王 鵬

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

燒變巖是自燃煤層及受火燒波及巖層的統(tǒng)稱(chēng)，在我國(guó)陜西、內(nèi)蒙、新疆等煤田富集區(qū)廣泛存在[1-2]。由于煤層自燃期間的燒蝕與烘烤，其頂?shù)装鍘r層網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，使燒變巖具有破碎、裂隙貫通的特征。燒變巖一般分布于可采煤層上部，受雨水補(bǔ)給或河流滲透時(shí)積蓄地下水，對(duì)下部煤層開(kāi)采形成水害威脅[3-6]。準(zhǔn)確勘探燒變巖邊界及地下水分布范圍是開(kāi)展有效防治水工作、解除上部水害威脅的基礎(chǔ)。

一般采用以磁法、瞬變電磁法等綜合電磁法為主，鉆探為輔的勘探手段控制燒變巖邊界及地下水分布范圍[7-15]。其中，磁法以燒變巖與圍巖的磁化差異為物理基礎(chǔ)，通過(guò)磁化強(qiáng)度的變化來(lái)劃分燒變巖邊界；瞬變電磁法以燒變巖含水前后電阻率的急劇變化為指標(biāo)，對(duì)含水區(qū)進(jìn)行圈定。根據(jù)燒變巖破碎、裂隙發(fā)育的物理特性，不含水時(shí)表現(xiàn)為高電阻率特征；含水時(shí)表現(xiàn)為低電阻率特征。當(dāng)燒變巖埋深較淺甚至出露時(shí)，其高、低電阻率差異與磁性差異同步表現(xiàn)。因此，基于單一的電阻率參數(shù)確定燒變巖邊界，并圈定地下水分布范圍具備理論基礎(chǔ)。

本文以新疆某露天煤礦為例，通過(guò)瞬變電磁法獲取地下電阻率分布，圈定燒變巖地下水分布范圍。鉆探驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究瞬變電磁法探測(cè)淺埋深燒變巖及地下水分布范圍的效果，對(duì)相似礦區(qū)具有借鑒和推廣意義。

1 地質(zhì)與地電條件

露天礦探測(cè)區(qū)地層由老至新為三疊系小泉溝群、侏羅系西山窯組、石樹(shù)溝群、第四系，其中含煤地層為侏羅系西山窯組。第四系基本缺失，局部約1～2m。鉆孔揭露石樹(shù)溝群在探測(cè)區(qū)內(nèi)最厚約40m，巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖為主，底部為一層礫巖、砂礫巖；揭露西山窯組厚度平均為140m，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾砂巖和煤層為主，底部為一層礫巖、含礫粗砂巖。目標(biāo)煤層編號(hào)B5，厚度約40m，埋深最大為75m，最淺處經(jīng)采掘活動(dòng)已出露甚至部分剝離。探測(cè)區(qū)處于背斜軸部附近，未發(fā)現(xiàn)斷層。

根據(jù)地層巖性與鉆孔電阻率測(cè)井結(jié)果，B5煤層上部砂巖覆蓋層整體表現(xiàn)為相對(duì)低阻，B5煤層為相對(duì)高阻，下部地層為相對(duì)低阻。對(duì)煤層埋深較淺或出露地點(diǎn)，上部低阻覆蓋層被剝離，地電斷面在縱向上呈現(xiàn)“高-低”的兩層特征；對(duì)煤層埋深相對(duì)較大、低阻覆蓋層相對(duì)較厚的地點(diǎn)，地電斷面在縱向上呈現(xiàn)“低-高-低”的K型特征。依據(jù)此正常電阻率特征可對(duì)非正常地層進(jìn)行辨識(shí)。

