1 概 述

 

  對(duì)于受水威脅嚴(yán)重的礦區(qū), 治水采煤的前提首先是探明礦區(qū)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(jù)統(tǒng)計(jì), 截止1997 年底, 華東規(guī)劃區(qū)以及京津冀規(guī)劃區(qū)受巖溶水威脅的煤炭儲(chǔ)量達(dá)130 億t,由于受水威脅嚴(yán)重, 這些礦區(qū)的煤炭生產(chǎn)能力已呈明顯的下降趨勢(shì)。據(jù)中國(guó)煤炭發(fā)展技術(shù)咨詢委員會(huì)/ 中國(guó)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)及分類0 預(yù)測(cè), 預(yù)計(jì)2010年后, 華東規(guī)劃區(qū)以及京津冀規(guī)劃區(qū)的/ 華北0 型煤田, 大部分將轉(zhuǎn)入受水威脅煤層的開采。屆時(shí),這些礦區(qū)首先面臨的問題是:

 

  ( 1) 由于受水威脅嚴(yán)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(jì)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(jì)發(fā)達(dá)的華東地區(qū)煤炭調(diào)入量將持續(xù)增加, 我國(guó)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(jì)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(jì)損失巨大, 且嚴(yán)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(duì)于解放受巖溶水害威脅的煤炭?jī)?chǔ)量, 提高煤炭資源利用率, 確保我國(guó)煤炭工業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。

 

  2 傳統(tǒng)水文地質(zhì)探查方法的局限性

 

  受巖溶承壓水威脅的礦井, 底板突水是各類因素綜合作用的結(jié)果, 突水機(jī)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(chǔ);( 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(dǎo)因素;( 4) 斷裂構(gòu)造及原生構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度, 是導(dǎo)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(dǎo)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(guī)律、隔水層的厚度及巖性變化、斷裂構(gòu)造及底板裂隙的發(fā)育規(guī)律及發(fā)育程度、含水層水位變化規(guī)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(tǒng)的地面鉆探、抽水及注水試驗(yàn), 只能探明某一點(diǎn)的巖溶發(fā)育及富水情況, 對(duì)于整個(gè)開采范圍的富水規(guī)律難以有效的探明。另外, 礦井突水是一個(gè)十分復(fù)雜的問題, 不可能用一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律進(jìn)行描述, 也就是說, 隨著空間的變化, 水文地質(zhì)條件發(fā)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(dǎo)水型突水, 構(gòu)造的突水機(jī)理起到了主導(dǎo)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(duì)各類突水因素進(jìn)行全面探查, 有針對(duì)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(duì)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(tǒng)的地面水文地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)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(yàn)、局部放水試驗(yàn)、水化學(xué)示蹤試驗(yàn), 輔以直流電法透視、TEM探測(cè)、脈沖干擾試驗(yàn)等物探手段, 多種方法相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)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(yàn)及水化學(xué)示蹤試驗(yàn)31111 聯(lián)合放水試驗(yàn)

 

  大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗(yàn), 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(duì)主要充水含水層, 施工井下放水孔及水位觀測(cè)孔,通過多條勘探線, 形成水文地質(zhì)勘探網(wǎng), 進(jìn)行大規(guī)模的聯(lián)合放水試驗(yàn), 在最初始水動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上, 以最大的疏放水量, 造成最大的水位降深, 經(jīng)過人為動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的不斷變化, 最終形成一個(gè)穩(wěn)定的人工流場(chǎng)。放水試驗(yàn)過程對(duì)疏放水量及水位資料進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)整理, 即可得出充水含水層的初始流場(chǎng)、放水穩(wěn)定時(shí)刻的人工穩(wěn)定流場(chǎng)以及從初始到穩(wěn)定多個(gè)時(shí)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)資料, 通過對(duì)各個(gè)時(shí)點(diǎn)水文地質(zhì)參數(shù)的綜合分析, 得出含水層的富水條件、補(bǔ)給條件、逕流條件、井田邊界條件以及主要構(gòu)造的阻、導(dǎo)水性等水文地質(zhì)特征, 對(duì)水文地質(zhì)塊段進(jìn)行合理的劃分; 并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬, 將反映水文地質(zhì)條件的部分參數(shù)實(shí)現(xiàn)定量化, 在此基礎(chǔ)上對(duì)充水含水層的補(bǔ)給水量、突水量以及帶壓開采的疏降水量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

