综合水文地质勘探在煤矿岩溶水害防治中的应用

  1 概 述

 

  对于受水威胁严重的矿区, 治水采煤的前提首先是探明矿区的水文地质条件, 选择正确合理的水文地质勘探方法则是探明水文地质条件的关键。

 

  据统计, 截止1997 年底, 华东规划区以及京津冀规划区受岩溶水威胁的煤炭储量达130 亿t,由于受水威胁严重, 这些矿区的煤炭生产能力已呈明显的下降趋势。据中国煤炭发展技术咨询委员会/ 中国煤炭资源综合评价及分类0 预测, 预计2010年后, 华东规划区以及京津冀规划区的/ 华北0 型煤田, 大部分将转入受水威胁煤层的开采。届时,这些矿区首先面临的问题是:

 

  ( 1) 由于受水威胁严重, 防治水投资巨大, 经营成本提高, 大部分资源将变为非经济可采性资源, 企业的生产经营将难以为继;( 2) 煤炭产量将大幅度下降, 经济发达的华东地区煤炭调入量将持续增加, 我国煤炭产量北多南少、西多东少的供求矛盾将更加突出, 煤炭资源与经济发展的逆向性分布更趋明显;( 3) 突水及淹井事故频繁发生, 经济损失巨大, 且严重影响煤炭产量, 生产成本进一步提高,生产经营更加困难。

 

  因此, 分析研究切实可行的水文地质条件勘探方法, 在查明水文地质条件的前提下, 实施行之有效的防治水措施, 对于解放受岩溶水害威胁的煤炭储量, 提高煤炭资源利用率, 确保我国煤炭工业的持续稳定发展至关重要。

 

  2 传统水文地质探查方法的局限性

 

  受岩溶承压水威胁的矿井, 底板突水是各类因素综合作用的结果, 突水机理主要包括:

 

  ( 1) 岩溶裂隙水网络的发育情况, 是发生底板突水的物质基础;( 2) 隔水层的厚度及岩性特征, 是突水的制约因素;( 3) 采矿活动造成底板的破坏, 是底板突水的诱导因素;( 4) 断裂构造及原生构造裂隙的发育程度, 是导致底板突水的关键因素;( 5) 水压与矿压的偶合作用也是导致底板突水的重要因素。因此, 水文地质条件的探查范围包括了岩溶裂隙水网络发育规律、隔水层的厚度及岩性变化、断裂构造及底板裂隙的发育规律及发育程度、含水层水位变化规律等。

 

  而任何一种单一的勘探方法, 只能大致探明某一种突水因素, 如: 采用传统的地面钻探、抽水及注水试验, 只能探明某一点的岩溶发育及富水情况, 对于整个开采范围的富水规律难以有效的探明。另外, 矿井突水是一个十分复杂的问题, 不可能用一个统一的规律进行描述, 也就是说, 随着空间的变化, 水文地质条件发生变化, 各类突水因素在突水过程中的作用相互交替变化, 如: 断层导水型突水, 构造的突水机理起到了主导作用, 而底板破坏型突水, 采矿动压是突水的关键因素。因此,要防止底板突水, 就必须对各类突水因素进行全面探查, 有针对性的实施综合治理, 才能有效的防止水害事故的发生。对水文地质条件的探查, 采用单一的探查方法显然是不够的。

 

  3 综合水文地质勘探方法

 

  综合水文地质勘探方法, 就是在传统的地面水文地质勘探的基础上, 利用井下生产条件, 采用井下大流量、大降深的联合放水试验、局部放水试验、水化学示踪试验, 辅以直流电法透视、TEM探测、脉冲干扰试验等物探手段, 多种方法相互补充、相互验证的水文地质勘探方法。

 

  311 大流量、大降深的联合放水试验及水化学示踪试验31111 联合放水试验

 