目標(biāo)煤層在淺部大部分火燒，燒變巖易接受大氣降水、雪融水的補(bǔ)給在地勢(shì)低洼處形成燒變巖裂隙潛水，地勢(shì)較高、泄水條件好或未火燒處一般不含水。前期勘探顯示探測(cè)區(qū)燒變巖富水不均勻、水位較淺。當(dāng)燒變巖不含水時(shí)相對(duì)下部巖層為極高阻，縱向上呈現(xiàn)“極高-低”的電阻率特征；當(dāng)燒變巖含水時(shí)相對(duì)下部巖層為極低阻，縱向上呈現(xiàn)“極低-高”的特征。依據(jù)此電阻率特征可對(duì)燒變巖邊界及含水范圍進(jìn)行分析。

2 方法原理與理論模擬分析

2.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法原理是地下介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的渦流場(chǎng)效應(yīng)。一般利用不接地的載流回線(xiàn)制造靜磁場(chǎng)，使地層及目標(biāo)體處于該靜磁場(chǎng)中。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，截?cái)嚯娏鹘Y(jié)束靜磁場(chǎng)以后，地層與探測(cè)目標(biāo)體為維持原先的靜磁場(chǎng)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，以制造新的靜磁場(chǎng)。渦流的強(qiáng)弱分布與目標(biāo)體的導(dǎo)電性密切相關(guān)。當(dāng)燒變巖不含水時(shí)，感生渦流很快衰減；當(dāng)燒變巖含水時(shí)，由于地下水的低阻特性，感生渦流損耗低而持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在地面布置測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的儀器接收渦流產(chǎn)生的電磁信號(hào)，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度和衰減時(shí)長(zhǎng)可解譯燒變巖及含水區(qū)分布。

2.2 燒變巖模型模擬分析

考慮探測(cè)區(qū)燒變巖實(shí)際地質(zhì)情況，分別建立正常地層、燒變巖及含水燒變巖層狀地電模型，正演計(jì)算獲得3種地電條件下的瞬變電磁響應(yīng)曲線(xiàn)。模型如圖1所示，設(shè)置頂板覆蓋層厚度40m，電阻率50Ω·m；B5煤層40m，電阻率100Ω·m；底板巖層電阻率50Ω·m；燒變巖從地表分布到B5煤層底板下10m，總厚度90m，電阻率200Ω·m；含水燒變巖水位埋深10m，含水段電阻率20Ω·m。根據(jù)模型厚度及目標(biāo)層深度，設(shè)置回線(xiàn)源大小為240m×240m，接收時(shí)間50ms。布置地面測(cè)點(diǎn)3個(gè)，分別對(duì)應(yīng)正常地層、燒變巖、含水燒變巖。通過(guò)對(duì)比3個(gè)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)曲線(xiàn)，分析瞬變電磁法對(duì)燒變巖及含水區(qū)的理論探測(cè)效果。

圖1 模型示意

正演獲得地面3個(gè)測(cè)點(diǎn)的衰減曲線(xiàn)，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到電阻率結(jié)果，見(jiàn)圖2。

圖2 瞬變電磁響應(yīng)曲線(xiàn)

結(jié)果顯示，燒變巖含水后感應(yīng)的瞬變電磁信號(hào)最強(qiáng)，不含水時(shí)感應(yīng)的瞬變電磁信號(hào)最弱。分析原因?yàn)闊儙r含水后電阻率最低，感應(yīng)的瞬變電磁信號(hào)強(qiáng)且衰減慢；燒變巖含水前電阻率最高，瞬變電磁信號(hào)很快衰減結(jié)束。感應(yīng)信號(hào)的差異主要表現(xiàn)在早中期時(shí)間，晚期時(shí)較為接近，原因?yàn)槟Ｐ碗娮杪手饕槍?duì)淺層燒變巖改變，而深部電阻率一致。這間接說(shuō)明瞬變電磁早期信號(hào)主要反映淺層信息，而晚期信號(hào)主要反映深部信息。

