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(chǔ)水文地質(zhì)手段加以配合,依托計算機技術(shù)實現(xiàn)水文地質(zhì)工作的動態(tài)管理是煤礦深部開采水文地質(zhì)勘探的特點。其工作模式可分為三個層面:

  1)井田范圍主要可采煤層開采水文地質(zhì)條件評價;

  2)采區(qū)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(xiàn)今的發(fā)展方向來看,煤礦深部開采水文地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展方向是將地球物理方法、基礎(chǔ)水文地質(zhì)勘探手段與地理信息系統(tǒng)技術(shù)進行有機結(jié)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(shù)據(jù),查明采區(qū)內(nèi)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(tǒng)作為平臺建立礦井多元信息集成系統(tǒng),把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進行復合、綜合分析后建立預(yù)測與評價模型,實現(xiàn)地質(zhì)資料的信息化、數(shù)字化和可視化,為開采水文地質(zhì)條件的快速評價、生產(chǎn)水文地質(zhì)工作的動態(tài)管理、突發(fā)性水文地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)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(xù)緊張,單靠一種勘探手段很難摸清煤層賦存狀況及構(gòu)造發(fā)育規(guī)律,采用綜合勘探方法,多種勘探手段結(jié)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)因素開展各項專題研究,不斷進行資料的動態(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(jié)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(tǒng)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,底板突水是各類因素綜合作用的結(jié)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(chǔ);

  2)隔水層的厚度及巖性特征,是突水的制約因素;

  3)采礦活動造成底板的破壞,是底板突水的誘導因素;

  4)斷裂構(gòu)造及原生構(gòu)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(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。

  1.2 傳統(tǒng)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(tǒng)的地面鉆探、抽水及注水試驗,只能探明某一點的巖溶發(fā)育及富水情況,對于整個開采范圍的富水規(guī)律難以有效的探明。另外,礦井突水是一個十分復雜的問題,不可能用一個統(tǒng)一的規(guī)律進行描述,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:斷層導水型突水,構(gòu)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(guān)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(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 采用綜合方式進行地質(zhì)勘探

  2.1 采區(qū)地面地震勘探。采區(qū)設(shè)計前,通過采用地面地震勘探手段,查明采區(qū)構(gòu)造形態(tài)和斷層發(fā)育規(guī)律,查明煤層賦存狀況及底板起伏形態(tài),對影響開采的含水層富水性進行評價,并提出水害防治措施,為采區(qū)設(shè)計提供可靠的地質(zhì)資料。同時本階段的主要工作也是進一步查明采區(qū)范圍內(nèi)的小構(gòu)造,包括落差5m左右的斷層、陷落柱和采空區(qū)的空間分布形態(tài),根據(jù)采區(qū)銜接的要求,應(yīng)提前布置實施。面物探方法較礦井物探方法施工簡單,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 微動測深勘查 。微動是一種在時間域和空間域都極不規(guī)則的震動現(xiàn)象。根據(jù)波動理論,微動記錄既包含有體波也包含有面波。由于在大多數(shù)情況下,微動的震源是在地表面或海底面,在微動中的面波成分相對于體波成分來說占絕對優(yōu)勢,微動測深勘查方法就是利用這一占絕對優(yōu)勢的面波來反演地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。同時,依據(jù)觀測形式的不同微動測深探查主要分為一下幾種形式:

  ①單點勘查。單點勘查方式觀測臺陣,一般由兩個不同半徑的同心圓(內(nèi)接正三角形)組成,在圓心和圓周上內(nèi)接正三角形頂點處各設(shè)置一套微動觀測儀。這種觀測方式勘查深度與臺陣的大小成正比。根據(jù)勘查深度的要求,可采用由3個或3個以上不同半徑的同心圓組成觀測臺陣;

  ②測線勘查。在煤田勘查這種大面積勘探中,單點勘查已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。可采用測線(剖面)觀測系統(tǒng),獲得S波速度剖面成果圖。在測區(qū)內(nèi)按一定間距布置這樣的測線,可實現(xiàn)二維微動測深勘探,并反演測區(qū)三維S波速度結(jié)構(gòu),結(jié)合鉆孔及其它地質(zhì)資料,可進一步解釋速度異常區(qū)域的地質(zhì)意義;

  ③平面探查。在礦區(qū)或者要求更精細的勘探,在儀器數(shù)量足夠多的情況下可采用平面觀測,并反演測區(qū)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控制(礦井、采區(qū))的基礎(chǔ)上,對富水區(qū)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(gòu)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(nèi)部的導水構(gòu)造、底板含水層的集中富水帶。許多礦區(qū)的研究和試驗證明,井下直流電法透視是探測水文地質(zhì)異常區(qū)最為有效的物探方法之一。

  ②TEM探測:瞬變電磁法(簡稱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,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(即一次磁場)。一次磁場隨著時間的推移,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,由于不同地質(zhì)體其電性特征存在差異,其二磁場的衰減亦存在差異。因此,通過研究二磁場的衰減規(guī)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(qū),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(gòu)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)可以對掘進巷道前方的地質(zhì)異常體,特別是斷裂構(gòu)造進行超前探查,預(yù)防突遇斷層出水。該項技術(shù)對于探測前方構(gòu)造效果較好。

  3 結(jié)束語

  煤礦開采水文地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展方向是將地球物理方法、基礎(chǔ)水文地質(zhì)勘探手段與地理信息系統(tǒng)技術(shù)進行有機結(jié)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(shù)據(jù),查明采區(qū)內(nèi)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(tǒng)作為平臺建立礦井多元信息集成系統(tǒng),把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進行復合、綜合分析后建立預(yù)測與評價模型,實現(xiàn)地質(zhì)資料的信息化、數(shù)字化和可視化,為開采水文地質(zhì)條件的快速評價、生產(chǎn)水文地質(zhì)工作的動態(tài)管理、突發(fā)性水文地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)變對策的制定提供技術(shù)支撐。