  大流量、大降深的联合放水试验, 就是在相邻多个生产矿井( 也可一个矿井) 的不同水平, 针对主要充水含水层, 施工井下放水孔及水位观测孔,通过多条勘探线, 形成水文地质勘探网, 进行大规模的联合放水试验, 在最初始水动态流场的基础上, 以最大的疏放水量, 造成最大的水位降深, 经过人为动态流场的不断变化, 最终形成一个稳定的人工流场。放水试验过程对疏放水量及水位资料进行系统的统计整理, 即可得出充水含水层的初始流场、放水稳定时刻的人工稳定流场以及从初始到稳定多个时点的动态流场资料, 通过对各个时点水文地质参数的综合分析, 得出含水层的富水条件、补给条件、迳流条件、井田边界条件以及主要构造的阻、导水性等水文地质特征, 对水文地质块段进行合理的划分; 并结合计算机数值模拟, 将反映水文地质条件的部分参数实现定量化, 在此基础上对充水含水层的补给水量、突水量以及带压开采的疏降水量进行模拟预测。

 

  31112 水化学示踪试验

 

  在放水试验的同时, 通过井下钻孔向补给水源含水层注入化学示踪剂, 在被补给含水层即充水含水层的放水钻孔接受, 对接收的水样进行室内分析, 确定示剂收到时间及有关参数, 以此确定各含水层之间的水力联系、水流速度等, 通过对示踪试验资料的综合分析, 确定充水含水层的迳流、补给条件、边界条件及主要构造的水文地质特征。

 

  大流量、大降深的联合放水试验及示踪试验的优点: ? 通过大流量、大降深的联合放水, 水文地质条件的各项指标得到充分的显现, 能够得出多个不同条件的水动态流场, 技术效果显著; ? 能够基本查明整个井田甚至相邻多个井田范围内的水文地质条件及块段边界条件; ? 在放水试验的同时, 进行水化学示踪试验, 提高了勘探手段的综合效应; ? 放水试验所需的井巷工程可直接利用生产巷道, 无需专门施工, 放水钻孔可以在以后的的矿井防治水工作中继续使用, 实现治水与生产的结合; ? 相邻多个井田联合放水可以与单个井田单独放水相互穿插、相互结合, 以达到相互补充、相互验证的技术效果。

 

  312 局部放水试验

 

  在以矿井或矿区为单位进行联合放水试验的基础上, 随着生产的接续, 对受水威胁的生产采区进行局部的小型放水试验, 即在水文地质条件得到宏观控制的前提下, 对局部范围进行进一步查明, 简单块段中可能有复杂的区域, 复杂块段中也可能有简单的区域。

 

  在大规模联合放水试验及采区放水试验已基本查明水文地质条件的前提下, 对于简单的块段, 可以直接采用带压开采, 对于富水性强、补给水源充沛、迳流条件好的复杂块段, 则必须采用钻探、物探等其他手段, 对构造、局部富水带进一步查明。

 

  313 井下钻探及综合物探

 

  在放水试验对主要含水层的富水性达到宏观控制( 矿井、采区) 的基础上, 对富水区的每一工作面, 针对不同的条件, 采用各种物探手段, 探明局部导水构造、隔水层变薄带及局部富水带, 再用少量的钻探手段进一步验证, 有针对性的重点布置注浆改造、疏水降压等治水工程。

 

  ( 1) 井下直流电法透视: 从大的范畴来说, 井下直流电法透视仍属于矿井直流电法。其目的是探测采煤工作面内部的导水构造、底板含水层的集中富水带。许多矿区的研究和试验证明, 井下直流电法透视是探测水文地质异常区最为有效的物探方法之一。

 

  (2) TEM 探测: 瞬变电磁法( 简称TEM ) ,它是利用大功率的发射装置向铺设在地面的矩形线圈( 或称发射框) 发送双极性大电流, 在电流开启和关断时, 由于电磁感应作用产生电压脉冲, 电压脉冲的衰减产生感应磁场( 即一次磁场) 。一次磁场随着时间的推移, 在地下介质中产生涡流。地下涡流的变化又生产二次磁场, 由于不同地质体其电性特征存在差异, 其二次场的衰减亦存在差异。因此, 通过研究二次场的衰减规律, 可达到推测、分析地下地质异常体的目的。TEM 探测可以探测不同高程的相对富水区, 以便有针对性的采取防治水措施。

