瞬变电磁法在地层富水性勘查工作中的应用.pdf

-59-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期两星推荐水害对煤矿安全开采和生产的威胁性较大，在郝家梁煤矿，这一问题尤为突出。该矿位于榆神矿区一期规划区东南部，由于其地质结构的特殊性，水文地质条件比较复杂。根据水文地质调查的结果，矿井存在两个主要充水源以及一个次要的补给源，同时发育有导水通道，使得井下作业面临着巨大的水害风险。尤其是 3 号煤层南部火烧区的孔洞发育，为地下水流动和储存提供了有利条件，一旦与采掘空间联通，便可能导致大规模的突发性涌水事故。实际上，2021 年的透水溃泥（沙）事故已经暴露出了矿井水害的严重性，导致矿井停产至今。在这种背景下，煤矿防治水工作必须引起足够重视。为了确保郝家梁煤矿的安全生产，以瞬变电磁法作为主要的物探技术手段，探查 3 号煤层顶板碎屑岩类裂隙含水层、烧变岩区孔洞裂隙水、风化基岩裂隙含水层的富水性，旨在为郝家梁煤矿 30108 工作面的恢复治理及其防治水工作提供科学的参考和依据。该方法部署快速、灵活性强、能应对复杂地形。本文将详细介绍瞬变电磁法探查在郝家梁煤矿的应用过程及其成果，评估该方法在煤矿水害探测与评估中的有效性。通过此次探测工作，期望能够为郝家梁煤矿的安全生产提供一个更加稳固的技术保障，同时也为类似地质条件下的煤矿水害防治提供参考。测区概况郝家梁煤矿位于榆神矿区一期规划的东南部，矿井位置在榆林市东北方向约 22km 处。该煤矿井田面积约12.70km2，内含两个可开采的煤层，分别为 3 号和 3-1 号煤层。郝家梁的井田区域表层覆盖第四纪的松散沉积物，这些沉积物主要包括全新世的风成沙、冲积层和洪积层，以及上更新世的萨拉乌苏组和中更新世的离石组等。此外，钻孔还揭露了新近纪上新世的静乐组，侏罗纪中统直罗组和延安组，以及下统的富县组等。根据水文地质资料，矿井主要充水水源为 3 煤顶板碎屑岩类承压裂隙含水层以及火烧区域烧变岩水，间接充水水源为松散层潜水。主要导水通道为采动裂隙。3 号煤层南部火烧区孔洞发育，为地下水径流、储存提供了良好的空间条件，存在一定的安全隐患。地球物理特征岩石的导电能力各不相同，因此煤系地层中常见的岩石表现出的电阻率值也是不一样的。通常灰岩的电阻率会更高，泥岩、粉砂岩以及中粗砂岩的电阻率逐渐升高。煤系地层在垂直分布上呈现出电阻率的增大或减小的趋势，而沿着层面行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度本文针对郝家梁煤矿潜在的水害问题，提出使用瞬变电磁法探查的解决方案。在煤炭开采行业起到预防和控制水害的关键作用。如付诸现实将产生保障煤矿的连续生产和工人的安全。瞬变电磁法在地层富水性勘查工作中的应用赵森野赵森野河北地质大学赵森野，河北唐山，硕士研究生在读。中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-60-两星推荐方向，岩性的差异通常不显著，电阻率相对一致。由地质资料可知：测区表层的覆盖物属于第四系，以松散的堆积物为主，包括但不限于全新世的风成沙和河流冲积物，以及上更新统萨拉乌苏组，中更新统离石组等，多呈相对低阻特征，但是当地表局部存在风积沙时，地表会出现高阻薄层；向下为新近系上新统静乐组地层，岩性主要为浅、深红色黏土及亚黏土，整体呈相对低阻特征；再向下，侏罗系中统的延安组含煤层，以砂岩、粉砂岩、含碳泥岩和煤层为主，呈现出较高的电阻率，而位于其下的侏罗系下统富县组则主要由砂岩构成，其电阻率相对较低。由此可见，在本区域的探测深度范围内，地层的电阻率特征将主要表现为从表层到深层的“高阻低阻高阻低阻”的交替变化模式。瞬变电磁法原理瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一种时间域的电磁测深方法。其基本原理是通过在地表或井中产生一个瞬间的强大电流脉冲，这个脉冲会在地下产生一个随时间变化的磁场。具体来说，当电流脉冲突然中断时，会在地下产生一个变化的磁场，这个磁场随时间衰减，并激发地下导电体中的感应电流。这些感应电流随后产生次级磁场，随时间和空间变化。