基于地面直流電法的煤礦開采中綜合防治水技術(shù)

任瑞強(qiáng)

(山西壽陽段王煤業(yè)集團(tuán)有限公司,山西 晉中 045499)

煤礦開采中,綜合防治水就是指為應(yīng)對或預(yù)防重大水害事故而制定的安全施工方案。綜合防治水的核心任務(wù)就是在評價礦井充水條件的同時,找到良好的導(dǎo)水通路,從而最大化保障煤礦礦井的開采安全性。由于含水層的結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜,且大多數(shù)水源通路的展布范圍都較為廣泛,所以在進(jìn)行防水治理時,應(yīng)控制實(shí)際施工面積,使得已暴露礦床下部灰?guī)r含水層的水介質(zhì)屬性不會與未暴露部分產(chǎn)生較大差異[1]。近年來,隨著煤礦開采面積的不斷擴(kuò)大,如何在保障施工質(zhì)量的同時,避免滲水、漏水情況的發(fā)生,已成為一項(xiàng)亟待解決的問題。文獻(xiàn)[1]研究了地面多分支定向鉆孔技術(shù)在煤層底板區(qū)域防治水中的應(yīng)用,應(yīng)用地面定向鉆探注漿技術(shù)改善采煤工作面底板狀況,消除了煤炭開采時底板突水水害威脅。文獻(xiàn)[2]提出了淺埋藏超大工作面工作過地表溝流防治水技術(shù),通過井下探放含水層等關(guān)鍵技術(shù),解除了含水層涌水威脅,通過增大工作面及巷道的排水能力,有效解決了工作面涌水問題。但是上述兩種技術(shù)的煤礦水流實(shí)際滲透量與非外力干擾條件下的滲透量數(shù)值相比卻并沒有明顯差異,致使?jié)B水、漏水問題沒有得到有效治理。

而地面直流電法的實(shí)施以勘探煤礦巖層導(dǎo)電性能的主要差異為基礎(chǔ),通過人工注入的方式,向地面提供穩(wěn)定的傳輸電流,從而通過觀測大地電流場基本變化規(guī)律的方式,確定礦區(qū)內(nèi)部巖體的具體構(gòu)造特征。該項(xiàng)技術(shù)手段的應(yīng)用,要求接地端電極的帶電水平必須高于巖石電阻率的平均電位數(shù)值。作為電法勘探的主要應(yīng)用方法,地面直流電法能夠直接確定煤礦礦區(qū)內(nèi)的成礦規(guī)律,且這種場源分布特性可以同時滿足人工煤礦與天然煤礦的開采需求。為保證開采結(jié)果的準(zhǔn)確性,在實(shí)施勘探的過程中,要求所選礦石的電阻率水平不得高于該區(qū)域內(nèi)巖石電阻率的平均數(shù)值。為此,針對上述情況,提出基于地面直流電法的煤礦開采中綜合防治水技術(shù)。

1 地面直流電法分析

煤礦開采中綜合防治水方法的設(shè)計(jì)需要以地面直流電法為基礎(chǔ),在采集多電極數(shù)據(jù)信息的同時,針對帶電系數(shù)取值范圍進(jìn)行精準(zhǔn)求解。

1.1 多電極數(shù)據(jù)采集

多電極數(shù)據(jù)就是指利用地面直流電法所采集到的煤礦導(dǎo)水信息,一般來說,煤礦開采區(qū)域的施工面積越大,單位時間內(nèi)所能采集到的多電極數(shù)據(jù)樣本總量也就越多[3]。利用地面直流電法采集煤礦導(dǎo)水信息時,為避免多電極數(shù)據(jù)測量結(jié)果與預(yù)期結(jié)果出現(xiàn)偏差,要求導(dǎo)電量指標(biāo)取值必須屬于(0.1]的數(shù)值區(qū)間。對于導(dǎo)電量指標(biāo)的求解滿足公式(1)。

