白錦琳 宋嗣麒 郭曉東

（1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104）

水害是煤礦安全開采的主要威脅之一，余吾煤礦礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，一般煤礦水文地質(zhì)勘查主要依靠水文鉆孔，但是水文鉆孔成本高，效率慢。通過瞬變電磁法與地質(zhì)水文資料結(jié)合解釋的方法，可以劃分和識(shí)別煤礦含水層富水范圍和構(gòu)造富水性，該方法效果好，速度快，成本低，對于指導(dǎo)采區(qū)布置工作面和礦井防治水工作具有重要的意義。

1 水文地質(zhì)背景

本區(qū)地處太行山西麓沁水煤田東翼潞安礦區(qū)的西部，區(qū)內(nèi)及其外圍廣為第四系黃土覆蓋。本次工作區(qū)地層由老到新有奧陶系中統(tǒng)峰峰組(Q2f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、二疊系上統(tǒng)石千峰組(P2sh)、第四系(Q) 。區(qū)內(nèi)地表水系主要河流為絳河，為海河水系濁漳河的支流，由西向東橫穿本區(qū)中部，注入漳澤水庫，其流量為0.37～5.06m3/s。區(qū)內(nèi)西北余吾鎮(zhèn)北側(cè)有交川河，流量為0.02～0.17m3/s，屬季節(jié)性小河。地下含水層由深到淺主要有6個(gè)層段，分別為中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、上石炭統(tǒng)太原組含水層組（Ⅱ～Ⅴ）、二疊系下統(tǒng)山西組含水層組（Ⅵ～Ⅶ）、二疊系下統(tǒng)上、下石盒子組含水層組（Ⅷ）、基巖風(fēng)化帶含水層（Ⅳ）、第四系孔隙含水層組（X）。

2 區(qū)地球物理特征及勘探方法

一般情況下，工作區(qū)內(nèi)同時(shí)期沉積地層的巖礦物、巖性組合、巖層發(fā)育厚度等特征類似，在橫向上視電阻率差異變化較小?？v向上，各組地層由不同巖性組成，各層之間會(huì)顯示明顯的電阻率變化。當(dāng)巖層發(fā)生變形、破碎等因素，引起裂隙構(gòu)造發(fā)育或者灰?guī)r地層中發(fā)育巖溶時(shí)，若巖層含水性差，則其導(dǎo)電性變差，局部電阻率值相對周圍巖層顯示較高阻值；若巖層含水較好，其導(dǎo)電性好，則會(huì)形成局部低電阻率異常。依據(jù)這個(gè)理論，通過探測巖層的視電阻率及其變化規(guī)律，可以分析巖層的富水性變化規(guī)律及構(gòu)造含水性。工作區(qū)屬黃土丘陵地形，中部地形相對平坦，測區(qū)北部和南部地形較差，地表最高標(biāo)高約+1088m，最低標(biāo)高約+889m，相對高差199m。工作范圍內(nèi)的村莊和建筑較多而密集，對瞬變電磁鋪框測量及直流電測深跑極放線帶來一定的困難，工作區(qū)地表電磁法勘探條件較差。但是工作區(qū)內(nèi)深部含煤地層主要為石炭二疊系地層，煤層頂?shù)装迳皫r或奧陶系灰?guī)r富水后，富水范圍和導(dǎo)水構(gòu)造的電阻率會(huì)明顯降低；另奧陶系灰?guī)r為視電阻率高阻的地層，與煤系地層的巖石電阻率也有明顯差異，因此工作區(qū)內(nèi)地層具有良好的中深部電磁法勘探地質(zhì)條件。本次工作區(qū)根據(jù)地質(zhì)情況選擇瞬變電磁(TEM)勘探手段具有較好的經(jīng)濟(jì)適用性，瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集采用澳大利亞Alpha公司生產(chǎn)的TerraTEM瞬變電磁法儀。

3 已知資料分析對比

圖1為區(qū)內(nèi)鉆孔附近瞬變電磁測深點(diǎn)曲線與鉆孔柱狀圖對比圖，鉆孔柱狀圖顯示第四系厚15m，3#煤埋深690m，15#煤埋深790m，奧陶系灰?guī)r頂界面埋深約820m。圖中瞬變電磁測深曲線對于煤系地層中主要層位均具有較明顯的分層拐點(diǎn)，曲線對于第四系反應(yīng)不明顯，曲線上段都為高阻，為瞬變電磁法盲區(qū)所致，中段200～700m明顯的低阻層，是二疊系泥、砂巖互層的電性反映；700～850m處上升幅度較緩平臺(tái)為石炭系的電性反映；曲線尾部上升斜率增大較為明顯，說明測深曲線已穿透煤系地層，進(jìn)入下伏奧陶系灰?guī)r地層，特征與已知地質(zhì)資料吻合。

圖2為瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖，根據(jù)已知資料對比及分析可知第一組電性層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組和下石盒子組，其巖性包括粗砂巖、中-細(xì)粒砂巖、泥巖，這些巖層的視電阻率ρτ相對下伏地層巖性視電阻率較小，約為（60～120）Ωm；第二組電性層的響應(yīng)為二疊系下統(tǒng)山西組地層、石炭系上統(tǒng)太原組和中統(tǒng)本溪組等含煤地層，視電阻率ρτ約為（120～230）Ωm；第三組電性層的響應(yīng)是奧陶系灰?guī)r地層，視電阻率均大于230Ωm。