分析電阻率結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常情況時(shí)由于煤層為高阻層，在曲線(xiàn)上表現(xiàn)明顯高阻隆起；煤層自燃形成燒變巖使淺部覆蓋層也變?yōu)楦咦?，電阻率曲線(xiàn)轉(zhuǎn)為由高到低變化；燒變巖含水后增加低阻層，電阻率曲線(xiàn)也在中間出現(xiàn)低阻凹陷，與正常高阻煤層的結(jié)果正好相反。對(duì)比3條曲線(xiàn)與對(duì)應(yīng)模型的電阻率分布，電阻率曲線(xiàn)結(jié)果與模型縱向電阻率分布規(guī)律一致，真實(shí)反映模型電阻率結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)，瞬變電磁法能從電阻率的變化角度分別分辨不含水與含水的淺埋深燒變巖。另外，上述特征在曲線(xiàn)3ms以前已表現(xiàn)明顯，認(rèn)為針對(duì)該理論模型，信號(hào)長(zhǎng)度超過(guò)3ms即可。

3 工程實(shí)踐

3.1 測(cè)網(wǎng)布置與參數(shù)設(shè)置

地層實(shí)際地電斷面與理論模型基本一致，理論結(jié)果可用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際工程的布置。探測(cè)目標(biāo)體為B5煤層燒變巖及地下水，根據(jù)目標(biāo)體大小采用40m×20m的網(wǎng)格布置地面瞬變電磁法測(cè)點(diǎn)，即40m線(xiàn)距、20m點(diǎn)距。根據(jù)理論結(jié)果，認(rèn)為240m×240m外框、超過(guò)3ms長(zhǎng)度的信號(hào)即可反映低阻含水體，故確定采用240m×240m外框、25Hz(10ms接收時(shí)窗)頻率的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。儀器使用國(guó)際上先進(jìn)的加拿大鳳凰公司V8多功能電法工作站。

3.2 斷面分析

對(duì)采集的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻率與深度轉(zhuǎn)換，得到地下各深度地層的電阻率信息，繪制電阻率等值線(xiàn)圖，可依據(jù)地下電阻率的分布對(duì)異常進(jìn)行分析。圖3為測(cè)區(qū)40線(xiàn)中段電阻率斷面，該段測(cè)線(xiàn)位于測(cè)區(qū)中部，長(zhǎng)度500m，地表平坦。根據(jù)煤層底板等高線(xiàn)，該斷面圖西段煤層埋深淺，東段煤層埋深深。煤層上部有一定厚度的石樹(shù)溝群砂巖，在測(cè)線(xiàn)西邊厚度約50m。

圖3 40線(xiàn)中段電阻率斷面

斷面圖垂向上由淺至深的電阻率變化規(guī)律在測(cè)線(xiàn)西段與東段各不相同，西段表現(xiàn)為“低-高-低”的K型地電斷面特征，東段表現(xiàn)為“低-高”的兩層地電斷面特征。在測(cè)線(xiàn)西段,煤層位于中上部相對(duì)高阻層內(nèi)，石樹(shù)溝群砂巖位于其上部相對(duì)低阻層內(nèi)，西山窯組砂巖位于下部低阻層內(nèi)。結(jié)合對(duì)電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，中上部的高阻反映B5煤層，上部低阻反映石樹(shù)溝群砂巖，下部低阻反映西山窯組砂巖層。斷面圖橫向上在深部均表現(xiàn)為相對(duì)低阻，電阻率變化較小且連續(xù)性好，特別在B5煤層下部，整體電阻率幾乎不變，說(shuō)明深部的西山窯組砂巖巖性穩(wěn)定。中上部相對(duì)高阻對(duì)應(yīng)B5煤層，在測(cè)線(xiàn)西段穩(wěn)定連續(xù)，說(shuō)明該斷面西段B5煤層穩(wěn)定存在。176～184測(cè)點(diǎn)之間B5煤層與上部石樹(shù)溝群砂巖的電阻率相對(duì)160～176測(cè)點(diǎn)有所減弱，認(rèn)為該處存在低阻異常。184～212測(cè)點(diǎn)之間縱向電阻率急劇變化為“低-高”的兩層地電斷面，與斷面圖西段“低-高-低”的K型地電斷面差異顯著。根據(jù)電阻率測(cè)井曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，正常地層不存在此種地電斷面。因此，判斷184～212測(cè)點(diǎn)之間存在更強(qiáng)的低阻異常。兩處低阻異常表現(xiàn)特征差異較大，176～184測(cè)點(diǎn)低阻異常僅表現(xiàn)為對(duì)“低-高-低”K型地電斷面的弱化，而184～212測(cè)點(diǎn)低阻異常表現(xiàn)為地電斷面的徹底改變。前者異常強(qiáng)度相對(duì)較小，后者異常強(qiáng)度明顯增大。