通过在地表上放置接收线圈，可以检测到这个次级磁场的变化，从而获取地下电性结构的信息。瞬变电磁法观测纯二次场，这种方法能够有效地区分地下介质的电性差异，并且识别低阻体时效果更好，分辨率更高。由于不同的地质体具有不同的电磁特性，通过分析随时间变化的次级磁场信号，可以推断出地下结构的电导率分布。水和矿物等导电性好的物质会产生较强的感应响应，因此瞬变电磁法特别适合于探测地下水和矿体等导电体。所以对地层富水性问题，选择对含水体敏感、分辨率高的瞬变电磁法进行探测视电阻率断面分析如果地层中不存在水富集区或导水通道，电阻率断面上的等值线相对平行且均匀，分布相对规律；相反，若遇到含水量高的区域，导水通道等，该处的电阻率数值会相应降低，导致等值线在断面上出现畸形或密集分布的现象。用颜色填充电阻率断面图，富水区或含导水构造处用蓝色 绿色进行填充，或是等值线扭曲圈闭，高阻层幅值减弱或消失，指示电阻率的下降，由此可以确定低阻异常区的相对位置、形态大小以及电阻率的相对大小等，各个要素均能被更清晰地识别。根据本次探测区内钻孔分布、已知出水情况，选取160、172 和 224 测线作为研究对象，分别对各测线获取的数据进行处理分析，通过绘制的电阻率断面图，解释其地质含义，包括地层厚度和地层电性等。各测线反演电阻率断面图中，横坐标表示水平距离，纵坐标为高程，测点位置标准在了图像顶部，低电阻率区域用蓝色 绿色进行填充，其中蓝色为相对低阻，绿色为相对高阻。高电阻率区域用黄色、红色进行填充，其中黄色为相对低阻，红色为相对高阻。其余颜色为过渡色。图中用黑色实线标示 3 煤层，用紫色虚线标示推断的侏罗系延安组顶界面。探测区内 3 煤层底板标高根据矿方提供的矿井充水性图进行统计获得。由于探测区面积较大，各完整测线跨度较长，为清晰显示、说明电性分布，所选取的典型测线只是所在测线的其中部分测线段。160线反演电阻率断面异常分析图 1 为 160 线反演电阻率断面分析解释图。该测线自西北向东南展布，测线全长 3 280m，此处截取其西北段进行分析。所截取测线段长度 600m，对应地表地形整体平坦，地形缓变，最大落差约 18m。160 线反演电阻率断面图展示地层的范围为+1 000+1 250m，直观展示出了地层电阻率的相对大小以及不同电阻率地层的分布范围，纵向上电阻率由浅至深整体地电断面表现为“高阻 低阻 高阻 低阻”的 HK 型特征。其中，3煤位于高阻层核心的上部。结合地层分布和类似地层地区电阻率测井资料可知，断面图中 3 煤所在的高阻层为侏罗系延安组地层，其上部的低阻为第四系离石组地层，其下部的低阻为延安组含煤段下部地层，浅部地层为第四系风积沙。根据断面图上电阻率的纵向变化特征和横向延展分布，对延安组顶界面进行推断，用紫色虚线标识在了断面图上。根据以上分析，认为反演电阻率断面图纵向电性变化趋势与实际地层的电性变化特征一致，整体较好地反映了实际地层的纵向电性特征。由前期地质勘探揭露和掌握的已知资料可知，探测区地层整体近似水平。图中电阻率分布应符合地层倾向和厚度变化。由图可见，延安组所在的高阻层总体表现稳定的横线延展性，其高阻核心总体保持在一个标高水平，与已知地层倾向一致，整体而言，电阻率断面图的解释信息与实际地层的倾向特征相符合。根据矿方提供的矿井充水性图，该测线 78 点处有SH302 水文地质钻孔，该孔揭露 3 煤层厚度 7.84m，属于正常厚度。根据 SH302 水文地质钻孔抽水试验结果，该处第四系离石组含水层单位涌水量为 0.004 4 L/（sm），属于弱富水层；延安组含水层单位涌水量为0.047 6L/（sm），属于弱富水层。对比该钻孔所在断面图位置处电阻率可知，其揭露地层的电阻率值在断面图上均为相对高阻。可见，断面图反映情况与实际抽水试验结果一致。进一步对比 3 煤层横向电阻率分布可发现，在该断面图右段，电阻率出现明显降低，表现为高阻层变弱，认为该处存在相对低阻异常。172线反演电阻率断面异常分析图 2 为东部 172 线反演电阻率断面分析解释图。该测线自西北向东南展布，测线全长 3 280m，此处截取其东南段进行分析。所截取测线段长度500m，对应地表地形整体平坦，地形缓变，最大落差约 10m。