劉江斌

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

為了查明曹家灘井田首采區(qū)2-2煤上覆延安組、直羅組、安定組及基巖風化帶富水異常區(qū)的分布范圍、相對強弱特征等水文地質情況,為井下巷道掘進及采區(qū)工作面的防治水工作提供科學依據,采用地面瞬變電磁勘探技術[1-4],勘查了煤層頂板含水層富水性,共完成測線62條,控制面積15.62 km2,物理點共計21 249個,研究可為礦井設計、建設及生產提供水文地質依據。

1 工程概況

項目采用網度為40 m×20 m的瞬變電磁法,在井田東翼中部12盤區(qū)處施工,探查延安組(2-2煤頂板)、直羅組、安定組及基巖風化帶巖層富水異常區(qū)的區(qū)域分布范圍、相對強弱等特征,地面瞬變電磁法勘探測區(qū)位于曹家灘煤礦的東北部,測區(qū)范圍由4個拐點圈定,面積約為15.62 km2。測區(qū)相對位置如圖1所示。

2 瞬變電磁法

2.1 測線布置

測線的布設原則是盡量沿走向垂直于目標層位的主要構造,同時盡可能地避開電磁類干擾源,便于進行異常的識別和提取[5-8]。測區(qū)內地層主要為一單斜構造,測線布置主要垂直于該構造,自西南向東北布置。此次探測設計線距40 m、點距20 m,由東南向西北測線編號依次增大(共計布置測線62條),測線測點布置如圖2所示,圖2中密集的紅色圓點即為測點。

對此次勘探設計工作量及完成工作量中的坐標點、試驗物理點、檢查點和總物理點分別進行了統(tǒng)計。統(tǒng)計結果如下:設計工作量坐標點19 964個,試驗物理點50個,檢查點1 000個,總物理點21 014個;完成工作量坐標點19 964個,試驗物理點85個,檢查點1 200個,總物理點21 249個。

圖2 測線布置Fig.2 Layout of survey line

2.2 儀器設備

此次瞬變電磁法勘探使用V8多功能電磁法探測儀[9-11],如圖3所示。該儀器的主要技術參數如下:輸入阻抗>100 MΩ;補償誤差<0.12‰;分辨率1 μV;功率2 800 W;最大輸出電流40 A;最大供電電壓140 V。

3 探查成果

3.1 風化巖底界附近低阻異常區(qū)平面分析

據統(tǒng)計,本目標層電阻率最小值為12.97 Ω·m,最大值為46.04 Ω·m,變化范圍不大。風化巖底界附近低阻異常區(qū)平面分布如圖4所示。

測區(qū)內基巖風化層中共發(fā)現大小低阻異常區(qū)4處,分別編號為F-1號低阻異常區(qū)、F-2號低阻異常區(qū)、F-3號低阻異常區(qū)和F-4號低阻異常區(qū),其中范圍較大的有2處。

圖3 V8多功能電磁法探測系統(tǒng)主要設備Fig.3 Main equipment of V8 multi-function electromagnetic detection system

圖4 風化巖底界附近低阻異常區(qū)平面分布Fig.4 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near the bottom boundary of weathered rock

(1)F-1號低阻異常區(qū)位于測區(qū)西部,處于風化巖底界相對低洼處,為水的積聚提供了良好的前提,推斷該低阻異常區(qū)為基巖風化層含/富水的電性反映。

(2)F-2號低阻異常區(qū)呈圈閉狀位于測區(qū)中部,異常區(qū)范圍偏小,距離F-1號異常區(qū)較近,推斷該低阻異常區(qū)應為基巖風化層含/富水的反映特征。

(3)F-3號異常區(qū)位于測區(qū)東北部邊界附近。根據平面位置來看,該異常區(qū)所處位置為122106工作面切眼附近,已知資料顯示,該處探放水孔風化巖層位涌水量較大,推斷該異常區(qū)應與其有一定對應關系。

(4)F-4號異常區(qū)位于測區(qū)東南部。已知資料顯示,該低阻異常區(qū)處于風化巖底界相對低洼處,為水的積聚提供了良好的前提,推斷該低阻異常區(qū)為基巖風化層含/富水的電性反映。