A=β×(αs-1)2

(1)

式中:A為導(dǎo)電量指標(biāo);s為直流信號標(biāo)記系數(shù);αs為直流信號的單位帶電量;β為電極區(qū)域內(nèi)的電信號導(dǎo)通系數(shù)。在公式(1)的基礎(chǔ)上,可將基于地面直流電法的多電極數(shù)據(jù)采集表達(dá)式定義為:

(2)

若電極信號傳輸強(qiáng)度參數(shù)的取值方向不一致,則應(yīng)對其進(jìn)行絕對值求解處理。

1.2 帶電系數(shù)

帶電系數(shù)決定了地面直流電法對于煤礦導(dǎo)水信息的采集能力[4]。進(jìn)行綜合防治水處理時,若多電極數(shù)據(jù)采集結(jié)果保持不變,則帶電系數(shù)的取值大于自然數(shù)“1”;若多電極數(shù)據(jù)采集結(jié)果保持連續(xù)波動變化狀態(tài),則帶電系數(shù)的取值小于“-1”;若多電極數(shù)據(jù)采集結(jié)果保持先增大、再減小或是先減小、再增大的變化狀態(tài),則帶電系數(shù)的取值小于自然數(shù)“1”且大于“-1”[5]。在上述物理量的支持下,聯(lián)立公式(2),推導(dǎo)帶電系數(shù)求解結(jié)果為:

(3)

1.3 地面直流電法的應(yīng)用

地面直流電法在巖石電性差異的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同巖性物質(zhì)電阻率的不同,判斷測線斷面巖層的實(shí)際富水性。為實(shí)現(xiàn)煤礦開采中的綜合防治水,直流電法首先選擇不同的電極組合方式,來滿足不同的極距間隔測量需求;然后將多個供應(yīng)電機(jī)放置在不同區(qū)域內(nèi),從而改變該區(qū)域巖石的電阻率水平,而隨著電阻率的改變,巖石的透水特性也會發(fā)生變化;最后根據(jù)供應(yīng)電機(jī)之間的電勢差數(shù)值,求解電阻率參數(shù),并根據(jù)該參數(shù)指標(biāo)的取值,來判斷煤礦巖石的具體透水特性,從而達(dá)到綜合防治水的目的,如圖1所示。

圖1 地面直流電法的防治水流程

2 工程實(shí)例

為驗(yàn)證地面直流電法在煤礦開采施工中的實(shí)用性價值,針對某煤礦工程的具體水文及地質(zhì)條件,進(jìn)行防治水實(shí)驗(yàn)。

2.1 工程概況

本次實(shí)驗(yàn)所選煤礦工程施工區(qū)域位于華北西南部,完整的井田界定范圍為:F9斷層以南、F26斷層以北、F8斷層以東、2號煤層-900 m等高線以西,礦區(qū)東西傾斜寬度超過2.0 km、南北走向長度接近8 km,整個施工區(qū)域面積約為20 km2.

1) 水文條件。某煤礦開采區(qū)域大致呈現(xiàn)由西南到東北的條帶狀分布形式,由于礦床成礦部分巖層裂縫的含水層均為厚層含水層結(jié)構(gòu),且礦石間距較大,所以上下兩部分含水層會因斷裂構(gòu)造影響而發(fā)生水力聯(lián)系。外部河流及山區(qū)溝谷滲漏行為是煤礦開采區(qū)域地下水補(bǔ)給的唯一來源,所以即便是在綿延近20 km2的地下成礦區(qū)域內(nèi),含水層組織也不會出現(xiàn)水系分布不均的情況。河谷滲漏彌補(bǔ)了溶河水系流速較慢的不足,為礦床成型提供了足量的泥沙石料供應(yīng);山區(qū)溝谷滲漏段則主要存在于河床屬性為灰?guī)r的河段區(qū)域,兩種水系補(bǔ)給行為的發(fā)生區(qū)域不同,故而其對于礦床的沖刷作用也就不會相互抵消,這也是礦區(qū)水文條件始終趨于穩(wěn)定的主要原因。煤礦開采區(qū)域內(nèi)的水文分布形式如圖2所示。

