綜合水文地質(zhì)勘探在煤礦巖溶水害防治中的應用

  1 概 述

 

  對于受水威脅嚴重的礦區, 治水采煤的前提首先是探明礦區的水文地質(zhì)條件, 選擇正確合理的水文地質(zhì)勘探方法則是探明水文地質(zhì)條件的關(guān)鍵。

 

  據統計, 截止1997 年底, 華東規劃區以及京津冀規劃區受巖溶水威脅的煤炭儲量達130 億t,由于受水威脅嚴重, 這些礦區的煤炭生產(chǎn)能力已呈明顯的下降趨勢。據中國煤炭發(fā)展技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì )/ 中國煤炭資源綜合評價(jià)及分類(lèi)0 預測, 預計2010年后, 華東規劃區以及京津冀規劃區的/ 華北0 型煤田, 大部分將轉入受水威脅煤層的開(kāi)采。屆時(shí),這些礦區首先面臨的問(wèn)題是:

 

  ( 1) 由于受水威脅嚴重, 防治水投資巨大, 經(jīng)營(yíng)成本提高, 大部分資源將變?yōu)榉墙?jīng)濟可采性資源, 企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)將難以為繼;( 2) 煤炭產(chǎn)量將大幅度下降, 經(jīng)濟發(fā)達的華東地區煤炭調入量將持續增加, 我國煤炭產(chǎn)量北多南少、西多東少的供求矛盾將更加突出, 煤炭資源與經(jīng)濟發(fā)展的逆向性分布更趨明顯;( 3) 突水及淹井事故頻繁發(fā)生, 經(jīng)濟損失巨大, 且嚴重影響煤炭產(chǎn)量, 生產(chǎn)成本進(jìn)一步提高,生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)更加困難。

 

  因此, 分析研究切實(shí)可行的水文地質(zhì)條件勘探方法, 在查明水文地質(zhì)條件的前提下, 實(shí)施行之有效的防治水措施, 對于解放受巖溶水害威脅的煤炭?jì)α? 提高煤炭資源利用率, 確保我國煤炭工業(yè)的持續穩定發(fā)展至關(guān)重要。

 

  2 傳統水文地質(zhì)探查方法的局限性

 

  受巖溶承壓水威脅的礦井, 底板突水是各類(lèi)因素綜合作用的結果, 突水機理主要包括:

 

  ( 1) 巖溶裂隙水網(wǎng)絡(luò )的發(fā)育情況, 是發(fā)生底板突水的物質(zhì)基礎;( 2) 隔水層的厚度及巖性特征, 是突水的制約因素;( 3) 采礦活動(dòng)造成底板的破壞, 是底板突水的誘導因素;( 4) 斷裂構造及原生構造裂隙的發(fā)育程度, 是導致底板突水的關(guān)鍵因素;( 5) 水壓與礦壓的偶合作用也是導致底板突水的重要因素。因此, 水文地質(zhì)條件的探查范圍包括了巖溶裂隙水網(wǎng)絡(luò )發(fā)育規律、隔水層的厚度及巖性變化、斷裂構造及底板裂隙的發(fā)育規律及發(fā)育程度、含水層水位變化規律等。

 

  而任何一種單一的勘探方法, 只能大致探明某一種突水因素, 如: 采用傳統的地面鉆探、抽水及注水試驗, 只能探明某一點(diǎn)的巖溶發(fā)育及富水情況, 對于整個(gè)開(kāi)采范圍的富水規律難以有效的探明。另外, 礦井突水是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題, 不可能用一個(gè)統一的規律進(jìn)行描述, 也就是說(shuō), 隨著(zhù)空間的變化, 水文地質(zhì)條件發(fā)生變化, 各類(lèi)突水因素在突水過(guò)程中的作用相互交替變化, 如: 斷層導水型突水, 構造的突水機理起到了主導作用, 而底板破壞型突水, 采礦動(dòng)壓是突水的關(guān)鍵因素。因此,要防止底板突水, 就必須對各類(lèi)突水因素進(jìn)行全面探查, 有針對性的實(shí)施綜合治理, 才能有效的防止水害事故的發(fā)生。對水文地質(zhì)條件的探查, 采用單一的探查方法顯然是不夠的。