3.2 直羅組底界上60 m附近低阻異常區(qū)平面分析

直羅組底界上60 m附近低阻異常區(qū)平面分布如圖5所示,反映了測區(qū)內直羅組上部層位低阻異常區(qū)的分布情況。據統(tǒng)計,本目標層電阻率最小值為21.56 Ω·m,最大值為48.16 Ω·m,變化范圍不大。結合前述瞬變電磁法勘探異常劃分方法,將該層平面圖中低阻異常閾值定為32.8 Ω·m,即小于該值的區(qū)域為相對低阻異常區(qū)。

圖5 直羅組底界上60 m附近低阻異常區(qū)平面分布Fig.5 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near 60 meters above the bottom boundary of the Zhiluo Formation

測區(qū)內基巖風化層中共發(fā)現大小低阻異常區(qū)5處,分別編號為Z60-1號低阻異常區(qū)、Z60-2號低阻異常區(qū)、Z60-3號低阻異常區(qū)、Z60-4號低阻異常區(qū)和Z60-5號低阻異常區(qū),其中范圍較大的有3處。

(1)Z60-1號低阻異常區(qū)呈條帶狀分布于西部測區(qū)邊界位置附近,且有向測區(qū)外延伸的趨勢,范圍較小但異常幅值較強,強低阻異常位于弱低阻異常之中,推斷該低阻異常區(qū)為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

(2)Z60-2、Z60-3號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中部,異常區(qū)范圍較大,且在異常中部有相互聯(lián)通的趨勢。根據該異常區(qū)所處位置來看,疑似與上部基巖風化層低阻異常區(qū)分布中的F-1號低阻異常區(qū)有一定對應關系。由于該位置上部基巖風化層與直羅組之間沒有穩(wěn)定的隔水層,基巖風化層中的水極易向下導通至直羅組從而使其富水,推斷該低阻異常區(qū)應為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

(3)Z60-4號低阻異常區(qū)呈圈閉狀位于測區(qū)中東部,分為一小范圍圈閉狀的強低阻異常區(qū)和一大范圍圈閉狀的弱低阻異常區(qū),分析并對照上下各層位該位置處異常的分布狀態(tài),該低阻異常區(qū)主要賦存在直羅組底界上60 m層位中,推斷該低阻異常區(qū)應為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

(4)Z60-5號低阻異常區(qū)分布于測區(qū)東部。已知資料顯示,該低阻異常區(qū)異常中心所處位置為122106工作面切眼附近,該處頂板淋水嚴重且探放水孔涌水量也較高,應與該異常區(qū)有一定對應關系,推斷該低阻異常區(qū)應為直羅組上部砂巖含/富水的電性反映。

3.3 直羅組底界上30 m附近低阻異常區(qū)平面分析

直羅組底界上30 m附近低阻異常區(qū)平面分布如圖6所示。據統(tǒng)計,本目標層電阻率最小值為30.25 Ω·m,最大值為66.18 Ω·m,變化范圍不大。結合前述瞬變電磁法勘探異常劃分方法,將該層平面圖中低阻異常閾值定為49.51 Ω·m,即小于該值的區(qū)域為相對低阻異常區(qū)。

圖6 直羅組底界上30 m附近低阻異常區(qū)平面分布Fig.6 Plane distribution of low resistivity anomaly areas near 30 m above the bottom boundary of Zhiluo Formation

測區(qū)內基巖風化層中共發(fā)現大小低阻異常區(qū)5處,分別編號為Z30-1號低阻異常區(qū)、Z30-2號低阻異常區(qū)、Z30-3號低阻異常區(qū)、Z30-4號低阻異常區(qū)和Z30-5號低阻異常區(qū),其中范圍較大的有3處。

(1)Z30-1號低阻異常區(qū)呈條帶狀分布于西部測區(qū)邊界位置附近,且有向測區(qū)外延伸的趨勢,范圍較小但異常幅值較強,強低阻異常位于弱低阻異常之中,該異常南部強低阻異常中心所處位置為直羅組底界較為低洼處,為水的積聚提供了有利前提,推斷該低阻異常區(qū)為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映。

(2)Z30-2、Z30-3號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中部,異常區(qū)范圍較大,且在異常中部有相互聯(lián)通的趨勢。根據該異常區(qū)所處的位置來看,疑似與上部直羅組底界上60 m附近低阻異常區(qū)分布中的Z60-2、Z60-3號低阻異常區(qū)有一定對應關系,推斷該低阻異常區(qū)應為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映,且與上部有一定聯(lián)通關系。