 

  31112 水化學(xué)示蹤試驗(yàn)

 

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

 

  大流量、大降深的聯(lián)合放水試驗(yàn)及示蹤試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn): ? 通過大流量、大降深的聯(lián)合放水, 水文地質(zhì)條件的各項(xiàng)指標(biāo)得到充分的顯現(xiàn), 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; ? 能夠基本查明整個(gè)井田甚至相鄰多個(gè)井田范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件及塊段邊界條件; ? 在放水試驗(yàn)的同時(shí), 進(jìn)行水化學(xué)示蹤試驗(yàn), 提高了勘探手段的綜合效應(yīng); ? 放水試驗(yàn)所需的井巷工程可直接利用生產(chǎn)巷道, 無(wú)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(xù)使用, 實(shí)現(xiàn)治水與生產(chǎn)的結(jié)合; ? 相鄰多個(gè)井田聯(lián)合放水可以與單個(gè)井田單獨(dú)放水相互穿插、相互結(jié)合, 以達(dá)到相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的技術(shù)效果。

 

  312 局部放水試驗(yàn)

 

  在以礦井或礦區(qū)為單位進(jìn)行聯(lián)合放水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 隨著生產(chǎn)的接續(xù), 對(duì)受水威脅的生產(chǎn)采區(qū)進(jìn)行局部的小型放水試驗(yàn), 即在水文地質(zhì)條件得到宏觀控制的前提下, 對(duì)局部范圍進(jìn)行進(jìn)一步查明, 簡(jiǎn)單塊段中可能有復(fù)雜的區(qū)域, 復(fù)雜塊段中也可能有簡(jiǎn)單的區(qū)域。

 

  在大規(guī)模聯(lián)合放水試驗(yàn)及采區(qū)放水試驗(yàn)已基本查明水文地質(zhì)條件的前提下, 對(duì)于簡(jiǎn)單的塊段, 可以直接采用帶壓開采, 對(duì)于富水性強(qiáng)、補(bǔ)給水源充沛、逕流條件好的復(fù)雜塊段, 則必須采用鉆探、物探等其他手段, 對(duì)構(gòu)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(yàn)對(duì)主要含水層的富水性達(dá)到宏觀控制( 礦井、采區(qū)) 的基礎(chǔ)上, 對(duì)富水區(qū)的每一工作面, 針對(duì)不同的條件, 采用各種物探手段, 探明局部導(dǎo)水構(gòu)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(yàn)證, 有針對(duì)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: 從大的范疇來說, 井下直流電法透視仍屬于礦井直流電法。其目的是探測(cè)采煤工作面內(nèi)部的導(dǎo)水構(gòu)造、底板含水層的集中富水帶。許多礦區(qū)的研究和試驗(yàn)證明, 井下直流電法透視是探測(cè)水文地質(zhì)異常區(qū)最為有效的物探方法之一。

 

  (2) TEM 探測(cè): 瞬變電磁法( 簡(jiǎn)稱TEM ) ,它是利用大功率的發(fā)射裝置向鋪設(shè)在地面的矩形線圈( 或稱發(fā)射框) 發(fā)送雙極性大電流, 在電流開啟和關(guān)斷時(shí), 由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生電壓脈沖, 電壓脈沖的衰減產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)( 即一次磁場(chǎng)) 。一次磁場(chǎng)隨著時(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, 通過研究二次場(chǎng)的衰減規(guī)律, 可達(dá)到推測(cè)、分析地下地質(zhì)異常體的目的。TEM 探測(cè)可以探測(cè)不同高程的相對(duì)富水區(qū), 以便有針對(duì)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(cè)主要構(gòu)造的發(fā)育情況, 但由于該項(xiàng)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(cè)技術(shù)可以對(duì)掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)異常體, 特別是斷裂構(gòu)造進(jìn)行超前探查, 預(yù)防突遇斷層出水。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于探測(cè)前方構(gòu)造效果較好。

 

