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條件, 選擇正確合理的水文地質勘探方法則是探明水文地質條件的關鍵。

 

  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能力已呈明顯的下降趨勢。據中國煤炭發展技術咨詢委員會/ 中國煤炭資源綜合評價及分類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采。屆時,這些礦區首先面臨的問題是:

 

  ( 1) 由于受水威脅嚴重, 防治水投資巨大, 經營成本提高, 大部分資源將變為非經濟可采性資源, 企業的生產經營將難以為繼;( 2) 煤炭產量將大幅度下降, 經濟發達的華東地區煤炭調入量將持續增加, 我國煤炭產量北多南少、西多東少的供求矛盾將更加突出, 煤炭資源與經濟發展的逆向性分布更趨明顯;( 3) 突水及淹井事故頻繁發生, 經濟損失巨大, 且嚴重影響煤炭產量, 生產成本進一步提高,生產經營更加困難。

 

  因此, 分析研究切實可行的水文地質條件勘探方法, 在查明水文地質條件的前提下, 實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儲量, 提高煤炭資源利用率, 確保我國煤炭工業的持續穩定發展至關重要。

 

  2 傳統水文地質探查方法的局限性

 

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

 

  ( 1) 巖溶裂隙水網絡的發育情況, 是發生底板突水的物質基礎;( 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育程度, 是導致底板突水的關鍵因素;( 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, 水文地質條件的探查范圍包括了巖溶裂隙水網絡發育規律、隔水層的厚度及巖性變化、斷裂構造及底板裂隙的發育規律及發育程度、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, 只能探明某一點的巖溶發育及富水情況, 對于整個開采范圍的富水規律難以有效的探明。另外, 礦井突水是一個十分復雜的問題, 不可能用一個統一的規律進行描述, 也就是說, 隨著空間的變化, 水文地質條件發生變化, 各類突水因素在突水過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, 采礦動壓是突水的關鍵因素。因此,要防止底板突水, 就必須對各類突水因素進行全面探查, 有針對性的實施綜合治理, 才能有效的防止水害事故的發生。對水文地質條件的探查, 采用單一的探查方法顯然是不夠的。

 

  3 綜合水文地質勘探方法

 

  綜合水文地質勘探方法, 就是在傳統的地面水文地質勘探的基礎上, 利用井下生產條件, 采用井下大流量、大降深的聯合放水試驗、局部放水試驗、水化學示蹤試驗, 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勘探方法。

 

  311 大流量、大降深的聯合放水試驗及水化學示蹤試驗31111 聯合放水試驗

 

  大流量、大降深的聯合放水試驗, 就是在相鄰多個生產礦井( 也可一個礦井) 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測孔,通過多條勘探線, 形成水文地質勘探網, 進行大規模的聯合放水試驗, 在最初始水動態流場的基礎上, 以最大的疏放水量, 造成最大的水位降深, 經過人為動態流場的不斷變化, 最終形成一個穩定的人工流場。放水試驗過程對疏放水量及水位資料進行系統的統計整理, 即可得出充水含水層的初始流場、放水穩定時刻的人工穩定流場以及從初始到穩定多個時點的動態流場資料, 通過對各個時點水文地質參數的綜合分析, 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、導水性等水文地質特征, 對水文地質塊段進行合理的劃分; 并結合計算機數值模擬, 將反映水文地質條件的部分參數實現定量化, 在此基礎上對充水含水層的補給水量、突水量以及帶壓開采的疏降水量進行模擬預測。

 

  31112 水化學示蹤試驗

 

  在放水試驗的同時, 通過井下鉆孔向補給水源含水層注入化學示蹤劑, 在被補給含水層即充水含水層的放水鉆孔接受, 對接收的水樣進行室內分析, 確定示劑收到時間及有關參數, 以此確定各含水層之間的水力聯系、水流速度等, 通過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特征。

 

  大流量、大降深的聯合放水試驗及示蹤試驗的優點: ? 通過大流量、大降深的聯合放水, 水文地質條件的各項指標得到充分的顯現, 能夠得出多個不同條件的水動態流場, 技術效果顯著; ? 能夠基本查明整個井田甚至相鄰多個井田范圍內的水文地質條件及塊段邊界條件; ? 在放水試驗的同時, 進行水化學示蹤試驗, 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巷道, 無需專門施工, 放水鉆孔可以在以后的的礦井防治水工作中繼續使用, 實現治水與生產的結合; ? 相鄰多個井田聯合放水可以與單個井田單獨放水相互穿插、相互結合, 以達到相互補充、相互驗證的技術效果。

