前言

  煤炭是中國的第一能源,煤炭生產在中國國民經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勘探技術是以地球物理方法為先導,其它基礎水文地質手段加以配合,依托計算機技術實現水文地質工作的動態管理是煤礦深部開采水文地質勘探的特點。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條件評價;

  2)采區水文地質條件勘查;

  3)綜采工作面水文地質條件超前探測。而從現今的發展方向來看,煤礦深部開采水文地質勘探技術的發展方向是將地球物理方法、基礎水文地質勘探手段與地理信息系統技術進行有機結合，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、水文地質等多元信息進行復合、綜合分析后建立預測與評價模型,實現地質資料的信息化、數字化和可視化,為開采水文地質條件的快速評價、生產水文地質工作的動態管理、突發性水文地質災害應變對策的制定提供技術支撐。

  煤礦由于受礦井地質條件差、斷層發育、煤厚變化大等地質因素的影響,造成生產接續緊張,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,針對影響生產的水文地質因素開展各項專題研究,不斷進行資料的動態綜合分析,取得了較好的地質效果,為礦井的安全高效生產提供了有利的地質保障。

  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勘探方法,是查清類似礦井水文地質條件,解放受水害威脅的下組煤的有效技術途徑。

  1 傳統水文地質勘探

  1.1地質勘探方法。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。

  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。

  2 采用綜合方式進行地質勘探

  2.1 采區地面地震勘探。采區設計前,通過采用地面地震勘探手段,查明采區構造形態和斷層發育規律,查明煤層賦存狀況及底板起伏形態,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,為采區設計提供可靠的地質資料。同時本階段的主要工作也是進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,根據采區銜接的要求,應提前布置實施。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則的震動現象。根據波動理論,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勢,微動測深勘查方法就是利用這一占絕對優勢的面波來反演地下地質結構的方法。同時,依據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(內接正三角形)組成,在圓心和圓周上內接正三角形頂點處各設置一套微動觀測儀。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,單點勘查已經不能滿足生產要求。可采用測線(剖面)觀測系統,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,可實現二維微動測深勘探,并反演測區三維S波速度結構,結合鉆孔及其它地質資料,可進一步解釋速度異常區域的地質意義;

  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。

  ②TEM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,其二磁場的衰減亦存在差異。因此,通過研究二磁場的衰減規律,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。

  3 結束語

  煤礦開采水文地質勘探技術的發展方向是將地球物理方法、基礎水文地質勘探手段與地理信息系統技術進行有機結合。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、水文地質等多元信息進行復合、綜合分析后建立預測與評價模型,實現地質資料的信息化、數字化和可視化,為開采水文地質條件的快速評價、生產水文地質工作的動態管理、突發性水文地質災害應變對策的制定提供技術支撐。