  另外, 通過坑透、槽波、脈沖干擾試驗(yàn)等手段, 也可以探測(cè)地質(zhì)及水文地質(zhì)異常區(qū)。

 

  綜上所述, 筆者認(rèn)為, 對(duì)于受底板巖溶水害威脅的礦區(qū), 對(duì)水文地質(zhì)條件的探查, 應(yīng)以各種規(guī)模的放水試驗(yàn)為主要探查手段, 以此為基礎(chǔ), 采用多種物探及鉆探手段, 對(duì)局部的水文地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)一步查明, 達(dá)到相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證, 充分體現(xiàn)多種勘探方法的綜合效應(yīng), 可取得十分顯著的技術(shù)效果。

 

  4 綜合水文地質(zhì)勘探方法在肥城礦區(qū)的應(yīng)用

 

  肥城礦區(qū)是典型的華北型煤田, 下組煤嚴(yán)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?guī)r, 上距太原組的8、9、10 號(hào)煤分別為18、22、35 m 左右, 在構(gòu)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?guī)r下距奧灰115~ 18 m, 通過斷裂構(gòu)造, 徐家莊灰?guī)r與奧灰水力聯(lián)系密切, 奧灰成為徐家莊灰?guī)r強(qiáng)大的補(bǔ)給水源, 從宏觀上形成一個(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(qū)西部國(guó)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 年開始, 實(shí)施了/ 肥城礦區(qū)西部礦井水文地質(zhì)條件綜合勘探試驗(yàn)研究0, 在西部的國(guó)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(yàn)、局部放水試驗(yàn)、水化學(xué)示蹤試驗(yàn), 輔以直流電法透視、TEM 探測(cè)、脈沖干擾試驗(yàn)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(qū)的水文地質(zhì)條件。

 

  3 個(gè)礦聯(lián)合放水試驗(yàn)歷時(shí)19 d、初始放水量4 312 m3 /h, 穩(wěn)定放水量1 622 m3 /h, 總放出水量119 030 m3, 水位觀測(cè)孔70 個(gè), 并穿插進(jìn)行了按各礦局部放水; 放水期間, 對(duì)11 個(gè)孔進(jìn)行了13 次示蹤試驗(yàn), 井下取樣孔次72 個(gè), 共提取水樣7 266個(gè), 獲得數(shù)據(jù)5 073 個(gè), 放水試驗(yàn)與示蹤試驗(yàn)共獲得數(shù)據(jù)37 000 余個(gè)。并首次采用國(guó)際先進(jìn)的反求參數(shù)的/ 遺傳0 算法, 對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要取得了以下結(jié)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(guī)律及塊段邊界條件;( 3) 確定了奧灰補(bǔ)給徐灰的導(dǎo)水通道14 處;

 

  ( 4) 對(duì)生產(chǎn)采區(qū)的突水量分標(biāo)高進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè);( 5) 健全了主要充水含水層的水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng);

 

  ( 6) 完善了礦井疏排水系統(tǒng)。通過聯(lián)合放水試驗(yàn), 對(duì)水文地質(zhì)條件已達(dá)到了宏觀的控制, 根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)的需要, 對(duì)局部生產(chǎn)采區(qū)進(jìn)行局部放水試驗(yàn), 并在采區(qū)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(dǎo)水構(gòu)造及富水區(qū)。

 

  在綜合勘探已查明水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上, 經(jīng)過有針對(duì)性治理, 解放受水威脅煤炭?jī)?chǔ)量2540 萬(wàn)t, 現(xiàn)已安全采出520 多萬(wàn)t , 保證了生產(chǎn)接續(xù), 連續(xù)7 年實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn), 延長(zhǎng)了礦井壽命。

 

  實(shí)踐證明, 對(duì)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(yàn)與局部放水試驗(yàn)相結(jié)合, 放水試驗(yàn)與水化學(xué)示蹤試驗(yàn)相結(jié)合, 鉆探與物探相結(jié)合, 多種方法相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充的綜合水文地質(zhì)勘探方法, 是查清礦區(qū)水文地質(zhì)條件, 解放受水威脅煤炭?jī)?chǔ)量最為有效的技術(shù)手段。