 

  312 局部放水試驗

 

  在以礦井或礦區為單位進行聯合放水試驗的基礎上, 隨著生產的接續, 對受水威脅的生產采區進行局部的小型放水試驗, 即在水文地質條件得到宏觀控制的前提下, 對局部范圍進行進一步查明, 簡單塊段中可能有復雜的區域, 復雜塊段中也可能有簡單的區域。

 

  在大規模聯合放水試驗及采區放水試驗已基本查明水文地質條件的前提下, 對于簡單的塊段, 可以直接采用帶壓開采, 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一步驗證, 有針對性的重點布置注漿改造、疏水降壓等治水工程。

 

  ( 1) 井下直流電法透視: 從大的范疇來說, 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異常區最為有效的物探方法之一。

 

  (2) TEM 探測: 瞬變電磁法( 簡稱TEM ) ,它是利用大功率的發射裝置向鋪設在地面的矩形線圈( 或稱發射框) 發送雙極性大電流, 在電流開啟和關斷時, 由于電磁感應作用產生電壓脈沖, 電壓脈沖的衰減產生感應磁場( 即一次磁場) 。一次磁場隨著時間的推移, 在地下介質中產生渦流。地下渦流的變化又生產二次磁場, 由于不同地質體其電性特征存在差異, 其二次場的衰減亦存在差異。因此, 通過研究二次場的衰減規律, 可達到推測、分析地下地質異常體的目的。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, 可以推測主要構造的發育情況, 但由于該項技術起步比較晚, 還有待于進一步完善提高。

 

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

 

  另外, 通過坑透、槽波、脈沖干擾試驗等手段, 也可以探測地質及水文地質異常區。

 

  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, 對局部的水文地質異常區進一步查明, 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, 可取得十分顯著的技術效果。

 

  4 綜合水文地質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生底板突水, 徐家莊灰巖下距奧灰115~ 18 m, 通過斷裂構造, 徐家莊灰巖與奧灰水力聯系密切, 奧灰成為徐家莊灰巖強大的補給水源, 從宏觀上形成一個含水體。

 

  1993 年以前曾多次發生突水事故, 造成3 次淹井, 其中1993 年1 月5 日, 礦區西部國莊礦在7 層煤掘進時發生32 970 m3 /h 的特大型突水。自1993 年開始, 實施了/ 肥城礦區西部礦井水文地質條件綜合勘探試驗研究0, 在西部的國莊、查莊、白莊3 個礦, 采用井下大流量、大降深的聯合放水試驗、局部放水試驗、水化學示蹤試驗, 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 期間生產采區的水文地質條件。

 

  3 個礦聯合放水試驗歷時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, 水位觀測孔70 個, 并穿插進行了按各礦局部放水; 放水期間, 對11 個孔進行了13 次示蹤試驗, 井下取樣孔次72 個, 共提取水樣7 266個, 獲得數據5 073 個, 放水試驗與示蹤試驗共獲得數據37 000 余個。并首次采用國際先進的反求參數的/ 遺傳0 算法, 對水文地質條件進行了數值模擬。主要取得了以下結果:

 

  ( 1) 將西部3 個礦劃分為3 個水文地質塊段;

 

  ( 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) 對生產采區的突水量分標高進行了數值模擬預測;( 5) 健全了主要充水含水層的水動態觀測網;

 

  ( 6) 完善了礦井疏排水系統。通過聯合放水試驗, 對水文地質條件已達到了宏觀的控制, 根據生產接續的需要, 對局部生產采區進行局部放水試驗, 并在采區或采煤工作面進行了多種形式的物探, 進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條件的基礎上, 經過有針對性治理, 解放受水威脅煤炭儲量2540 萬t, 現已安全采出520 多萬t , 保證了生產接續, 連續7 年實現了安全生產, 延長了礦井壽命。

 

  實踐證明, 對于受底板巖溶水害威脅的生產礦井, 采用大流量、大降深的聯合放水試驗與局部放水試驗相結合, 放水試驗與水化學示蹤試驗相結合, 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勘探方法, 是查清礦區水文地質條件, 解放受水威脅煤炭儲量最為有效的技術手段。