高國(guó)芹

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

青海魚(yú)卡礦區(qū)三號(hào)井在建井前期已開(kāi)展過(guò)煤田地質(zhì)普查、詳查、勘探，區(qū)內(nèi)煤田地質(zhì)勘探程度較高，在建井階段，由于主井井筒施工揭露了第四系強(qiáng)含水層，出現(xiàn)大量涌水和冒頂垮塌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)施工并被迫停工。為確保井筒建設(shè)安全生產(chǎn)，并為將來(lái)的巷道掘進(jìn)、工作面回采及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出防治水措施及建議，有必要在分析以往資料的基礎(chǔ)上，開(kāi)展水文物探工作。本文針對(duì)青海地形高差較大的干旱沙漠地區(qū)野外數(shù)據(jù)采集的難點(diǎn)，探討開(kāi)展綜合電法探測(cè)煤層頂、底板含水層的富水性以及斷層的富含水性的有效性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬柴達(dá)木內(nèi)陸水系、魚(yú)卡河與德宗馬海湖流域。魚(yú)卡河位于井田南側(cè)，該河自東北向西南流入德宗馬海湖，是區(qū)域內(nèi)唯一的一條長(zhǎng)年性河流。該河流發(fā)源于達(dá)肯大坂山北坡和土爾根大坂南坡，自東向西徑流。中上游河水主要來(lái)自山區(qū)的降水和冰雪融水，下游是由魚(yú)卡河洪積扇前緣泉水匯集而成的泉集河。井田位于魚(yú)卡沖洪積扇的北部，總體地勢(shì)呈東北高西南低的趨勢(shì)，最高處位于井田東北邊緣高山地貌區(qū)附近的達(dá)肯大坂山。

1.1 地質(zhì)概況

井田內(nèi)多被新生界地層所覆蓋。根據(jù)地表出露及煤田鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有奧陶系灘間山群（O3tj）、侏羅系（J）、古近系（E） 及第四系（Q）。

奧陶系上統(tǒng)（Q3）：全區(qū)分布，為本區(qū)含煤巖系的沉積基底，出露于井田北側(cè)的達(dá)肯大坂山，井田內(nèi)揭露最大厚度634.67 m。

侏羅系（J）：侏羅系中統(tǒng)（J2） 大煤溝組為本區(qū)主要含煤地層，出露于井田東北部及中部；門(mén)溝組出露于井田中部及西部，為區(qū)內(nèi)的次要含煤段。侏羅系上統(tǒng)（J3） 采石嶺組井田內(nèi)呈條帶狀分布出露于井田西部，該組水平層理和小型斜層理較多，水動(dòng)力條件不是很強(qiáng)；紅水溝組出露于井田西部。

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)：在井田內(nèi)大面積分布，以沖洪積亞粘土、砂土及砂礫石層為主，區(qū)內(nèi)第四系沉積厚度較大，由井田中部侏羅系、古近系地表露頭向南北兩側(cè)逐漸增厚。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)水文地質(zhì)條件和對(duì)煤層開(kāi)采影響的水文地質(zhì)因素，自上而下可劃分為第四系松散層孔隙含水層和碎屑巖類(lèi)侏羅系砂巖裂隙含水層2 大含水層組，后者又細(xì)分為侏羅系M5 頂板砂巖裂隙含水層、M6 頂板砂巖裂隙含水層、M7 頂板砂巖裂隙含水層、M7 煤底板砂巖裂隙含水層。綜合水文地質(zhì)柱狀圖如圖1 所示。

圖1 綜合水文地質(zhì)柱狀圖Fig. 1 Comprehensive hydrogeological histogram

第四系松散層孔隙含水層：第四系含水層厚度4.00～559.44 m。北山背斜以南砂卵礫石、含卵礫石、砂礫石所占比例較大；北山背斜以北中粗砂、砂礫石所占比例較大。受山前支溝沖洪積扇的側(cè)向滲漏補(bǔ)給，水源較為充沛，富水性中等—強(qiáng)。

