瞬变电磁法在探测断层富水性上的应用

　　摘要：断层富水性的确定，多少年来人们主要依靠地面钻探及井下揭露获得信息，继而提出矿井防治水措施。笔者主要根据瞬变电磁法成果，并结合钻探成果，对新驿井田内主要断层进行了研究。主要对这些断层的富水性进行了探讨与评论，得出了本区断层的富、导水性不均一，同一断层的不同地段由于两盘岩性、岩溶发育程度不同，断层的富、导水性往往存在较大差异的结论，其可成为拟定煤矿防治水方案提供较全面可靠的设计依据。
　　关键字：水文地质学；瞬变电磁法；断层；富水性
　　
　　0引言
　　新驿井田位于山东省济宁市兖州市西部新驿镇境内，总面积为56.9km2.该井田自1958年开始进行找煤工作，至2001年7月完成井田勘探（精查）地质报告，共探明地质总资源量29996.4万t.该矿地质及水文地质条件复杂，根据地震、钻探及井下揭露，井田内落差100m以上的断层为9条；50～100m的9条；30～50m的11条；5m以下的有60多条[1]。这些断层的存在对煤矿的安全生产产生了极大的威胁，因此必须对井田内断层的富水性进行研究。
　　1研究区地质特征
　　1.1地层
　　本区地层区划属华北地层区鲁西地层分区济宁小区，地层层序自下而上为早古生界寒武系、奥陶系；晚古生界石炭系、二叠系；中生界侏罗系；新生界第三系、第四系。区域地层缺失志留系、泥盆系、三叠系、白垩系[1]。
　　1）寒武系（∈1～∈3）
　　在矿区南部南阳湖以东有基岩出露，其余地区均隐伏或埋藏于地下。厚度665.72～783.36m，由海相灰岩、竹叶状灰岩、鲕状灰岩、泥岩、砂质泥岩组成。
　　2）奥陶系（Ｏ1～Ｏ2）
　　在兖州、济宁煤田区均埋藏于石炭系以下，在兖西～邹西一带隐伏于第四系以下，总厚度大于800m，由海相灰岩夹薄层泥质灰岩及白云质灰岩组成，偶夹豹皮状灰岩。
　　3）石炭系（Ｃ2～Ｃ3）
　　平均厚度205m，以深灰～灰黑色粉砂岩、泥岩及杂色泥岩为主，夹石灰岩10～17层，含煤18～25层，底部具G层铝土岩及山西式铁矿层。与下伏地层为假整合接触。
　　4）二叠系（Ｐ11～Ｐ12）
　　（1）二叠系下统（Ｐ11～Ｐ12）：平均厚度145m，顶部下石盒子组以灰绿色砂岩和杂色泥岩、粉砂岩为主；底部山西组为浅灰～灰白色中细粒砂岩及深灰色粉砂岩、泥岩夹煤层，为本区主要含煤地层。与下伏地层呈整合接触。（2）二叠系上统（Ｐ21）：厚度大于500m，岩性为杂色泥岩、粉砂岩和灰色砂岩，含植物化石，底部含B层铝土岩。与下伏地层呈整合接触。
　　5）侏罗系（Ｊ3）
　　厚度大于1300m，上部为灰绿色粉、细砂岩互层夹泥岩；下部为红色砂岩，并有燕山晚期岩浆岩侵入，底部有不稳定的砾岩。与下伏地层呈不整合接触。
　　6）第三系（R）
　　厚度0～731.03m，出露于东北部泗河以北地区，岩性为紫红色细砂岩、粉砂岩、泥岩，半固结。与下伏地层呈不整合接触。
　　7）第四系（Ｑ）
　　厚度0～350m，黄褐、棕、灰等杂色粘土质砂、砂砾层，广泛分布于全区，东北薄、西南厚。与下伏地层呈不整合接触。
　　1.2构造特征
　　1）褶皱构造
　　新驿井田处于汶泗向斜南翼。区内主要褶皱方向为北东向～北东东向，对井田影响较大的为半边店向斜，向斜轴由南北转北东，延展长约10km，跨度9km，最大幅度750m.自南向北被长沟断层及其支断层等切割成阶梯状断块。以长沟支五断层为界，北半部3上煤层最大埋深750m，地层倾角10～15°左右；南半部3上煤层最大埋深为300m，大部分被剥蚀。下组煤埋藏较浅，地层倾角5～10°.