(3)Z30-4號低阻異常區(qū)呈圈閉狀位于測區(qū)東南部,范圍較小且異常較強,疑似受到了上部直羅組底界上60 m附近低阻異常區(qū)分布中Z60-4號低阻異常區(qū)“影子效應”的影響,但強低阻異常中心和形態(tài)略有差異,所以其低阻異常應是客觀存在的,推斷該低阻異常區(qū)為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映。

(4)Z30-5號低阻異常區(qū)分布于測區(qū)東部,與上部直羅組底界上60 m附近層位中Z60-5號低阻異常區(qū)有一定對應關系,疑似存在上下聯(lián)通的趨勢。已知資料顯示,該低阻異常區(qū)異常中心所處位置為122106工作面切眼附近,該處頂板淋水嚴重且探放水孔涌水量也較高,應與該異常區(qū)有一定對應關系,推斷該低阻異常區(qū)應為直羅組中部砂巖含/富水的電性反映。

3.4 直羅組底界附近低阻異常區(qū)平面分析

直羅組底界附近低阻異常區(qū)平面分布如圖7所示。據統(tǒng)計,本目標層電阻率最小值為45.26 Ω·m,最大值為96.15 Ω·m,變化范圍不大。

圖7 直羅組底界附近低阻異常區(qū)平面分布Fig.7 Plane distribution of low resistance anomaly areas near the bottom boundary of the Zhiluo Formation

測區(qū)內基巖風化層中共發(fā)現大小低阻異常區(qū)5處,分別編號為Z-1號低阻異常區(qū)、Z-2號低阻異常區(qū)、Z-3號低阻異常區(qū)、Z-4號低阻異常區(qū)和Z-5號低阻異常區(qū),其中范圍較大的有4處。

(1)Z-1號低阻異常區(qū)位于西南部測區(qū)邊界位置附近,且有向測區(qū)外延伸的趨勢,范圍較大且異常幅值較強,強低阻異常位于弱低阻異常之中。已知資料顯示,該異常南部強低阻異常中心所處位置為直羅組底界較為低洼處,為水的積聚提供了有利前提,推斷該低阻異常區(qū)為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

(2)Z-2、Z-3號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中部。已知資料顯示,該異常南部強低阻異常中心所處位置為直羅組底界較為低洼處,為水的積聚提供了有利前提,推斷該低阻異常區(qū)為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

(3)Z-4號低阻異常區(qū)呈圈閉狀位于測區(qū)東南部,范圍較小且異常較弱,疑似受到了上部直羅組底界上30 m附近低阻異常區(qū)分布中Z30-4號低阻異常區(qū)“影子效應”的影響,但強低阻異常中心和形態(tài)略有差異,所以其低阻異常應是客觀存在的,推斷該低阻異常區(qū)為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

(4)Z-5號低阻異常區(qū)分布于測區(qū)東部,與上部直羅組底界上30 m附近層位中Z30-5號低阻異常區(qū)有一定對應關系,疑似存在上下聯(lián)通的趨勢。已知資料顯示,該低阻異常區(qū)異常中心所處位置為122106工作面切眼附近,該處頂板淋水嚴重且探放水孔涌水量亦較高,應與該異常區(qū)有一定對應關系,推斷該低阻異常區(qū)應為直羅組底部砂巖含/富水的電性反映。

3.5 延安組2-2煤頂板上50 m附近低阻異常區(qū)平面分析

延安組2-2煤頂板上50 m附近低阻異常區(qū)分布如圖8所示。據統(tǒng)計,測區(qū)內基巖風化層中共發(fā)現大小低阻異常區(qū)6處,分別編號為2M50-1號低阻異常區(qū)、2M50-2號低阻異常區(qū)、2M50-3號低阻異常區(qū)、2M50-4號低阻異常區(qū)、2M50-5號低阻異常區(qū)和2M50-6號低阻異常區(qū)。

(1)2M50-1號低阻異常區(qū)呈圈閉狀位于測區(qū)西部,異常幅值較小,該異常所處位置為該層位相對低洼處,為水的積存提供了有利前提,推斷該低阻異常區(qū)應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

(2)2M50-2、2M50-6號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中部,分布范圍相對較大,異常幅值較小,推斷2處低阻異常區(qū)應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