侏羅系砂巖裂隙含水層：M5 煤層頂板砂巖裂隙含水層，巖性主要為灰白色細(xì)、中、粗粒砂巖，含水層節(jié)理、裂隙局部較發(fā)育，含水層富水性弱，為M5 煤層直接充水來(lái)源；M6 煤層頂板砂巖裂隙含水層，巖性主要為灰白色細(xì)、中、粗粒砂巖，含水層節(jié)理、裂隙相對(duì)較發(fā)育，是弱富水相對(duì)較好含水層，為M6 煤組直接充水含水層；M7 煤層頂板砂巖裂隙含水層，巖性主要為細(xì)—粗粒砂巖和含礫砂巖，含水層節(jié)理、裂隙不發(fā)育，屬于弱富水層，為M7 煤組的直接充水含水層。

1.3 研究區(qū)地球物理特性

松散巖類(lèi)含水層主要分布于第四系砂礫石富集區(qū)，孔隙較大，接受補(bǔ)給條件好，可接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，富水性較強(qiáng)；砂礫石富集在電性上表現(xiàn)為高阻，而粘土在電性上表現(xiàn)為低阻。沉積巖中各電性層之間、砂巖與砂巖裂隙含水層之間、砂巖與煤層間存在比較明顯的電性差異。

2 物探方法的選擇

目前常用于煤礦井田水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探的物探方法有地震和電法。地震主要用于探測(cè)構(gòu)造，電磁法在探測(cè)水的方面效果較好。研究區(qū)前期地質(zhì)勘探程度較高，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，因此可以不考慮進(jìn)行地震勘探，而采用電磁法的方法對(duì)各含水層進(jìn)行富水性探測(cè)。

電磁法勘探方法種類(lèi)較多，有高密度電法、直流電測(cè)深法、電剖面法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法、可探源音頻大地電磁法、核磁共振法等，而每一種勘探方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮研究區(qū)地表及地電條件，最終選擇對(duì)低阻反映靈敏、分層明顯的感應(yīng)類(lèi)的瞬變電磁法和傳導(dǎo)類(lèi)的高密度電法2 種方法進(jìn)行分析研究。

3 應(yīng)用分析研究

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)選取

試驗(yàn)點(diǎn)選取原則是人文干擾小、揭露地層最全且有代表性的已知鉆孔作為試驗(yàn)點(diǎn)，力求試驗(yàn)工作能代表整個(gè)測(cè)區(qū)地質(zhì)情況。試驗(yàn)點(diǎn)最終選擇在已知主、副井涌水點(diǎn)附近。

3.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)采集技術(shù)難點(diǎn)及采取的對(duì)策

（1） 研究區(qū)中部地形差，鋪放瞬變電磁發(fā)射線(xiàn)框時(shí)，測(cè)量實(shí)放了每個(gè)線(xiàn)框的四個(gè)邊及拐點(diǎn)，各邊多帶100 m 電纜按照實(shí)際坐標(biāo)鋪放線(xiàn)框，保證發(fā)射線(xiàn)框面積準(zhǔn)確。

（2） 針對(duì)勘探區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，構(gòu)造十分發(fā)育，資料解釋難度大，盡量收集已有的地質(zhì)、鉆孔和水文資料等資料，利于資料解釋。

（3） 針對(duì)高密度直流電法因地形影響，有些點(diǎn)位電纜難以到達(dá)準(zhǔn)確位置時(shí)就采用引線(xiàn)連接，保障每個(gè)點(diǎn)距都是10 m；針對(duì)地表接地條件不好，高密度直流電法對(duì)每個(gè)電極都澆足夠鹽水，個(gè)別接地條件不好的使用多個(gè)電極。

（4） 針對(duì)勘探區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，構(gòu)造十分發(fā)育，資料解釋難度大，盡量收集已有的地質(zhì)、鉆孔和水文資料等資料，利于資料解釋。

3.3 試驗(yàn)分析

3.3.1 高密度電法

高密度電法采用溫納裝置，使用了轉(zhuǎn)換電極120 路、4 個(gè)電池組360 V 電壓進(jìn)行試驗(yàn)，保證探測(cè)深度和供電電流，由于接地條件較差，野外數(shù)據(jù)采集過(guò)程中對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都澆足夠鹽水、個(gè)別接地條件不好的使用多個(gè)電極并用以保證電極接地條件符合規(guī)范要求。