　　2）断层构造
　　井田内断层的力学性质，主要是受后期孙氏店断层东西向拉伸及南北向挤压作用而形成的张扭性断层，造成井田内构造方向大部为北北东或北东向(如图1所示)。
　　
　　图1井田构造示意图
　　Fig.1Mapshowingstructureofcoalmine
　　（1）孙氏店断层：位于井田西部边界一带，为正断层，走向近南北，向西倾斜，落差500m。它向北延伸切割了一级构造郓城断层，向南延伸切割了长沟断层。断层东盘抬升造成煤层被剥蚀，是井田西部主要控水构造之一。（2）长沟断层：是井田南部的自然边界，为正断层，走向北东向，向北西倾斜，落差300m.在长沟断层南盘总体为一奥灰隆起的地垒构造形态，煤系地层缺失，是岩溶地下水的强富水区，对采煤有一定威胁。（3）长沟支一～支五断层、DF54等：在先期一级断层构造影响下，派生了次一级的长沟支一～支五断层、DF54、DF103断层等，井田自南向北以上北东向的断层切割成阶梯状断块。
　　1.3矿区水文地质特征
　　位于鲁西南，属海陆过渡性温带半湿润季风气候区，大气降水在正常情况下通过渗透孔隙含水层，间接补给煤系地层。区内奥灰岩溶地下水主要接受东部岩溶水的侧向补给，其次接受覆盖区第四系地下水的渗漏补给。岩溶地下水总体自东向西径流，进入勘查区后，受中部半边店向斜和西部孙氏店断层阻水作用的控制逐渐转向南，经长沟支五断层孔屯～颜家村段向南径流。矿区的水文地质特征基本确定了矿区的电性特性。含水层的电阻率比周围地层的电阻率低，但奥陶系灰岩电阻率高于其上覆地层的电阻率，且煤系地层含水层间电阻率变化不明显，这使得应用瞬变电磁法探测断层的富水性成为可行[2]。
　　2工作手段
　　2.1瞬变电磁法简介
　　瞬变电磁法（transientelectromagneticmethod,TEM）是利用不接地回线（大回线磁偶源）或接地线源（电偶源）向地下发送一次场，在一次场的间歇期间，测量地下介质的感应电磁场（二次场）电压随时间的变化。该二次场的大小及衰减速度与地下地质体有关，根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、规模、产状等[3]。由于该方法是纯二次场观测，故与其他电性方法相比，有体积效应小、纵横向分辨率高、对低阻反应敏感等特点。过去该方法主要应用在金属矿体的勘探中，近年来，随着仪器发射功率的加强和接收灵敏度的提高，在解决煤矿水文地质问题上也发挥了较好的作用，在国内外已经取得了令人瞩目的效果。
　　2.2应用原理
　　岩层由于断裂和地应力的作用，会产生破碎而充水，使其导电性增强，形成低阻体；完整的灰岩其导电性较差，但其因断裂而破碎充水或岩溶发育充水时，其导电性会显著增强。由于断裂而形成的低阻体可以用导电薄板来模拟，由于岩溶发育而形成的低阻体则可用导电球体或圆柱体来模拟[4～6]。
　　2.3仪器
　　本次探测使用仪器：西安强源物探研究所产EMRS-2B型微机电磁勘探仪；观测方式：小线框大电流中心回线法；发射线框尺寸：5m×5m；接收线圈：高频接收探头。
　　3结果分析
　　3.1断层力学性质及富（导）水性分析
　　1）张扭性大断层的富水、导水性分析
　　井田内断层的展布方向严格受北部郓城断层、西部孙氏店断层、南部长沟断层等张扭性大断层控制。其中南部长沟地垒奥灰隆起带纵贯北东，地层破碎，是一个良好的导水储水构造，单位涌水量是区内的5～10倍，在以后井下奥陶系灰岩排水情况下，长沟地垒北断层易转化为勘查区岩溶水的补给边界；西部孙氏店断层东升西降，受西部泥岩隔水层影响，断层带闭合较好，阻止了与西部岩溶水的水力联系，但该断层东盘奥陶系灰岩隆起带纵贯南北，并与长沟地垒相交，纵向导水能力较强；北部郓城断层为区域性隔水断层，其导水及富水性较差。
