有效探查煤礦水文地質(zhì)條件的論述

  前言

  煤炭是中國的第一能源,煤炭生產(chǎn)在中國國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位。目前,煤礦深部開(kāi)采中的水文地質(zhì)勘探技術(shù)是以地球物理方法為先導,其它基礎水文地質(zhì)手段加以配合,依托計算機技術(shù)實(shí)現水文地質(zhì)工作的動(dòng)態(tài)管理是煤礦深部開(kāi)采水文地質(zhì)勘探的特點(diǎn)。其工作模式可分為三個(gè)層面:

  1)井田范圍主要可采煤層開(kāi)采水文地質(zhì)條件評價(jià);

  2)采區水文地質(zhì)條件勘查;

  3)綜采工作面水文地質(zhì)條件超前探測。而從現今的發(fā)展方向來(lái)看,煤礦深部開(kāi)采水文地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展方向是將地球物理方法、基礎水文地質(zhì)勘探手段與地理信息系統技術(shù)進(jìn)行有機結合，利用三維地震、瞬變電磁、礦井物探、地面鉆探和井巷工程等多元數據,查明采區內斷層分布、煤層被埋藏的深度與厚度、巖溶裂隙發(fā)育帶的分布和隔水層厚度等。利用地理信息系統作為平臺建立礦井多元信息集成系統,把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進(jìn)行復合、綜合分析后建立預測與評價(jià)模型,實(shí)現地質(zhì)資料的信息化、數字化和可視化,為開(kāi)采水文地質(zhì)條件的快速評價(jià)、生產(chǎn)水文地質(zhì)工作的動(dòng)態(tài)管理、突發(fā)性水文地質(zhì)災害應變對策的制定提供技術(shù)支撐。

  煤礦由于受礦井地質(zhì)條件差、斷層發(fā)育、煤厚變化大等地質(zhì)因素的影響,造成生產(chǎn)接續緊張,單靠一種勘探手段很難摸清煤層賦存狀況及構造發(fā)育規律,采用綜合勘探方法,多種勘探手段結合并用,地面采用三維物探手段,井下先期施工多用途探巷,配合鉆探及井下物探等手段,針對影響生產(chǎn)的水文地質(zhì)因素開(kāi)展各項專(zhuān)題研究,不斷進(jìn)行資料的動(dòng)態(tài)綜合分析,取得了較好的地質(zhì)效果,為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了有利的地質(zhì)保障。

  合理選擇勘探目的層,充分利用井下巷道,以大流量、大降深的井下放水試驗為主,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,是查清類(lèi)似礦井水文地質(zhì)條件,解放受水害威脅的下組煤的有效技術(shù)途徑。

  1 傳統水文地質(zhì)勘探

  1.1地質(zhì)勘探方法。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。

  1.2 傳統方法的局限性。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。

  2 采用綜合方式進(jìn)行地質(zhì)勘探

  2.1 采區地面地震勘探。采區設計前,通過(guò)采用地面地震勘探手段,查明采區構造形態(tài)和斷層發(fā)育規律,查明煤層賦存狀況及底板起伏形態(tài),對影響開(kāi)采的含水層富水性進(jìn)行評價(jià),并提出水害防治措施,為采區設計提供可靠的地質(zhì)資料。同時(shí)本階段的主要工作也是進(jìn)一步查明采區范圍內的小構造,包括落差5m左右的斷層、陷落柱和采空區的空間分布形態(tài),根據采區銜接的要求,應提前布置實(shí)施。面物探方法較礦井物探方法施工簡(jiǎn)單,探測效率也高,但受到地表條件的限制。因此,在地表條件允許的前提下,三維高分辨率地震勘探技術(shù)是首選方法。

  2.2 微動(dòng)測深勘查 。微動(dòng)是一種在時(shí)間域和空間域都極不規則的震動(dòng)現象。根據波動(dòng)理論,微動(dòng)記錄既包含有體波也包含有面波。由于在大多數情況下,微動(dòng)的震源是在地表面或海底面,在微動(dòng)中的面波成分相對于體波成分來(lái)說(shuō)占絕對優(yōu)勢,微動(dòng)測深勘查方法就是利用這一占絕對優(yōu)勢的面波來(lái)反演地下地質(zhì)結構的方法。同時(shí),依據觀(guān)測形式的不同微動(dòng)測深探查主要分為一下幾種形式:

  ①單點(diǎn)勘查。單點(diǎn)勘查方式觀(guān)測臺陣,一般由兩個(gè)不同半徑的同心圓(內接正三角形)組成,在圓心和圓周上內接正三角形頂點(diǎn)處各設置一套微動(dòng)觀(guān)測儀。這種觀(guān)測方式勘查深度與臺陣的大小成正比。根據勘查深度的要求,可采用由3個(gè)或3個(gè)以上不同半徑的同心圓組成觀(guān)測臺陣;

  ②測線(xiàn)勘查。在煤田勘查這種大面積勘探中,單點(diǎn)勘查已經(jīng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求?？刹捎脺y線(xiàn)(剖面)觀(guān)測系統,獲得S波速度剖面成果圖。在測區內按一定間距布置這樣的測線(xiàn),可實(shí)現二維微動(dòng)測深勘探,并反演測區三維S波速度結構,結合鉆孔及其它地質(zhì)資料,可進(jìn)一步解釋速度異常區域的地質(zhì)意義;

  ③平面探查。在礦區或者要求更精細的勘探,在儀器數量足夠多的情況下可采用平面觀(guān)測,并反演測區三維S波速度體,從而圈出速度異常體或者面。

  2.3 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。

  ②TEM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,其二磁場(chǎng)的衰減亦存在差異。因此,通過(guò)研究二磁場(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。

  3 結束語(yǔ)

  煤礦開(kāi)采水文地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展方向是將地球物理方法、基礎水文地質(zhì)勘探手段與地理信息系統技術(shù)進(jìn)行有機結合。利用三維地震、瞬變電磁、礦井物探、地面鉆探和井巷工程等多元數據,查明采區內斷層分布、煤層埋藏深度與厚度、巖溶裂隙發(fā)育帶的分布和隔水層厚度等。利用地理信息系統作為平臺建立礦井多元信息集成系統,把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進(jìn)行復合、綜合分析后建立預測與評價(jià)模型,實(shí)現地質(zhì)資料的信息化、數字化和可視化,為開(kāi)采水文地質(zhì)條件的快速評價(jià)、生產(chǎn)水文地質(zhì)工作的動(dòng)態(tài)管理、突發(fā)性水文地質(zhì)災害應變對策的制定提供技術(shù)支撐。