 

  3 綜合水文地質(zhì)勘探方法

 

  綜合水文地質(zhì)勘探方法, 就是在傳統的地面水文地質(zhì)勘探的基礎上, 利用井下生產(chǎn)條件, 采用井下大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗、局部放水試驗、水化學(xué)示蹤試驗, 輔以直流電法透視、TEM探測、脈沖干擾試驗等物探手段, 多種方法相互補充、相互驗證的水文地質(zhì)勘探方法。

 

  311 大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗及水化學(xué)示蹤試驗31111 聯(lián)合放水試驗

 

  大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗, 就是在相鄰多個(gè)生產(chǎn)礦井( 也可一個(gè)礦井) 的不同水平, 針對主要充水含水層, 施工井下放水孔及水位觀(guān)測孔,通過(guò)多條勘探線(xiàn), 形成水文地質(zhì)勘探網(wǎng), 進(jìn)行大規模的聯(lián)合放水試驗, 在最初始水動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的基礎上, 以最大的疏放水量, 造成最大的水位降深, 經(jīng)過(guò)人為動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的不斷變化, 最終形成一個(gè)穩定的人工流場(chǎng)。放水試驗過(guò)程對疏放水量及水位資料進(jìn)行系統的統計整理, 即可得出充水含水層的初始流場(chǎng)、放水穩定時(shí)刻的人工穩定流場(chǎng)以及從初始到穩定多個(gè)時(shí)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)資料, 通過(guò)對各個(gè)時(shí)點(diǎn)水文地質(zhì)參數的綜合分析, 得出含水層的富水條件、補給條件、逕流條件、井田邊界條件以及主要構造的阻、導水性等水文地質(zhì)特征, 對水文地質(zhì)塊段進(jìn)行合理的劃分; 并結合計算機數值模擬, 將反映水文地質(zhì)條件的部分參數實(shí)現定量化, 在此基礎上對充水含水層的補給水量、突水量以及帶壓開(kāi)采的疏降水量進(jìn)行模擬預測。

 

  31112 水化學(xué)示蹤試驗

 

  在放水試驗的同時(shí), 通過(guò)井下鉆孔向補給水源含水層注入化學(xué)示蹤劑, 在被補給含水層即充水含水層的放水鉆孔接受, 對接收的水樣進(jìn)行室內分析, 確定示劑收到時(shí)間及有關(guān)參數, 以此確定各含水層之間的水力聯(lián)系、水流速度等, 通過(guò)對示蹤試驗資料的綜合分析, 確定充水含水層的逕流、補給條件、邊界條件及主要構造的水文地質(zhì)特征。

 

  大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗及示蹤試驗的優(yōu)點(diǎn): ? 通過(guò)大流量、大降深的聯(lián)合放水, 水文地質(zhì)條件的各項指標得到充分的顯現, 能夠得出多個(gè)不同條件的水動(dòng)態(tài)流場(chǎng), 技術(shù)效果顯著(zhù); ? 能夠基本查明整個(gè)井田甚至相鄰多個(gè)井田范圍內的水文地質(zhì)條件及塊段邊界條件; ? 在放水試驗的同時(shí), 進(jìn)行水化學(xué)示蹤試驗, 提高了勘探手段的綜合效應; ? 放水試驗所需的井巷工程可直接利用生產(chǎn)巷道, 無(wú)需專(zhuān)門(mén)施工, 放水鉆孔可以在以后的的礦井防治水工作中繼續使用, 實(shí)現治水與生產(chǎn)的結合; ? 相鄰多個(gè)井田聯(lián)合放水可以與單個(gè)井田單獨放水相互穿插、相互結合, 以達到相互補充、相互驗證的技術(shù)效果。