圖8 延安組2-2煤頂板上50 m附近低阻異常區(qū)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號低阻異常區(qū)位于測區(qū)東部,異常幅值較小,分布范圍相對較小,其中2M50-3號低阻異常區(qū)有向測區(qū)外延伸的趨勢,推斷2處低阻異常區(qū)應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

(4)2M50-5號低阻異常區(qū)位于測區(qū)西南部,異常幅值相對較小,分布范圍較大,該處發(fā)育有一正斷層DF1,推斷該處裂隙較為發(fā)育,不排除上部強含水層通過裂隙向下部含水層進行補給的可能性,推斷該處低阻異常區(qū)疑似是由于斷層、裂隙發(fā)育導致巖性變化或局部含/富水的電性反映。

3.6 延安組2-2煤頂板上15 m附近低阻異常區(qū)平面分析

延安組2-2煤頂板上15 m附近低阻異常區(qū)分布如圖9所示。據統(tǒng)計,測區(qū)內基巖風化層中共發(fā)現大小低阻異常區(qū)6處,分別編號為2M15-1號低阻異常區(qū)、2M15-2號低阻異常區(qū)、2M15-3號低阻異常區(qū)、2M15-4號低阻異常區(qū)、2M15-5號低阻異常區(qū)和2M15-6號低阻異常區(qū)。

(1)2M15-1號低阻異常區(qū)呈圈閉狀零星分散于測區(qū)西部,異常幅值較小,該異常所處位置為該層位相對低洼處,為水的積存提供了有利前提。另外,該異常區(qū)東側鄰近DF2正斷層,斷層的存在為巖層含/導水提供了有利條件,推斷該低阻異常區(qū)應為延安組上部砂巖裂隙發(fā)育含/富水的電性反映。

圖9 延安組2-2煤頂板上15 m附近低阻異常區(qū)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號低阻異常區(qū)位于測區(qū)中部,分布范圍相對較大,異常幅值較小,推斷2處低阻異常區(qū)應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

(3)2M15-4號低阻異常區(qū)位于測區(qū)西南部,異常幅值相對較小,分布范圍較小,該處發(fā)育有一正斷層DF1,推斷該處裂隙較為發(fā)育,不排除上部強含水層通過裂隙向下部含水層進行補給的可能性,推斷該處低阻異常區(qū)疑似是由于斷層、裂隙發(fā)育導致巖性變化或局部含/富水的電性反映。

(4)2M15-5、2M15-6號低阻異常區(qū)分別位于測區(qū)南部以及東部,異常幅值較小,分布范圍相對較小且有向測區(qū)外延伸的趨勢,推斷2處低阻異常區(qū)應為延安組上部砂巖含/富水的電性反映。

3.7 物探成果與實際對應情況分析

對抽取的各個平面中的異常區(qū)進行分析后,需要進一步結合鉆孔、水文、地質等相關資料,對測區(qū)內由淺至深、縱向以及橫向上異常的變化規(guī)律進行進一步總結,分析已知驗證區(qū)域的異常變化特征[12-16]。

風化巖底界低阻異常區(qū)與底界起伏形態(tài)的對比如圖10所示。從圖10來看,青、藍色的低阻異常區(qū)大體分布在西部以及東部位置,范圍較大且異常較強。對比風化巖底界的起伏形態(tài)來看,異常區(qū)大都分布在相對低洼位置處,符合水文地質學中“低處富水”這一原則。

將直羅組由深至淺3個層位的低阻異常區(qū)平面分布圖組合成立體展布(圖11),從圖11來看,縱向上,由淺至深異常區(qū)由綠色、青色逐漸加深為青色、藍色,表明直羅組層位中的異常區(qū)主要集中在直羅組底界附近,且根據井下實際鉆孔揭露,直羅組底界含水性較強。橫向上,在同一含水層位,富水性也并不是均一的,對比穿過測區(qū)(圖11中紅色直線為水文地質剖面相對位置)的11-11號水文地質剖面,在代表著直羅組地層(紅色虛線至藍色虛線)的位置,洋紅色相對隔水層與青色相對含水層交錯分布,且橫向上含、隔水層的分布也是非常不均勻的,有的地方可能局部富水,存在局部的垂向聯(lián)通性。如圖11中部藍圈范圍內,含水層較厚、隔水層較薄,對應到直羅組低阻異常區(qū)平面分布圖中,相應位置處低阻異常幅值相對較強,反映該位置含/富水性也相對較強;而圖11中左側藍圈范圍內,代表隔水層的洋紅色層位相對較厚、含水層較薄,對應到直羅組低阻異常區(qū)平面分布圖中時,相應位置處低阻異常幅值相對較弱,反映該位置含/富水性亦相對較弱。所以,直羅組地層異常區(qū)分布情況與現有已知資料對應較為良好。