高密度試驗(yàn)線(xiàn)剖面圖如圖2 所示。

圖2 高密度試驗(yàn)線(xiàn)剖面Fig. 2 Profile of high density test line

從圖2 中可以看出，淺部視電阻率值高低阻分布不均勻，為第四系松散巖類(lèi)孔隙沖洪積亞粘土、砂土及砂礫石的電性反映，高阻區(qū)域?yàn)樯暗[石富集區(qū)即富水異常區(qū)。圖中圓點(diǎn)部分為礦方在采掘過(guò)程中的涌水點(diǎn)，在高密度剖面解釋成果圖中有明顯反映。

3.3.2 瞬變電磁法

如果在淺部存在一低阻體，瞬變電磁法在對(duì)深部資料的解釋中，無(wú)論是水平切片還是順層切片，低阻異常的范圍或視電阻率等值線(xiàn)的形態(tài)都非常接近，對(duì)深部資料的解釋難度增大。如果采用特殊處理消除低阻屏蔽，將提高資料處理解釋精度[1]。

瞬變電磁法試驗(yàn)線(xiàn)斷面如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁法試驗(yàn)線(xiàn)斷面Fig. 3 Transient electromagnetic test line section

從圖3 中可以看出，斷面圖上部等值線(xiàn)呈封閉、半封閉，視電阻率為相對(duì)高阻，是第四系沖洪積亞粘土、砂土及砂礫石層的電性反映；下部淺黃色、藍(lán)色區(qū)域視電阻率相對(duì)較低，是以泥巖為主的煤系地層的綜合電性反映。其中，斷面圖上均可以看出測(cè)線(xiàn)中部有基巖出露，其地層在橫向上因風(fēng)化剝蝕，使其視電阻率值在同深度范圍附近有明顯變化，與已知鉆孔對(duì)比，第四系基底起伏形態(tài)基本吻合，圖中圓點(diǎn)部分為礦方在采掘過(guò)程中的涌水點(diǎn)，在瞬變電磁剖面解釋成果圖中有明顯反映。

3.4 勘探成果及鉆探驗(yàn)證

松散巖類(lèi)含水層主要分布于第四系砂礫石富集區(qū)，孔隙較大，接受補(bǔ)給條件好，可接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，富水性較強(qiáng)；砂礫石富集在電性上表現(xiàn)為高阻，而粘土在電性上表現(xiàn)為低阻，因此尋找第四系地層水就要圈定視電阻率值的高阻區(qū)。

沉積巖中各電性層之間、砂巖與砂巖裂隙含水層之間、砂巖與煤層間存在比較明顯的電性差異。在橫向上，沉積地層的電性正常情況下是均一的或變化不大。當(dāng)存在富水性的斷層構(gòu)造、含水層富含水或其它良導(dǎo)電地質(zhì)體時(shí)（如斷層破碎帶富水，灰?guī)r內(nèi)的充水溶洞、裂隙、巖溶洞穴、斷層、陷落柱、裂隙帶、采空區(qū)等），則表現(xiàn)為相對(duì)低阻[2]。

3.4.1 第四系松散層孔隙含水層

根據(jù)物探成果解釋相對(duì)富水異常區(qū)與鉆探成果綜合分析圈定了第四系富水異常區(qū)，富水異常區(qū)主要分布在北山背斜以南富水和北山背斜以北Q2- K3- K4 一線(xiàn)，與鉆探抽水試驗(yàn)特征基本一致。

3.4.2 M5 煤層頂板砂巖裂隙含水層

圖4 為物探圈定M5 頂板砂巖視電阻率等值線(xiàn)平面圖，視電阻率值在65 ～210 Ωm 變化，根據(jù)水文地質(zhì)資料并結(jié)合視電阻率變化情況，將視電阻率值小于85 Ωm 圈定為富水異常。富水異常區(qū)Ⅰ位于先期開(kāi)采地段的西部，位于鉆孔ZK32- 5、ZK32- 6 附近；富水異常區(qū)Ⅱ、Ⅲ位于先期開(kāi)采地段的中部及東部位于M5 煤風(fēng)氧化帶邊界處；富水異常區(qū)Ⅳ位于先期開(kāi)采逆斷層F4 附近，呈北西方向的一條帶。經(jīng)鉆探抽水試驗(yàn)，該含水層屬弱富水含水層，鉆探驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)80%。