 

  312 局部放水試驗

 

  在以礦井或礦區為單位進(jìn)行聯(lián)合放水試驗的基礎上, 隨著(zhù)生產(chǎn)的接續, 對受水威脅的生產(chǎn)采區進(jìn)行局部的小型放水試驗, 即在水文地質(zhì)條件得到宏觀(guān)控制的前提下, 對局部范圍進(jìn)行進(jìn)一步查明, 簡(jiǎn)單塊段中可能有復雜的區域, 復雜塊段中也可能有簡(jiǎn)單的區域。

 

  在大規模聯(lián)合放水試驗及采區放水試驗已基本查明水文地質(zhì)條件的前提下, 對于簡(jiǎn)單的塊段, 可以直接采用帶壓開(kāi)采, 對于富水性強、補給水源充沛、逕流條件好的復雜塊段, 則必須采用鉆探、物探等其他手段, 對構造、局部富水帶進(jìn)一步查明。

 

  313 井下鉆探及綜合物探

 

  在放水試驗對主要含水層的富水性達到宏觀(guān)控制( 礦井、采區) 的基礎上, 對富水區的每一工作面, 針對不同的條件, 采用各種物探手段, 探明局部導水構造、隔水層變薄帶及局部富水帶, 再用少量的鉆探手段進(jìn)一步驗證, 有針對性的重點(diǎn)布置注漿改造、疏水降壓等治水工程。

 

  ( 1) 井下直流電法透視: 從大的范疇來(lái)說(shuō), 井下直流電法透視仍屬于礦井直流電法。其目的是探測采煤工作面內部的導水構造、底板含水層的集中富水帶。許多礦區的研究和試驗證明, 井下直流電法透視是探測水文地質(zhì)異常區最為有效的物探方法之一。

 

  (2) TEM 探測: 瞬變電磁法( 簡(jiǎn)稱(chēng)TEM ) ,它是利用大功率的發(fā)射裝置向鋪設在地面的矩形線(xiàn)圈( 或稱(chēng)發(fā)射框) 發(fā)送雙極性大電流, 在電流開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí), 由于電磁感應作用產(chǎn)生電壓脈沖, 電壓脈沖的衰減產(chǎn)生感應磁場(chǎng)( 即一次磁場(chǎng)) 。一次磁場(chǎng)隨著(zhù)時(shí)間的推移, 在地下介質(zhì)中產(chǎn)生渦流。地下渦流的變化又生產(chǎn)二次磁場(chǎng), 由于不同地質(zhì)體其電性特征存在差異, 其二次場(chǎng)的衰減亦存在差異。因此, 通過(guò)研究二次場(chǎng)的衰減規律, 可達到推測、分析地下地質(zhì)異常體的目的。TEM 探測可以探測不同高程的相對富水區, 以便有針對性的采取防治水措施。

 

  ( 3) 彈性波CT: 即地震層析成相技術(shù), 可以推測主要構造的發(fā)育情況, 但由于該項技術(shù)起步比較晚, 還有待于進(jìn)一步完善提高。

 

  ( 4) 瑞利波: 利用瑞利波探測技術(shù)可以對掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)異常體, 特別是斷裂構造進(jìn)行超前探查, 預防突遇斷層出水。該項技術(shù)對于探測前方構造效果較好。

 

  另外, 通過(guò)坑透、槽波、脈沖干擾試驗等手段, 也可以探測地質(zhì)及水文地質(zhì)異常區。

 

  綜上所述, 筆者認為, 對于受底板巖溶水害威脅的礦區, 對水文地質(zhì)條件的探查, 應以各種規模的放水試驗為主要探查手段, 以此為基礎, 采用多種物探及鉆探手段, 對局部的水文地質(zhì)異常區進(jìn)一步查明, 達到相互補充、相互驗證, 充分體現多種勘探方法的綜合效應, 可取得十分顯著(zhù)的技術(shù)效果。

 