圖2 煤礦開采區(qū)域的水文特征

由于煤礦礦床呈現(xiàn)西高東低的分布狀態(tài),所以含水層內(nèi)的水流方向?yàn)橛晌髦翓|。

2) 地質(zhì)條件。對于地質(zhì)條件的總結(jié),主要針對煤礦開采區(qū)域內(nèi)不同巖系含水層的厚度、富水性及單位涌水量水平,詳情如表1所示。

表1 煤礦開采區(qū)域的地質(zhì)特征總覽

上石盒子組砂巖含水層、下石盒子組砂巖含水層中具有明顯的二元結(jié)構(gòu),故其平均厚度水平相對較大,隨著煤礦開采施工任務(wù)的推進(jìn),表層第三系砂礫巖裂隙含水層、第四系孔隙含水層因外力作用被破壞,碎裂狀小塊巖體會掉落至盒子組砂巖含水層之中,故而這兩類含水層組織的水體滲透能力可能會發(fā)生變化。

2.2 防治水實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證地面直流電法在煤礦開采綜合防治水施工中的應(yīng)用能力,設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。首先,選擇F1-01-1及F1-01-2類煤礦巖體作為實(shí)驗(yàn)對象,通過人工處理的方式,更改巖體的相對厚度,使其分別等于0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m;然后,將開有微型小口的PVC硬管置于煤礦巖體縫隙之間,模擬含水層組織;其次,使煤礦巖體呈現(xiàn)出50°的傾斜狀態(tài),向較高端管口緩慢注水,模擬地下水在含水層組織中的流動行為;最后,將帶電導(dǎo)線放置在PVC硬管表面,模擬地面直流電法的干預(yù)作用,記錄當(dāng)前情況下的水流滲透量,移走帶電導(dǎo)線,使管內(nèi)注水保持正常流動狀態(tài),記錄此時的水流滲透量。

表2給定了非外力干擾條件下的水流滲透量數(shù)值。

表2 非外力干擾條件下的水流滲透量

由表2可知,在非外力干擾條件下,煤礦水流滲透量會隨著巖體相對厚度的增加而不斷增大,但當(dāng)巖體相對厚度達(dá)到一定數(shù)值水平之后(本次實(shí)驗(yàn)為1.5 m),煤礦水流的實(shí)時滲透量則會趨于穩(wěn)定。

圖3反映了有無地面直流電法作用下,煤礦水流滲透量的數(shù)值變化情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程中的煤礦水流滲透量

分析圖3可知,在地面直流電法作用下,當(dāng)巖體相對厚度在0.3 m時,水流滲透量為2.8 mL;當(dāng)巖體相對厚度在0.6 m時,水流滲透量為3.0 mL;當(dāng)巖體相對厚度在0.9 m時,水流滲透量為3.2 mL;當(dāng)巖體相對厚度在1.2 m時,水流滲透量為3.5 mL;當(dāng)巖體相對厚度在1.5 m時,水流滲透量為3.7 mL;當(dāng)巖體相對厚度在1.8 m時,水流滲透量為3.9 mL.地面直流電法作用下的煤礦水流的實(shí)際滲透量與非外力干擾條件下的滲透量數(shù)值相比,出現(xiàn)了一定程度的下降狀態(tài);而無地面直流電法作用時,當(dāng)巖體相對厚度在0.3 m時,水流滲透量為3.6 mL;當(dāng)巖體相對厚度在0.6 m時,水流滲透量為3.9 mL;當(dāng)巖體相對厚度在0.9 m時,水流滲透量為4.3 mL;當(dāng)巖體相對厚度在1.2 m時,水流滲透量為4.8 mL;當(dāng)巖體相對厚度在1.5 m時,水流滲透量為5.1 mL;當(dāng)巖體相對厚度在1.8 m時,水流滲透量為5.1 mL .其煤礦水流的實(shí)際滲透量與非外力干擾條件下的滲透量數(shù)值相比卻并沒有明顯差異,即在地面直流電法的作用下,煤礦開采中的滲水、漏水問題確實(shí)得到了有效治理,符合綜合防治水的應(yīng)用需求。