圖10 風化巖底界異常區(qū)與底界起伏形態(tài)對比Fig.10 Comparison between the abnormaly areas of weathered rock bottom boundary and the undulating morphology of the bottom boundary

圖11 直羅組低阻異常區(qū)立體分布與水文地質剖面對比Fig.11 Comparison of three-dimensional distribution and hydrogeological profile of low resistivity abnormaly areas in the Zhiluo Formation

122106工作面頂板探放水驗證情況如圖12所示。根據現場人員描述,探放水孔鉆至延安組時水量較小,在直羅組內水量明顯增大,再向上打到風化基巖層位時水量明顯變大,這也和成果圖中異常區(qū)從延安組比較弱、到直羅組異常變強、再到風化巖異常更強這樣一個分布規(guī)律有較好的吻合。

圖12 井下122106工作面頂板探放水驗證情況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鉆孔的涌水量較大,尤其是HF1號鉆場的4鉆。其中,HF1-1號鉆孔涌水量最大可達90 m3/h,與電法成果中切眼位置的低阻異常區(qū)有較好的對照關系。

井下122106工作面頂板探放水孔涌水量如圖13所示。

圖13 井下122106工作面頂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

圖13中,藍色區(qū)域為工作面內探放水孔涌水量較大區(qū)域,紅色區(qū)域為相對涌水量較小的區(qū)域。其中,距離切眼1.2 km處區(qū)域涌水量最大,到中部紅色區(qū)域涌水量逐漸減弱,而逐漸靠近大巷位置涌水量又逐漸增大。對應到各層位異常區(qū)平面圖中,整體來看,藍色區(qū)域(涌水量較大)低阻異常區(qū)范圍較大且異常幅值較強,紅色區(qū)域(涌水量較小)低阻異常區(qū)范圍較小且異常幅值較弱,說明物探成果與已知鉆探情況對應情況良好。

4 結論

(1)對測區(qū)內基巖風化層富水異常區(qū)進行了探查和分析,共發(fā)現低阻異常區(qū)4處,低阻異常區(qū)面積共計8 184 947.20 m2,分別命名為F-1、F-2、F-3、F-4號低阻異常區(qū)。其中,F-1、F-3號低阻異常區(qū)范圍較大幅值較強,為該層位主要異常區(qū)。推斷4處低阻異常區(qū)為基巖風化層含/富水的電性反映,已知資料顯示,鉆孔揭露該層時涌水量較大,富水性較強。

(2)對測區(qū)內直羅組地層富水異常區(qū)進行了探查和分析,分別抽取了直羅組底界、直羅組底界上30 m、直羅組底界上60 m三個層位的電阻率異常平面圖,各層位平面圖中均發(fā)現有5處低阻異常區(qū),且上下之間有一定聯(lián)通關系;各層位異常區(qū)面積分別為7 728 820.438、5 804 869.907、5 220 686.555 m2,推斷為直羅組地層砂巖含/富水。

(3)對測區(qū)內延安組2-2煤頂板附近地層富水異常區(qū)進行了探查和分析,分別抽取了延安組2-2煤頂板上15 m、頂板上50 m兩個層位的電阻率異常平面圖,共發(fā)現低阻異常區(qū)6處,異常區(qū)分布相對零散,富水性較弱,推斷為延安組上部地層砂巖含/富水。在巷道掘進期間,主要涉及到延安組弱含水層,在沒有大的斷層或破碎帶的前提下,對掘進影響不大,以靜儲量為主。

(4)測區(qū)內主要含/富水層位為基巖風化層和直羅組地層,且與鉆探實際揭露情況相吻合。其中,基巖風化層含/富水性最強,直羅組層位底部異常較強,中上部逐漸減弱,在同一含水層位,富水性不均一;此外,未發(fā)現風化巖與直羅組含水層之間的水力聯(lián)系。