172 线反演电阻率断面图展示地层的范围为+1 000+1-61-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期两星推荐250m，直观展示出了地层电阻率的相对大小以及不同电阻率地层的分布范围，纵向上电阻率由浅至深整体地电断面表现为“高阻 低阻 高阻 低阻”的 HK 型特征。其中，3煤位于高阻层核心的上部。结合地层分布和类似地层地区电阻率测井资料可知，断面图中 3 煤所在的高阻层为侏罗系延安组地层，其上部的低阻为第四系离石组地层，其下部的低阻为延安组含煤段下部地层，浅部地层为第四系风积沙。根据断面图上电阻率的纵向变化特征和横向延展分布，对延安组顶界面进行推断，用紫色虚线标识在了断面图上。由前期地质勘探揭露和掌握的已知资料可知，探测区地层整体近似水平。图中电阻率分布应符合地层倾向和厚度变化。由图可见，延安组所在的高阻层总体表现稳定的横线延展性，其高阻核心总体保持在一个标高水平，与已知地层倾向一致，整体而言，电阻率断面图的解释信息与实际地层的倾向特征相符合。根据矿方提供的矿井充水性图，该测线 268 点处有SHH05 水文地质钻孔，该孔揭露 3 煤层消失。结合该图上煤层自燃边界线可知，该处 3 煤层被完全火烧。断面图中用红色虚线标示了火烧区的大致范围。根据 SHH05 水文地质钻孔抽水试验结果，该处延安组含水层单位涌水量为 0.014 2 L/（sm），属于弱富水层。对比该图横向电阻率可知，3 煤所在层位电阻率在断面图横向上无明显变化，电阻率分布相对均匀，未出现明显低阻。认为该测线处烧变岩相对不富水。224线反演电阻率断面异常分析图 3 为东北部 204 线反演电阻率断面分析解释图。该测线自西北向东南展布，测线全长 3 280m，此处截取其中段进行分析。所截取测线段长度 1 300m，对应地表地形整体平坦，但局部起伏变大，最大落差约 22m。224 线反演电阻率断面图展示地层的范围为+1 000+1 250m，直观展示出了地层电阻率的相对大小以及不同电阻率地层的分布范围，纵向上电阻率由浅至深整体地电断面表现为“高阻 低阻 高阻 低阻”的 HK 型特征。其中，3煤位于高阻层核心的上部。结合地层分布和类似地层地区电阻率测井资料可知，断面图中 3 煤所在的高阻层为侏罗系延安组地层，其上部的低阻为第四系离石组地层，其下部的低阻为延安组含煤段下部地层，浅部地层为第四系风积沙。根据断面图上电阻率的纵向变化特征和横向延展分布，对延安组顶界面进行推断，用紫色虚线标识在了断面图上。根据以上分析，认为反演电阻率断面图纵向电性变化趋势与实际地层的电性变化特征一致，整体较好地反映了实际地层的纵向电性特征。由前期地质勘探揭露和掌握的已知资料可知，探测区地层整体近似水平。图中电阻率分布应符合地层倾向和厚度变化。由图可见，延安组所在的高阻层总体表现稳定的横线延展性，其高阻核心总体保持在一个标高水平，与已知地层倾向一致，整体而言，电阻率断面图的解释信息与实际地层的倾向特征相符合。该测线平面位置邻近 30108 工作面北部。根据矿方提供的矿井充水性图，矿方在 30107 工作面切眼处向南部顶板施工探放水钻孔，其中多个钻孔出水量较大，达到18.5m3/h。断面图中用白色五角星标出了较大出水量钻孔在该断面图上的位置。具体为 3#钻孔出水量 14.4m3/h，1#钻孔出水量18.5m3/h。对比各出水点位置在断面图上的电阻率分布可知，该处电阻率在断面图横向上表现为明显的相对低阻。可见，断面图反映情况与实际抽水试验结果一致。进一步对比 3 煤层横向电阻率分布可发现，出水点处低阻在断面图上横向连续性较强，具有分布范围广、异常程度低的特征。认为该低阻异常与 3 煤顶板相对富水密切相关。结语对于郝家梁煤矿 30108 工作面 160 线、172 线和 224线进行瞬变电磁法探测，查明探测范围内地层富水情况，分别绘制了视电阻率等值线断面图。通过处理和分析本次瞬变电磁法勘查获得的数据，将解释结果与先前获得的地质、水文、揭露等相关地质资料进行对比和综合分析，更进一步对 3 煤顶板电阻率异常区域进行划分，圈定了 3 煤烧变区顶板两处低阻异常区，推测为 3 煤顶板基岩风化层相对富水的电性响应。图 3 224 线反演电阻率等值线断面图 1 160 线反演电阻率等值线断面图 2 172 线反演电阻率等值线断面