有4处。

(1)Z-1号低阻异常区位于西南部测区边界位置附近,且有向测区外延伸的趋势,范围较大且异常幅值较强,强低阻异常位于弱低阻异常之中。已知资料显示,该异常南部强低阻异常中心所处位置为直罗组底界较为低洼处,为水的积聚提供了有利前提,推断该低阻异常区为直罗组底部砂岩含/富水的电性反映。

(2)Z-2、Z-3号低阻异常区位于测区中部。已知资料显示,该异常南部强低阻异常中心所处位置为直罗组底界较为低洼处,为水的积聚提供了有利前提,推断该低阻异常区为直罗组底部砂岩含/富水的电性反映。

(3)Z-4号低阻异常区呈圈闭状位于测区东南部,范围较小且异常较弱,疑似受到了上部直罗组底界上30 m附近低阻异常区分布中Z30-4号低阻异常区“影子效应”的影响,但强低阻异常中心和形态略有差异,所以其低阻异常应是客观存在的,推断该低阻异常区为直罗组底部砂岩含/富水的电性反映。

(4)Z-5号低阻异常区分布于测区东部,与上部直罗组底界上30 m附近层位中Z30-5号低阻异常区有一定对应关系,疑似存在上下联通的趋势。已知资料显示,该低阻异常区异常中心所处位置为122106工作面切眼附近,该处顶板淋水严重且探放水孔涌水量亦较高,应与该异常区有一定对应关系,推断该低阻异常区应为直罗组底部砂岩含/富水的电性反映。

3.5 延安组2-2煤顶板上50 m附近低阻异常区平面分析

延安组2-2煤顶板上50 m附近低阻异常区分布如图8所示。据统计,测区内基岩风化层中共发现大小低阻异常区6处,分别编号为2M50-1号低阻异常区、2M50-2号低阻异常区、2M50-3号低阻异常区、2M50-4号低阻异常区、2M50-5号低阻异常区和2M50-6号低阻异常区。

(1)2M50-1号低阻异常区呈圈闭状位于测区西部,异常幅值较小,该异常所处位置为该层位相对低洼处,为水的积存提供了有利前提,推断该低阻异常区应为延安组上部砂岩含/富水的电性反映。

(2)2M50-2、2M50-6号低阻异常区位于测区中部,分布范围相对较大,异常幅值较小,推断2处低阻异常区应为延安组上部砂岩含/富水的电性反映。

图8 延安组2-2煤顶板上50 m附近低阻异常区平面分布Fig.8 Plane distribution of low resistance anomaly areas near 50 m above the roof of coal seam 2-2 in Yan′an Formation

(3)2M50-3、2M50-4号低阻异常区位于测区东部,异常幅值较小,分布范围相对较小,其中2M50-3号低阻异常区有向测区外延伸的趋势,推断2处低阻异常区应为延安组上部砂岩含/富水的电性反映。

(4)2M50-5号低阻异常区位于测区西南部,异常幅值相对较小,分布范围较大,该处发育有一正断层DF1,推断该处裂隙较为发育,不排除上部强含水层通过裂隙向下部含水层进行补给的可能性,推断该处低阻异常区疑似是由于断层、裂隙发育导致岩性变化或局部含/富水的电性反映。

3.6 延安组2-2煤顶板上15 m附近低阻异常区平面分析

延安组2-2煤顶板上15 m附近低阻异常区分布如图9所示。据统计,测区内基岩风化层中共发现大小低阻异常区6处,分别编号为2M15-1号低阻异常区、2M15-2号低阻异常区、2M15-3号低阻异常区、2M15-4号低阻异常区、2M15-5号低阻异常区和2M15-6号低阻异常区。

(1)2M15-1号低阻异常区呈圈闭状零星分散于测区西部,异常幅值较小,该异常所处位置为该层位相对低洼处,为水的积存提供了有利前提。另外,该异常区东侧邻近DF2正断层,断层的存在为岩层含/导水提供了有利条件,推断该低阻异常区应为延安组上部砂岩裂隙发育含/富水的电性反映。

图9 延安组2-2煤顶板上15 m附近低阻异常区平面分布Fig.9 Plane distribution of low resistance abnormaly areas near 15 m above the roof of coal seam 2-2 in Yan′an Formation

(2)2M15-2、2M15-3号低阻异常区位于测区中部,分布范围相对较大,异常幅值较小,推断2处低阻异常区应为延安组上部砂岩含/富水的电性反映。

(3)2M15-4号低阻异常区位于测区西南部,异常幅值相对较小,分布范围较小,该处发育有一正断层DF1,推断该处裂隙较为发育,不排除上部强含水层通过裂隙向下部含水层进行补给的可能性,推断该处低阻异常区疑似是由于断层、裂隙发育导致岩性变化或局部含/富水的电性反映。

(4)2M15-5、2M15-6号低阻异常区分别位于测区南部以及东部,异常幅值较小,分布范围相对较小且有向测区外延伸的趋势,推断2处低阻异常区应为延安组上部砂岩含/富水的电性反映。

3.7 物探成果与实际对应情况分析

对抽取的各个平面中的异常区进行分析后,需要进一步结合钻孔、水文、地质等相关资料,对测区内由浅至深、纵向以及横向上异常的变化规律进行进一步总结,分析已知验证区域的异常变化特征[12-16]。