圖1 瞬變電磁曲線與鉆孔對比圖

圖2 瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖

4 水害因素識(shí)別

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料顯示，含煤地層中含水巖層一般由二疊系的碎屑巖、石炭系太原組的砂巖、灰?guī)r組合而成，即由二疊系上統(tǒng)上石盒子組底部中、粗粒砂巖（K10）、下統(tǒng)下石盒子組底部石英砂巖（K8）、山西組底部石英砂巖（K7）及石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r（K2、K3、K4、K5）組成。K2、K5灰?guī)r巖溶裂隙較發(fā)育，其余灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育差；K10砂巖為富水性中等的砂巖裂隙含水層，K7、K8砂巖層含水性較弱。一般砂巖、石灰?guī)r在視電阻率剖面上呈相對高阻反映，在同一深度，構(gòu)造裂隙發(fā)育的砂巖、石灰?guī)r的含水性好，其視電阻率值低于構(gòu)造裂隙不發(fā)育的砂巖、石灰?guī)r，在視電阻率剖面上形成高阻中的相對低阻異常，根據(jù)含水層深度制作視電阻率平面圖，以此為理論依據(jù)，來尋找煤系地層巖層富含水異常區(qū)（見圖3）。勘探區(qū)內(nèi)含水層較多，但相互之間都有隔水層存在，正常情況下并不連通。受斷裂構(gòu)造和巖層裂隙的影響，含水層在有些部位存在水力連通。不同層位有的富水異常區(qū)上下有重疊，可解釋含水層富水異常區(qū)的上下有連通關(guān)系，即相鄰含水層同一平面位置存在富水異常區(qū)，那么它們之間可能存在水力連通。根據(jù)已知地質(zhì)資料區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為斷層和陷落柱，區(qū)內(nèi)斷層沒有發(fā)現(xiàn)含水構(gòu)造，陷落柱為主要含水構(gòu)造，在識(shí)別陷落柱含水情況時(shí)依據(jù)陷落柱在視電阻率擬斷面圖上的顯示，正常不含水陷落柱顯示為高阻，陷落柱部分地段含水后顯示為相對低阻。例如圖4，X25陷落柱在K5、K2、奧陶系灰?guī)r含水層局部含水，分析認(rèn)為該陷落柱在K5、K2和奧陶系灰?guī)r層間導(dǎo)水性好。

圖3 視電阻率平面圖及綜合解釋成果圖

圖4 X25陷落柱視電阻率擬斷面圖及綜合成果圖

5 開采水害危險(xiǎn)性評價(jià)

余吾煤礦煤層開采充水通道主要有：（1）頂板冒裂帶；（2）底板破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶；（3）構(gòu)造。根據(jù)測區(qū)內(nèi)鉆孔資料及本次探測取得成果資料分析煤層開采充水水源主要為：3#煤回采時(shí)，其頂板砂巖、K8砂巖、K10砂巖為直接充水含水層，其底板下的K7砂巖含水層也為直接充水含水層?；鶐r分化帶和第四系砂層水由于二疊系內(nèi)隔水層的阻擋一般不會(huì)成為礦井直接或間接充水含水層。9#煤開采時(shí)，K5含水層與其冒裂帶頂部間距約15m，可能成為間接充水含水層；K4、K3處于底板破壞裂隙帶內(nèi)，為直接充水含水層。15#煤開采時(shí)，K2為直接充水含水層。

根據(jù)探測成果結(jié)合地質(zhì)水文資料，3#煤開采危險(xiǎn)性：充水含水層為K8、K10、K7，富水性較差，在構(gòu)造分布較為密集區(qū)域、背斜軸部分布的巖層破碎帶、斷層、陷落柱部位可能存在較強(qiáng)富水區(qū)。開采前應(yīng)對斷層、陷落柱留足防水煤柱或注漿加固。對瞬變電磁成果發(fā)現(xiàn)的富水區(qū)域，在掘進(jìn)井下巷道或采面通過富水范圍之前進(jìn)行井下探放水工作。9#煤開采危險(xiǎn)性：直接充水含水層K4、K3，K5有可能成為間接充水含水層。三層含水層富水性都不均一。在其底板完整性受到破壞的地段，K2有突水危險(xiǎn)性。15#煤開采危險(xiǎn)性：全測區(qū)內(nèi)均有底板突水危險(xiǎn)性。

6 結(jié)論

（1）本次方法的應(yīng)用，為余吾煤礦采區(qū)查明了開采3#煤層頂?shù)装逯饕畬樱↘10、K8、K7）的相對富水區(qū)及水力聯(lián)系，查明了9#煤和15#煤頂板主要含水層的含水區(qū)和水力聯(lián)系，查明區(qū)內(nèi)主要斷層和陷落柱富水性。

（2）本次瞬變電磁法的應(yīng)用，為同類地區(qū)查找煤礦水害因素識(shí)別提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)，為煤礦安全開采和防治水工作提供指導(dǎo)。