結(jié)合地質(zhì)情況分析，探測(cè)區(qū)含煤地層為湖泊相沉積，測(cè)線(xiàn)處煤層厚度穩(wěn)定，認(rèn)為因巖性急劇變化導(dǎo)致電阻率異常的可能性較小。結(jié)合構(gòu)造考慮，該處靠近背斜軸部，地層容易因張性拉裂產(chǎn)生裂隙后充水形成相對(duì)低阻的裂隙富水區(qū)。結(jié)合測(cè)區(qū)存在燒變巖考慮，自燃過(guò)程對(duì)頂?shù)装鍘r層的烘烤作用明顯，容易形成厚度較大且裂隙貫通的燒變巖，又由于測(cè)線(xiàn)處燒變巖埋深淺甚至出露，大氣降水滲入形成地下水積蓄區(qū)，使正常地層地電結(jié)構(gòu)遭受破壞，含水燒變巖易形成極低阻異常。因此，推斷176～184測(cè)點(diǎn)之間為裂隙富水區(qū)，184～212測(cè)點(diǎn)之間為燒變巖含水區(qū)，燒變巖邊界位于184號(hào)測(cè)點(diǎn)處。

3.3 鉆探驗(yàn)證

礦方在180和188號(hào)測(cè)點(diǎn)分別布置地面鉆探，對(duì)推斷的燒變巖邊界及含水低阻異常進(jìn)行驗(yàn)證。180測(cè)點(diǎn)處應(yīng)為未火燒的B5煤層且存在裂隙水，鉆孔實(shí)際揭露正常B5煤層且鉆孔出水。188測(cè)點(diǎn)處應(yīng)為含水燒變巖，鉆孔實(shí)際揭露燒變巖、出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，并在埋深10m處出水。將實(shí)際揭露結(jié)果與地面瞬變電磁法推斷的燒變巖橫向范圍和含水情況進(jìn)行對(duì)比，兩者完全吻合，認(rèn)為瞬變電磁法在淺埋深燒變巖區(qū)探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，成果可靠。

4 結(jié) 論

(1)淺埋深燒變巖與圍巖存在電阻率和磁化強(qiáng)度兩種物性差異。理論計(jì)算表明，正常地層、燒變巖及含水燒變巖的瞬變電磁信號(hào)存在明顯變化，僅依據(jù)電阻率差異也可分辨淺埋深不含水燒變巖或含水燒變巖。

(2)淺埋深含水燒變巖使探測(cè)區(qū)正常的“低-高-低”K型地電斷面改變?yōu)椤暗?高”兩層地電結(jié)構(gòu)。瞬變電磁探測(cè)結(jié)果清晰顯示正常地層與含水燒變巖地層的地電結(jié)構(gòu)，據(jù)此可確定燒變巖邊界。依據(jù)地電結(jié)構(gòu)變化特征，可進(jìn)一步分辨正常地層與燒變巖區(qū)分布的地下水。

(3)鉆孔驗(yàn)證結(jié)果表明，地面瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果與實(shí)際揭露符合一致，說(shuō)明該方法探測(cè)淺埋深燒變巖邊界及地下水分布可行。應(yīng)對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)和探測(cè)能力進(jìn)一步深入研究，以更好地為淺埋深燒變巖礦區(qū)防治水工作服務(wù)。