  4 綜合水文地質(zhì)勘探方法在肥城礦區的應用

 

  肥城礦區是典型的華北型煤田, 下組煤嚴重受底板巖溶承壓水的威脅, 主要充水含水層為本溪組的徐家莊灰巖, 上距太原組的8、9、10 號煤分別為18、22、35 m 左右, 在構造及礦壓等因素的綜合作用下極易發(fā)生底板突水, 徐家莊灰巖下距奧灰115~ 18 m, 通過(guò)斷裂構造, 徐家莊灰巖與奧灰水力聯(lián)系密切, 奧灰成為徐家莊灰巖強大的補給水源, 從宏觀(guān)上形成一個(gè)含水體。

 

  1993 年以前曾多次發(fā)生突水事故, 造成3 次淹井, 其中1993 年1 月5 日, 礦區西部國莊礦在7 層煤掘進(jìn)時(shí)發(fā)生32 970 m3 /h 的特大型突水。自1993 年開(kāi)始, 實(shí)施了/ 肥城礦區西部礦井水文地質(zhì)條件綜合勘探試驗研究0, 在西部的國莊、查莊、白莊3 個(gè)礦, 采用井下大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗、局部放水試驗、水化學(xué)示蹤試驗, 輔以直流電法透視、TEM 探測、脈沖干擾試驗等物探手段,基本查清了西部礦井/ 九五0 和/ 十五0 期間生產(chǎn)采區的水文地質(zhì)條件。

 

  3 個(gè)礦聯(lián)合放水試驗歷時(shí)19 d、初始放水量4 312 m3 /h, 穩定放水量1 622 m3 /h, 總放出水量119 030 m3, 水位觀(guān)測孔70 個(gè), 并穿插進(jìn)行了按各礦局部放水; 放水期間, 對11 個(gè)孔進(jìn)行了13 次示蹤試驗, 井下取樣孔次72 個(gè), 共提取水樣7 266個(gè), 獲得數據5 073 個(gè), 放水試驗與示蹤試驗共獲得數據37 000 余個(gè)。并首次采用國際先進(jìn)的反求參數的/ 遺傳0 算法, 對水文地質(zhì)條件進(jìn)行了數值模擬。主要取得了以下結果:

 

  ( 1) 將西部3 個(gè)礦劃分為3 個(gè)水文地質(zhì)塊段;

 

  ( 2) 基本查明了各塊段的富水規律及塊段邊界條件;( 3) 確定了奧灰補給徐灰的導水通道14 處;

 

  ( 4) 對生產(chǎn)采區的突水量分標高進(jìn)行了數值模擬預測;( 5) 健全了主要充水含水層的水動(dòng)態(tài)觀(guān)測網(wǎng);

 

  ( 6) 完善了礦井疏排水系統。通過(guò)聯(lián)合放水試驗, 對水文地質(zhì)條件已達到了宏觀(guān)的控制, 根據生產(chǎn)接續的需要, 對局部生產(chǎn)采區進(jìn)行局部放水試驗, 并在采區或采煤工作面進(jìn)行了多種形式的物探, 進(jìn)一步查明局部的導水構造及富水區。

 

  在綜合勘探已查明水文地質(zhì)條件的基礎上, 經(jīng)過(guò)有針對性治理, 解放受水威脅煤炭?jì)α?540 萬(wàn)t, 現已安全采出520 多萬(wàn)t , 保證了生產(chǎn)接續, 連續7 年實(shí)現了安全生產(chǎn), 延長(cháng)了礦井壽命。

 

  實(shí)踐證明, 對于受底板巖溶水害威脅的生產(chǎn)礦井, 采用大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗與局部放水試驗相結合, 放水試驗與水化學(xué)示蹤試驗相結合, 鉆探與物探相結合, 多種方法相互驗證、相互補充的綜合水文地質(zhì)勘探方法, 是查清礦區水文地質(zhì)條件, 解放受水威脅煤炭?jì)α孔顬橛行У募夹g(shù)手段。