王海博，郭 恒

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

陜西彬縣某煤礦屬于大型現(xiàn)代化礦井，主采4號煤層，礦井水文地質(zhì)類型劃分為“簡單”。目前該礦ZF2404 工作面回采至240 m 時(shí)出現(xiàn)涌水，且水量最大達(dá)到500 m3/h，較大的涌水量致使工作面多次停采排水，不但嚴(yán)重影響回采進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)效益，礦井安全生產(chǎn)也面臨巨大威脅。在已有的勘探資料中，本采區(qū)以至整個井田的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件均比較簡單，但ZF2404 工作面長期持續(xù)的大量涌水，表明4 號煤局部水文地質(zhì)條件具有相對復(fù)雜性。為保證ZF2404 及后續(xù)工作面的順利和安全回采，采用地面高密度直流電法[1]對開采工作面上部主要含水層的電性特征及富水性進(jìn)行探查[2-3]。

1 研究區(qū)工程概況

研究區(qū)域位于彬長礦區(qū)的東南，隴東黃土高原的東南部，屬陜北黃土高原南部塬梁溝壑區(qū)的一部分。測區(qū)為涇河臺地與河川地貌，河流切割深度達(dá)百米。測區(qū)地層按由老到新有三疊系、侏羅系、白堊系、新近系及第四系，主要含煤地層為侏羅系下統(tǒng)延安組4 號煤層。主要含水層為侏羅系層狀裂隙承壓水含水層、安定組（直羅組）層狀裂隙承壓水含水層。

高密度直流電法通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場在地面的分布規(guī)律來解決礦產(chǎn)資源、環(huán)境和工程地質(zhì)問題[4-5]。該方法具有野外數(shù)據(jù)的快速和自動采集的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)直流電阻率法相比，效率高、信息豐富、解釋方便、探測能力顯著提高[6]。結(jié)合測區(qū)中有高壓線穿過，電磁感應(yīng)類方法受電磁干擾影響較大，如瞬變電磁法[7]。而直流電法受電磁干擾較小[8]，同時(shí)結(jié)合本次主要解決測區(qū)淺部低阻松散覆蓋層有關(guān)的問題，因此，選擇對淺部分辨率較高，且方法理論較為成熟的高密度直流電法進(jìn)行探測。測區(qū)相對位置示意圖如圖1。

圖1 測區(qū)相對位置示意圖

電法探測區(qū)地形起伏不大，但施工障礙較多，有東西向橫貫測區(qū)的新國道及涇河河道，測區(qū)南北兩端各有福銀高速及滬霍公路對電法測線的布置構(gòu)成一定障礙和限制。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件對電法測點(diǎn)的布設(shè)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，盡可能多的覆蓋和控制目標(biāo)區(qū)域。調(diào)整后的電法測區(qū)，分為（涇河）南北2 個區(qū)域，基本線距20～40 m，點(diǎn)距10 m，各區(qū)分別布置高密度觀測剖面8 條。工程任務(wù)主要為探查白堊系洛河組含水層的電性變化特征、探查白堊系宜君組含水層的電性變化特征和探查侏羅系安定組頂部地層的電性變化特征。

2 工程成果及其驗(yàn)證

在視電阻率斷面上，若地層不受富水區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造影響，沉積有序的含煤地層，其電阻率分布也有與之對應(yīng)的次序。反映在視電阻率斷（平）面上，等值線呈似層狀分布；當(dāng)存在低阻異常體（富水區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造）時(shí)，電阻率值降低，等值線表現(xiàn)為圈閉或呈密集條帶等形狀。在彩色視電阻率斷面上約定較深的綠色代表低阻異常（富水區(qū)），磚紅色代表高阻異常（不含水或含水性差），顏色遞變與視電阻率的變化相對應(yīng)。

2.1 斷面異常分析與解釋

據(jù)現(xiàn)場踏勘，本次電法探測區(qū)域，淺部第四系、新近系地表為薄層黃土、沖積砂層及河卵石、砂質(zhì)黏土、亞黏土等，電性特征為低阻層。探測的3 個目標(biāo)層中，洛河組為厚約100 m 的砂巖砂礫巖，宜君組為厚約30 m 的礫巖，安定組上部為厚約50 m 的中粗粒砂巖泥巖互層。3 個目標(biāo)層均相對含水層，相對于下伏隔水層和煤層呈現(xiàn)為低阻電性特征，層厚、埋深均處于直流電法探測最為有利的分辨范圍。本次選取測區(qū)內(nèi)4 號和14 號測線視電阻率等值線斷面為例，進(jìn)行分析解釋，測線相對位置示意圖如圖2。

