综合物探技术在矿山水文地质勘探中的应用

郭成民

(郑煤集团公司，河南 郑州 450000)

0 引言

在众多影响煤矿开采安全的因素中，矿山水文地质环境以及其中的储水量、水涌道等信息是矿井水文地质勘探的重要环节，对矿山周边水文地质环境做到充分的勘探了解，可以在煤矿采掘过程中避免因为对水文环境不熟悉而造成采掘生产事故。矿山水文地质勘探一直是矿山勘探技术难题，水文地质隐蔽性较强，又具有区域性特征，通过一种物探技术难以保障勘探的精准度。所以，需要采取将不同的物探技术相组合的方式加强对矿山水文地质环境的勘测，弥补不同物探技术之间的缺点，使勘测结果能够相互印证，从而提升勘测结果的精准性，提高矿山采掘的安全性。

1 矿井概况

芦沟矿处在丘陵区域，地势呈现出从东北到西南逐渐降低的特性，地貌起伏比较显著。芦沟矿区主采山西组二1煤，煤层厚度平均值为7.3 m，产量较为稳定。根据前期地质勘探结构，矿山范围内断层裂隙分布广泛，给地下水迁移和储存提供了基础条件。从矿山地下水的情况来看，主要有孔隙水、裂隙水及岩溶水3个类别。这3种水类里岩溶水是巷道内的主要水源，对矿井煤层采掘的影响度比较大，同时也是矿上水文地质勘测的主要目标。从实际生产的角度出发，充分考虑芦沟矿条件，采用地震勘测与瞬变电磁2种物探技术相配合的方式，对矿区水文地质环境进行勘探。

2 综合物探实施方法

2.1 地震勘测方式

1)勘测原理。地震勘测主要由野外数据收集、室内数据分析和数据解释3个步骤构成。在野外数据采集过程中，需要通过人工生成地震激波，激波在不同地层环境中传播发生折射和反射，通过收集回波反射，结合激波特性进行综合分析评判，可分析出矿山范围内水文地质的详细情况。

2)数据分析与解释。矿山煤层的顶部岩石种类主要由砂岩和砂质泥岩构成，激波在煤层与岩石层受到阻碍后回波反馈特征明显，煤层的回波反射强度要高于岩石层。从对地震激波回波的勘测与对比分析，把回波强度、连续性和相位等物理特征考虑在内，进行数据综合处理。与此同时，结合地震勘测位点等信息，在进行数据处理后可以得出矿山煤层分布情况以及相对产量，断层特征等地质信息。

3)勘测方法。结合芦沟矿的地形地貌特征，在矿山范围内布置了13条地震勘测管线，沿倾向布置6条主要测量线和与主要测量线相互垂直的7条联络测量线，测量线之间的宽度保持在300 m。地震回波数据通过6个规格相同的检波器进行数据采集。地震激波在使用的过程中，主要采取的是不对称的方式进行，在不同的区域内，激发的方式有一定的差异，从当前使用来看，主要是可控震源激发、炮震激发2类。

2.2 瞬变电磁勘测方式

1)工作原理。瞬变电磁勘测方法的共走原理并不复杂，其本质就是时间域电磁方法，其在不接地回线或者在接地导线中接入具有脉冲特征的电流作为场源，触动探测目标感应生成二次电流，通过对二次场的时间变化特征进行勘测，对矿山地层特征进行精准测量。瞬变电磁勘测的优势相对于其他勘测方式优势显著，具有结构简单、设备体积效应小、穿透力强等诸多技术优势，还能够在对地质勘测的同时进行剖面测量与探测，实现对矿山水文地质环境的精准勘测。

2)数据解释。矿山地质构造内不同介质的电阻差异较大，在通常情况下，灰岩和煤层的电阻要高于其他岩层，而含有水分的断层和裂隙的电阻率则偏低。与此同时，在断层与其他地层的连接处，由于内部的破碎物质物理特性也会存在不小的差异：一般灰岩、砂岩等岩石地层的断层破碎物电阻率偏低，在含水量较大的泥岩和砂岩中电阻率较高。这些岩石反馈出的不同电阻物理特性是瞬变电磁勘测地层裂隙和含水层的主要工作原理。

3)芦沟矿瞬变电磁勘测设置10条勘测线路，其中有6条主要测量线以及7条加密线路，部分线路在设置上与地震勘测线相互重合。在勘测施工前，应该做好勘测仪设施的实验性初试工作，保障勘测结果的精确性。

3 工程勘探结果分析

3.1 地震勘测结果分析

通过对地震勘测回波的分析来看，在西部位置，测线波线表现出明显的特征，需要对各个测量点采取交点闭合的方式进行处理，地震时间剖面解释结果见图1。对地震回拨分析可以得出，整个矿区煤层反射表现出较好的连续性，波组的特征较为显著。从图1中可看出，波动在桩号630、750和830附近呈现出明显的波形扭曲错动的特征。对照矿区地质钻探资料综合分析可以推断出，该区域为断层地质结构，在图1中显示为F1，F2和F3断层。

图1 地震时间剖面解释结果

3.2 瞬变电磁勘测结果分析

瞬变电磁勘测结果的分析需要与地震勘测结果剖面组合分析，电阻断面图见图2。对图2的分析可以得出，在标高60 m之上，电阻整体表现出较为均匀的分布，这属于丘陵地形。由于受到地下断层结构的影响，出现了在横向方向的较大变化，在60 m之下的方向，电阻率表现出均匀分布，呈现出来的图像特征与灰岩比较类似。

图2 视电阻率断面图

3.3 综合物探勘测结果分析

综合2种探测结果可以看出，勘测范围内有25个断电和6个富水地层。断电的分布范围大体上对所有勘测区域覆盖，对所有解释断电进行组合分析可以得出，有8条组合式地质短程能够对矿区地质条件进行基本判断，勘测处地层种类和断层的水文地质特征见图3。对综合探测结果分析还可以看出，在灰岩分布中存在有能够承受地质压力的含水层，含水层的分布范围比较广，所含水分总量也比较大。在F3和F5断层的北部区域，断层结合位置，集中储存着熔岩水，断层岩层破碎和裂隙的发育特征造成含水层有相互通道的可能性。在断层北部和西部，探测区域内还发现集中有较大面积的富水层，水源来自灰岩岩溶水。以2种探测方式的结构分析为依据，结合地质地貌特征，选取重点部位进行打孔勘测，设置有2处勘测孔位。2个勘测点均分布在灰岩和断层的破碎地带。通过打孔勘测结果显示：打通破碎断层的岩层后，勘测厚度超过50 m。结合矿山勘测数据可以得出：打孔的勘测结果与2种物探探测结果一致，由此可以得出，此次勘测矿山水文地质条件，无论是在技术上还是在设计上都具有可行性，勘测结果可靠。

图3 综合探测结果

4 结语

在对勘测矿山可勘测点位信息有着充分把握的基础上，应当综合考虑矿山区域的水文地质特征，并针对性选取合适的勘测方式，并对勘测方式进行优化组合，以此来提升勘测的精准性，提升矿山开采的地质安全水准。芦沟矿的矿井坐落在丘陵地带，由于具有丘陵地区的显著地质特征，该矿山地表高低起伏较大，且地表土层较厚，地质结构发育程度加大，含水量比较多，通过采取地震勘测与瞬变电测勘测相结合的综合性探测方式，在对数据进行详细汇总分析后，可以测量出断层、富水区域以及其他水文特征。