圖4 M5 煤層頂板砂巖富水異常平面Fig. 4 Water- rich anomaly plan of sandstone in the roof of No.M5 coal seam

3.4.3 M7 煤層頂板砂巖裂隙含水層

圖5 為物探圈定M7 頂板砂巖視電阻率等值線(xiàn)平面圖，視電阻率值在50～185 Ωm 變化，根據(jù)水文地質(zhì)資料并結(jié)合視電阻率變化情況，將視電阻率值小于95 Ωm 圈定為富水異常區(qū)。富水異常區(qū)主要分布在2 個(gè)區(qū)段，富水異常區(qū)Ⅰ位于先期開(kāi)采地段南部，集中在斷層F1 及北部，富水異常區(qū)Ⅱ位于先期開(kāi)采地段的中部，富水面積較大，主要集中在逆斷層F4 附近。經(jīng)鉆探抽水試驗(yàn)，該含水層屬弱富水含水層，鉆探驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)80%。

圖5 M7 煤層底板砂巖富水異常平面Fig. 5 Water- rich anomaly plan of sandstone in the floor of No. M7 coal seam

3.4.4 斷層的富含水性

對(duì)于富水?dāng)鄬樱湟曤娮杪手颠h(yuǎn)小于不富水?dāng)鄬雍椭車(chē)桓凰貙拥囊曤娮杪手?；斷層的?dǎo)水性取決于兩盤(pán)巖性及斷層力學(xué)性質(zhì)，同一斷層，由于兩盤(pán)巖性以及力學(xué)性質(zhì)的變化，不同部位的導(dǎo)水性不盡相同。發(fā)育于脆性巖層中的張性斷裂，中心部位多為疏松多孔的構(gòu)造角礫巖，兩側(cè)一定范圍內(nèi)則為張開(kāi)度及裂隙率都增大的裂隙增強(qiáng)帶，常具有良好的導(dǎo)水能力，斷層兩側(cè)視電阻率值變化不明顯；發(fā)育于含水泥質(zhì)較多的塑性巖層中的張性斷裂，構(gòu)造巖夾有大量泥質(zhì)，兩側(cè)的裂隙增強(qiáng)也不如脆性巖層中明顯，往往導(dǎo)水不良甚至隔水，在斷層兩側(cè)視電阻率值會(huì)發(fā)生較明顯變化[3]。

圖6 為F6 斷層所在瞬變電磁某測(cè)線(xiàn)的視電阻率斷面圖。從圖中可以看出，54～55 號(hào)點(diǎn)300 ～400 m 有一明顯低阻層為粉砂巖的電性反應(yīng)，54 ～55 號(hào)點(diǎn)600 m 左右有一明顯高阻層為粗粒砂巖電性反應(yīng)，右上部高阻區(qū)域?yàn)榇至Ｉ皫r的電性反應(yīng)。圖中斜線(xiàn)為F6 逆斷層，斷層帶附近電阻率與周?chē)貙拥碾娮杪蚀嬖诿黠@差異，分析認(rèn)為該斷層在M6 煤層頂板砂巖、M7 頂、底板砂巖局部富水。與鉆孔資料基本吻合。

圖6 F6 斷層所在瞬變電磁某測(cè)線(xiàn)的視電阻率斷面Fig. 6 Apparent resistivity section of a transient electromagnetic survey line at fault F6

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在青海魚(yú)卡礦開(kāi)展的綜合電法勘探試驗(yàn)工作，在主、副井對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)，并探測(cè)了煤系地層主要含水層的富含水性以及斷層的富含水性，物探成果經(jīng)鉆探驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上，表面在高海拔地區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜情況下的地形高差較大的干旱沙漠地區(qū)，只要采取有效的綜合物探技術(shù)對(duì)策，可以對(duì)含水層富水性進(jìn)行有效勘查，并取得良好的勘探效果。