 

  ( 3) 弹性波CT: 即地震层析成相技术, 可以推测主要构造的发育情况, 但由于该项技术起步比较晚, 还有待于进一步完善提高。

 

  ( 4) 瑞利波: 利用瑞利波探测技术可以对掘进巷道前方的地质异常体, 特别是断裂构造进行超前探查, 预防突遇断层出水。该项技术对于探测前方构造效果较好。

 

  另外, 通过坑透、槽波、脉冲干扰试验等手段, 也可以探测地质及水文地质异常区。

 

  综上所述, 笔者认为, 对于受底板岩溶水害威胁的矿区, 对水文地质条件的探查, 应以各种规模的放水试验为主要探查手段, 以此为基础, 采用多种物探及钻探手段, 对局部的水文地质异常区进一步查明, 达到相互补充、相互验证, 充分体现多种勘探方法的综合效应, 可取得十分显著的技术效果。

 

  4 综合水文地质勘探方法在肥城矿区的应用

 

  肥城矿区是典型的华北型煤田, 下组煤严重受底板岩溶承压水的威胁, 主要充水含水层为本溪组的徐家庄灰岩, 上距太原组的8、9、10 号煤分别为18、22、35 m 左右, 在构造及矿压等因素的综合作用下极易发生底板突水, 徐家庄灰岩下距奥灰115~ 18 m, 通过断裂构造, 徐家庄灰岩与奥灰水力联系密切, 奥灰成为徐家庄灰岩强大的补给水源, 从宏观上形成一个含水体。

 

  1993 年以前曾多次发生突水事故, 造成3 次淹井, 其中1993 年1 月5 日, 矿区西部国庄矿在7 层煤掘进时发生32 970 m3 /h 的特大型突水。自1993 年开始, 实施了/ 肥城矿区西部矿井水文地质条件综合勘探试验研究0, 在西部的国庄、查庄、白庄3 个矿, 采用井下大流量、大降深的联合放水试验、局部放水试验、水化学示踪试验, 辅以直流电法透视、TEM 探测、脉冲干扰试验等物探手段,基本查清了西部矿井/ 九五0 和/ 十五0 期间生产采区的水文地质条件。

 

  3 个矿联合放水试验历时19 d、初始放水量4 312 m3 /h, 稳定放水量1 622 m3 /h, 总放出水量119 030 m3, 水位观测孔70 个, 并穿插进行了按各矿局部放水; 放水期间, 对11 个孔进行了13 次示踪试验, 井下取样孔次72 个, 共提取水样7 266个, 获得数据5 073 个, 放水试验与示踪试验共获得数据37 000 余个。并首次采用国际先进的反求参数的/ 遗传0 算法, 对水文地质条件进行了数值模拟。主要取得了以下结果:

 

  ( 1) 将西部3 个矿划分为3 个水文地质块段;

 

  ( 2) 基本查明了各块段的富水规律及块段边界条件;( 3) 确定了奥灰补给徐灰的导水通道14 处;

 

  ( 4) 对生产采区的突水量分标高进行了数值模拟预测;( 5) 健全了主要充水含水层的水动态观测网;

 

  ( 6) 完善了矿井疏排水系统。通过联合放水试验, 对水文地质条件已达到了宏观的控制, 根据生产接续的需要, 对局部生产采区进行局部放水试验, 并在采区或采煤工作面进行了多种形式的物探, 进一步查明局部的导水构造及富水区。

 

  在综合勘探已查明水文地质条件的基础上, 经过有针对性治理, 解放受水威胁煤炭储量2540 万t, 现已安全采出520 多万t , 保证了生产接续, 连续7 年实现了安全生产, 延长了矿井寿命。

 

  实践证明, 对于受底板岩溶水害威胁的生产矿井, 采用大流量、大降深的联合放水试验与局部放水试验相结合, 放水试验与水化学示踪试验相结合, 钻探与物探相结合, 多种方法相互验证、相互补充的综合水文地质勘探方法, 是查清矿区水文地质条件, 解放受水威胁煤炭储量最为有效的技术手段。