直流電法的應(yīng)用對于巖石電阻率水平的要求較高。相較于普通巖石而言,電阻率較高的巖石能夠在多路電極轉(zhuǎn)換器元件的作用下,利用供電電極向地下提供超低頻直流電流,且在電流傳輸過程中,測量電極之間存在電勢差,電荷會表現(xiàn)出趨向性移動行為,而這種電荷移動行為則有效抑制了水滲透現(xiàn)象,故而地面直流電法的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)煤礦開采中的綜合防治水。

3 礦井充水因素研究

3.1 充水條件

充水條件決定了煤礦開采過程中含水層組織發(fā)生滲水、漏水現(xiàn)象的可能性[6]。在外部礦層形成初期,隔水層組合關(guān)系并不固定,故而含水層直接與煤礦礦石接觸,若礦層形成時間過長,則會導(dǎo)致礦石含水量增加,這也為后續(xù)挖掘任務(wù)的實(shí)施帶來了較大難度。隔水層組合關(guān)系如圖4所示。

圖4 隔水層組合關(guān)系示意

地面直流電法的應(yīng)用思想就是將隔水層組織中的直流電信號導(dǎo)出至外部地表環(huán)境之中,經(jīng)過處理之后隔水層組織對于流通水體的阻隔能力大大增強(qiáng),故而煤礦開采的滲水、漏水問題能夠得到有效防治。

3.2 礦井涌水

礦井涌水由含水層水、井筒水組成,經(jīng)過地面直流電法處理后,含水層水能夠得到隔水層組織的有效阻隔,故而實(shí)際涌水量大部分都是未被及時抽取的井筒水[7]。煤礦開采中,為保證防治水技術(shù)的順利實(shí)施,可以適當(dāng)增加開挖深度,并預(yù)留一條較小通路作為井筒水抽取路徑,一方面保證煤礦挖掘任務(wù)的順利實(shí)施,另一方面也可以避免滲水、漏水事件的出現(xiàn),但由于巖體礦石表面不可能完全光滑,所以流通水體會經(jīng)由縫隙進(jìn)入隔水層組織內(nèi)部,這也是煤礦礦井涌水量不可能完全為零的主要原因。

3.3 受水威脅

解決受水威脅是實(shí)現(xiàn)煤礦開采中滲水、漏水問題防治的有效手段。所謂受水威脅就是指隔水層組織受到水體沖刷影響的強(qiáng)度,對于煤礦礦石而言,隔水層組織的含水程度越高,礦層巖體的脆弱性也就越強(qiáng)。而地面直流電法的應(yīng)用,通過導(dǎo)流直流電信號的方式,使得隔水層組織呈現(xiàn)出非帶電狀態(tài),此情況下,巖石間隙不會因水流滑動作用而不斷縮小,即隔水層組織的寬度得到了保障,大部分流動水體被阻隔在含水層之內(nèi),對增大煤礦礦石的堅(jiān)硬程度起到了一定的促進(jìn)作用,為煤礦開采中綜合防治水技術(shù)的實(shí)施提供了保障[8]。

4 結(jié) 語

在地面直流電法的作用下,煤礦開采過程中的滲水、漏水問題得到了較好解決,隔水層組織的厚度水平得到了保障,含水層中的流動水體不再對煤礦礦石起到明顯侵蝕作用。與其他類型的施工方法相比,地面直流電法能夠有效提升外部煤礦礦層的堅(jiān)硬度水平,對于綜合防治水技術(shù)的實(shí)施起到了推動性影響作用。