圖2 測線相對位置示意圖

2.1.1 4 線視電阻率斷面異常分析

此測線位于涇河北測區(qū)，ZF2404 工作面上方，正北方向，長度600 m，沿線地形平坦緩。據(jù)鄰近鉆孔，目標(biāo)含水層洛河組頂界埋深20 m，厚度100 m；宜君組含水層頂界埋深120 m，厚度30 m；安定組頂界埋深為150 m，厚度50 m。4 線視電阻率斷面圖如圖3。

圖3 4 線視電阻率斷面圖

由圖3 可以看出，視電阻率等值線基本上呈現(xiàn)層狀分布的總體特征。低阻異常體主要分布在測線的南段（40#～60#測點(diǎn)），層位上則主要出于洛河組120 m 深度以上。低阻異常的上下連通性不強(qiáng)。

據(jù)已掌握地質(zhì)資料，測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，中上部地層未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂、褶曲構(gòu)造，因此，洛河組中的低阻異常應(yīng)該是砂巖層組裂隙相對發(fā)育并含水的地段，45#測點(diǎn)附近有與淺地表水聯(lián)系的跡象。低阻異常向宜君、安定組地層延伸發(fā)育的跡象不明顯。測線北段、南段局部有零星小異常分布在地表淺部，應(yīng)與卵石砂礫含水有關(guān)，下部安定組的小異常應(yīng)該也是局部裂隙含水的反映。

2.1.2 14 線視電阻率斷面異常分析

此測線位于涇河南測區(qū)，測線方位136°，長度600 m，測區(qū)范圍內(nèi)地形平緩。據(jù)已知鉆孔，目標(biāo)含水層洛河組頂界埋深20 m，厚度100 m；宜君組含水層頂界埋深120 m，厚度30 m；安定組頂界埋深150 m，厚度50 m。14 線視電阻率斷面如圖4。

圖4 14 線視電阻率斷面圖

由圖4 可以看出，中段（15#～30#測點(diǎn)之間）和南段（45#～60#測點(diǎn)之間）發(fā)現(xiàn)2 處規(guī)模較大的低阻異常，幅度較弱。異常主要位于洛河組下部及宜君、安定組砂巖層位，應(yīng)為裂隙相對發(fā)育的弱含水區(qū)域，其中南段異常在淺部砂石卵礫層也有分布，有與淺地表水力聯(lián)系的可能。

2.2 平面異常分析與解釋

對白堊系洛河組和宜君組、侏羅系安定組等地層分別進(jìn)行平面異常分析與解釋。視電阻率平面圖如圖5。

1）洛河組中段電性分布。該平面數(shù)據(jù)取自洛河組中段（深度70 m 附近），發(fā)現(xiàn)3 處低阻異常，由圖5（a）可知：1 號異常區(qū)主要位于涇河北測區(qū)的南段（40#測點(diǎn)以南），1 線～8 線均有不同程度反映，規(guī)模相對較大、幅度較強(qiáng)，有向東向南延伸趨勢；2#異常區(qū)位于涇河南測區(qū)各測線中段（21#～26#測點(diǎn)之間），垂直測線走向，規(guī)模較小，異常幅度弱。其它零散低阻區(qū)域未予編號。從整個測區(qū)范圍來看，僅有1 號異常范圍相對較大、幅度較強(qiáng)。這些低阻異常應(yīng)該是洛河組中段砂巖裂隙發(fā)育、相對含水的地段。