风化岩底界低阻异常区与底界起伏形态的对比如图10所示。从图10来看,青、蓝色的低阻异常区大体分布在西部以及东部位置,范围较大且异常较强。对比风化岩底界的起伏形态来看,异常区大都分布在相对低洼位置处,符合水文地质学中“低处富水”这一原则。

将直罗组由深至浅3个层位的低阻异常区平面分布图组合成立体展布(图11),从图11来看,纵向上,由浅至深异常区由绿色、青色逐渐加深为青色、蓝色,表明直罗组层位中的异常区主要集中在直罗组底界附近,且根据井下实际钻孔揭露,直罗组底界含水性较强。横向上,在同一含水层位,富水性也并不是均一的,对比穿过测区(图11中红色直线为水文地质剖面相对位置)的11-11号水文地质剖面,在代表着直罗组地层(红色虚线至蓝色虚线)的位置,洋红色相对隔水层与青色相对含水层交错分布,且横向上含、隔水层的分布也是非常不均匀的,有的地方可能局部富水,存在局部的垂向联通性。如图11中部蓝圈范围内,含水层较厚、隔水层较薄,对应到直罗组低阻异常区平面分布图中,相应位置处低阻异常幅值相对较强,反映该位置含/富水性也相对较强;而图11中左侧蓝圈范围内,代表隔水层的洋红色层位相对较厚、含水层较薄,对应到直罗组低阻异常区平面分布图中时,相应位置处低阻异常幅值相对较弱,反映该位置含/富水性亦相对较弱。所以,直罗组地层异常区分布情况与现有已知资料对应较为良好。

图10 风化岩底界异常区与底界起伏形态对比Fig.10 Comparison between the abnormaly areas of weathered rock bottom boundary and the undulating morphology of the bottom boundary

图11 直罗组低阻异常区立体分布与水文地质剖面对比Fig.11 Comparison of three-dimensional distribution and hydrogeological profile of low resistivity abnormaly areas in the Zhiluo Formation

122106工作面顶板探放水验证情况如图12所示。根据现场人员描述,探放水孔钻至延安组时水量较小,在直罗组内水量明显增大,再向上打到风化基岩层位时水量明显变大,这也和成果图中异常区从延安组比较弱、到直罗组异常变强、再到风化岩异常更强这样一个分布规律有较好的吻合。

图12 井下122106工作面顶板探放水验证情况Fig.12 Verification exploration and discharge holes on the roof of underground 122106 working face

此外,在122106工作面切眼位置探放水钻孔的涌水量较大,尤其是HF1号钻场的4钻。其中,HF1-1号钻孔涌水量最大可达90 m3/h,与电法成果中切眼位置的低阻异常区有较好的对照关系。

井下122106工作面顶板探放水孔涌水量如图13所示。

图13 井下122106工作面顶板探放水孔涌水量示意Fig.13 Schematic diagram of water inflow from the roof exploration and discharge holes of the underground 122106 working face

图13中,蓝色区域为工作面内探放水孔涌水量较大区域,红色区域为相对涌水量较小的区域。其中,距离切眼1.2 km处区域涌水量最大,到中部红色区域涌水量逐渐减弱,而逐渐靠近大巷位置涌水量又逐渐增大。对应到各层位异常区平面图中,整体来看,蓝色区域(涌水量较大)低阻异常区范围较大且异常幅值较强,红色区域(涌水量较小)低阻异常区范围较小且异常幅值较弱,说明物探成果与已知钻探情况对应情况良好。

4 结论

(1)对测区内基岩风化层富水异常区进行了探查和分析,共发现低阻异常区4处,低阻异常区面积共计8 184 947.20 m2,分别命名为F-1、F-2、F-3、F-4号低阻异常区。其中,F-1、F-3号低阻异常区范围较大幅值较强,为该层位主要异常区。推断4处低阻异常区为基岩风化层含/富水的电性反映,已知资料显示,钻孔揭露该层时涌水量较大,富水性较强。

(2)对测区内直罗组地层富水异常区进行了探查和分析,分别抽取了直罗组底界、直罗组底界上30 m、直罗组底界上60 m三个层位的电阻率异常平面图,各层位平面图中均发现有5处低阻异常区,且上下之间有一定联通关系;各层位异常区面积分别为7 728 820.438、5 804 869.907、5 220 686.555 m2,推断为直罗组地层砂岩含/富水。

(3)对测区内延安组2-2煤顶板附近地层富水异常区进行了探查和分析,分别抽取了延安组2-2煤顶板上15 m、顶板上50 m两个层位的电阻率异常平面图,共发现低阻异常区6处,异常区分布相对零散,富水性较弱,推断为延安组上部地层砂岩含/富水。在巷道掘进期间,主要涉及到延安组弱含水层,在没有大的断层或破碎带的前提下,对掘进影响不大,以静储量为主。

(4)测区内主要含/富水层位为基岩风化层和直罗组地层,且与钻探实际揭露情况相吻合。其中,基岩风化层含/富水性最强,直罗组层位底部异常较强,中上部逐渐减弱,在同一含水层位,富水性不均一;此外,未发现风化岩与直罗组含水层之间的水力联系。