　　2）一般张扭性断层的富水、导水性分析
　　井田内断层的力学性质，是在郓城断层主张应力作用下，受后期孙氏店断层东西向拉伸及南北向挤压作用而形成的张扭性断层，断层走向以北北东或北东向为主，多为高角度正断层。从断层两侧的岩层组合分析，断裂带结构以泥岩、砂岩或灰岩角砾为主，有泥质充填。对于一些小断层而言，在井下实际揭露过程中闭合一般较好，仅局部导水，有淋水出现。而对于一些大断层，因具有多期活动性特点，断层带胶结和充填程度可能较低。如：长沟支五断层和DF103断层东段，物探的低阻即反映了断层带胶结松散并有富水特征。在建井期间所揭露的XF27断层涌水18m3/h，为导水断层。
　　3）分支断层的富水、导水性分析
　　在长沟支五断层和DF103主干断层东段，发育一些分支断层，并与主干断层相交。在交汇部位，往往岩层受力集中，岩石破碎、裂隙发育，是地下水富集的部位。如兴隆庄矿在建井期间突水频繁，有80%的突水点在落差小于14m的分支小断层上。
　　3.2主要断层的富（导）水性分析
　　根据本次瞬变电磁及钻探资料，结合以往勘探资料，区内易导水及富水断层主要有10条（如图2所示）。现分述如下：
　　1）长沟支五断层
　　在勘查区南部，长沟支五断层落差0～200m，最大落差达200m，造成局部奥灰与下组煤直接对接。据瞬变电磁资料推断该断层总体来说富水性强，其中断层东段富水性强于西段；断层南盘富水性强于北盘。总体而言，长沟支五断裂带地层破碎、裂隙发育，富水性较强，岩石强度低，对下组煤的开采威胁较大。
　　2）DF103断层
　　在勘查区中部DF103断层东段，落差达55～95m，造成上、下盘奥陶系灰岩与下组煤直接对接，物探视电阻率曲线低阻特征明显，推断为较强富水断层带，断层附近的主3号电测深点显示，在深度640～890m发育3层岩溶裂隙段，累厚约100m，对下组煤开采威胁较大（如图3所示）。在DF103断层西段，物探资料显示岩溶发育中等偏弱。
　　
　　图2主要断层富水性分布图
　　Fig.2Distributionofwaterabundanceofmajorfaults
　　
　　图3DF103断层视电阻率曲线（A－A/）
　　Fig.3CurvesofapparentresistivityofDF103（A－A/）
　　3）DF155断层
　　断层落差20～55m，致使局部奥陶系灰岩与下组煤直接对接，且北端与DF103断层相交，地层破碎、裂隙发育。物探有低阻异常反映，推断为较强富水断层。
　　4）DF143断层
　　断层落差0～30m，物探有低阻异常反映，推断为较强—中等富水。
　　5）XF14、XF27断层
　　断层落差分别为0～35m、0～55m.物探低阻异常反映不明显，推断富水性相对较弱。但建井接露证实XF27涌水18m3/h，为导水断层。
　　6）DF54、DF68、DF84、DF97断层：
　　断层落差分别为60～70m、0～35m、0～22m、0～30m.物探有低阻异常反映，推断富水性中等。
　　4结论
　　根据本次瞬变电磁及钻探资料分析，本区内各断层的富、导水性差异较大。由于两盘岩性、岩溶发育程度不同，断层的富、导水性往往存在较大的差异。在矿井开采以后，由于地应力或水压的突变，一些被认为阻水的断层也可能因为地应力或水压的变化转化为导水断层，因此，在生产中对断层破碎带应引起重视。
　　
　　[参考文献](References)
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