圖5 視電阻率平面圖

2）宜君組中段電性分布。數(shù)據(jù)取自宜君組中段（深度120 m 附近），發(fā)現(xiàn)4 處低阻異常，由圖5（b）可知：1 號異常，涇河北測區(qū)北段，其位置與洛河組1號低阻異常區(qū)大致對應(yīng)，可能有垂向上的聯(lián)系，但范圍明顯變小、幅度也明顯變?nèi)酰? 號異常區(qū)于涇河北測區(qū)北段，3 線～5 線、11#～18#測點(diǎn)之間大部區(qū)域，異常幅度較弱，與洛河組相比，是新增加的異常；3 號異常區(qū)于涇河南測區(qū)中段，其平面位置與洛河組2號異常區(qū)基本對應(yīng)，二者可能存在垂向聯(lián)系，形狀稍有變化，幅度較強(qiáng)，有向西南方向延伸趨勢；4 號異常區(qū)于涇河南測區(qū)南段，11 線～16 線、46#測點(diǎn)以南部分區(qū)域，幅度較弱，有向東南方向延伸趨勢，與洛河組相比，低阻異常小、散、弱的特征更加明顯，以上低阻異常應(yīng)該是宜君組中段局部砂巖裂隙發(fā)育、相對含水地段。

3）安定組頂部電性分布。數(shù)據(jù)取自安定組頂部（深度170 m 附近），發(fā)現(xiàn)3 處低阻異常區(qū)，由圖5（c）可知：1 號異常區(qū)于涇河北測區(qū)北段，平面位置與宜君組2 號異常區(qū)基本對應(yīng)，范圍略小，幅度較弱，可能存在垂向聯(lián)系；2 號異常區(qū)于涇河南測區(qū)中段，其平面位置與宜君組3 號異常區(qū)基本對應(yīng)，形狀稍有變化，幅度較弱，可能存在垂向聯(lián)系；3 號異常區(qū)于涇河南測區(qū)南段，其平面位置與宜君組4 號異常區(qū)基本對應(yīng)，幅度較弱，有向外延伸趨勢。

2.3 含水性趨勢分析

3 個目標(biāo)層均發(fā)現(xiàn)數(shù)量和規(guī)模不等的低阻異常，且呈現(xiàn)小、散、弱的總體特征。與安定組相比，洛河組、宜君組低阻異常的范圍和幅度略大。低阻異常表明，各目標(biāo)層的含水性弱而不均，洛河組、宜君組略強(qiáng)，安定組較弱，在局部裂隙發(fā)育地段有一定垂向水力聯(lián)系。

從掌握資料來看，本區(qū)新近系紅土隔水層巖性穩(wěn)定，隔水性強(qiáng)，為井田松散巖類與基巖含水層之間的穩(wěn)定隔水層。侏羅系安定組、直羅組泥巖隔水層也是穩(wěn)定隔水層。在構(gòu)造發(fā)育簡單、缺乏較大的張型斷層切割以及采掘未曾擾動的原生狀態(tài)下，洛河組、宜君組、安定組各含水層之間以及含水層與煤層之間的垂向水力聯(lián)系總體較弱，高密度直流電法探測圈定的低阻異常區(qū)即是局部砂巖裂隙發(fā)育區(qū)值得關(guān)注。

依據(jù)所圈定低阻異常（洛河組1 號異常區(qū)）的分布趨勢，在ZF2404 工作面東側(cè)、涇河北岸可能還存在一定范圍的低阻區(qū)域，涇河南岸也可能有小規(guī)模的低阻區(qū)域，即與ZF2404 相比，后續(xù)工作面水文地質(zhì)條件是類似的，仍存在不利的水文地質(zhì)條件或安全隱患，后期礦方在物探低阻異常區(qū)提前進(jìn)行打鉆驗(yàn)證和疏放水工程，保證了類似工作面的安全開采。

3 結(jié)語

1）對測區(qū)內(nèi)白堊系洛河組含水層、宜君組含水層、侏羅系安定組含水層的含富水性進(jìn)行了探測，圈出了低阻異常區(qū)的分布范圍，分析了異常區(qū)的分布特征，并結(jié)合地質(zhì)、水文、鉆探和采掘等資料進(jìn)行了地質(zhì)推斷。

2）根據(jù)水文地質(zhì)資料結(jié)合電法成果對各含水層之間的垂向水力聯(lián)系進(jìn)行了分析推斷。認(rèn)為白堊系洛河組、宜君組含水層在低阻異常區(qū)間局部可能存在垂向水力聯(lián)系。但現(xiàn)場踏勘和成果資料中未發(fā)現(xiàn)從地表垂直發(fā)育完全穿透3 個層位的低阻異常情況。

3）通過本次物探成果結(jié)合后期鉆探驗(yàn)證，確定了該礦ZF2404 工作面及鄰近類似工作面頂板富水區(qū)域，后期通過鉆孔及時(shí)疏放水，為礦井正常開采提供了安全保障。