煤田奧灰?guī)r溶水水文地質(zhì)勘探技術(shù)

中圖分類號： P641.4+61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0171-04

Abstract： Taking somecoalfieldasanexample，hydrogeological exploration technologywasused toobtain theoccurrence characteristicsofOrdovicianlimestonekarstwatertoprovidebasisforwaterpreventionandcontrolinsubsequentcoalseam mining.TeGroundTransientElectromagneticMethod（TEM）isusedtodetectthewater-richsituationinthestructuralanomaly area;takingthe#15coalseamastheresearchobject，thedillngandsamplingmethodisusedtoobtainthewaterlevel， water-richsituationandkarstdevelopmentofthetargetrock formation;pumpinganddrainagetestsarecarredouttograspthe chemicalcharacteristicsofaquiferwaterandOrdovician limestonewater.Hydrogeologicalexplorationresultsshowthatroof sandstonewateristhedirectwater-fillngsourceformininginNo.15coalseam，andflooOrdovicianlimestonewateristhe indirectwater-filngsourcefor#15coalseam，sowaterpreventionandcontrolmeasures nedtobetaken.Thewater-resisting layeris mainly mediumandhardrock formations，which hasstronganti-damage abiltyandisbeneficial tocoalseam mining.

Keywords：GroundTransientElectromagneticMethod（TEM）;undergrounddriling;pumpingtest；hydrogeologicalexploration; coalfield

在煤層下伏奧灰?guī)r溶含水層的情況下，隨著煤層開采深度的增加易出現(xiàn)地下水突涌事故，除了影響煤層的正常開采外，還有可能引發(fā)安全事故。因此開展奧灰含水層的水文地質(zhì)勘探顯得尤為重要。目前常用的勘查方法有物探、鉆探、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）等多種，根據(jù)實(shí)際情況綜合利用多種方法對提高水文地質(zhì)勘探結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性有積極幫助。

1 研究區(qū)概況

某煤田海拔標(biāo)高 1338～1416m ，含煤面積 385km² 屬于高原侵蝕性丘陵地貌，基巖出露，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，地層傾角 8～13^° ，總體走向為西南-南，有2組斷裂。含煤地層主要分布于石炭系和二疊系，主要可采煤層為15^# 煤層，厚度 38.4～130.6m ，平均厚度 80.2m ，巖性以中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖及黏土巖為主。地下水循環(huán)較慢、補(bǔ)給匱乏，加之巖溶裂隙不發(fā)育，層狀巖溶水賦存條件差；奧陶系灰?guī)r裂隙較發(fā)育，巖溶水賦存條件較好，15^# 煤層開采主要受到奧灰水害威脅。

2煤田奧灰?guī)r溶水水文地質(zhì)勘探方案設(shè)計

2.1 地面瞬變電磁勘探設(shè)計

使用“瞬變電磁法”對該煤田進(jìn)行探測，選擇垂直磁激源作為發(fā)射裝置，發(fā)射脈沖電流在地下激發(fā)二次渦流，再利用接收裝置獲取渦流形成的二次場（瞬變場）及其衰減趨勢等信息，經(jīng)過分析后即可了解測區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1。地面瞬變電磁勘探的作用主要有二：其一是了解測區(qū)含水情況，為后續(xù)水文地質(zhì)鉆探作業(yè)中合理布孔提供參考；其二是掌握 15^# 煤層頂?shù)装宓母凰闆r，指導(dǎo)防治水工作的開展。在煤田區(qū)域內(nèi)選擇A和B兩個測區(qū)，前者面積約 750m² ，后者面積約 1000m² 。

2.2水文地質(zhì)鉆探設(shè)計

15^# 煤層主要面臨奧灰水威脅，因此在該煤層進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探。其中地面鉆孔有4個， Q_?2 為地面長期觀測孔， Q_?3.Q_?4.Q_?5 沿垂直煤層布設(shè)，分別從西部、中部、東部3個方向觀測和控制接續(xù)井田；井下鉆孔有3個， Q_jk1 和 Q_☉2 是布置在回風(fēng)巷的2個放水孔， Q_U1 是布置在運(yùn)輸巷的觀測孔。7個鉆孔的孔深與功能見表1。

地面鉆孔工藝較為簡單，井下鉆孔對技術(shù)有一定要求，例如鉆進(jìn)時需見水，同時在清洗鉆孔后水量應(yīng)不少于 50m³/h ，達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)后方可終孔。井下鉆孔時注意下管止水，以防不同含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系。為了提高止水效果，要求套管應(yīng)進(jìn)入奧灰地層至少 5m 。向套管內(nèi)灌滿清水，連續(xù)觀測 6h ，液面累計下降高度不超過 100mm 、每小時下降高度不超過 20mm 為合格。井下鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 抽放水試驗設(shè)計

開展抽放水試驗可幫助了解奧灰含水層的水文地質(zhì)特征，在預(yù)估礦井用水量以及評價地層富水性等方面有重要價值。在地面鉆孔結(jié)束后開展抽水試驗，在井下鉆孔結(jié)束后開展防水試驗，2種試驗都是先抽水或放水2d，然后恢復(fù)3d，使用流量儀觀測水量。在放水試驗中需要注意以下幾點(diǎn)： ① 提前布置好疏排設(shè)施，包括井下排水溝、排水管以及水泵等，確保放水試驗中的水可以及時疏排。 ② 位于放水孔附近的放矸閥門要定期打開（一般每 ^2h 開放1次），排出矸石，保證放水順暢，每次開啟時間控制在 1min 以內(nèi)。 ③ 遇到水表停轉(zhuǎn)、壓力表漏水等意外情況，或者是排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)第一時間報到調(diào)度室，然后采取應(yīng)對措施。

2.4 巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試

在水文地質(zhì)鉆探中，獲取巖石芯樣并開展巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試。結(jié)合該煤田的地質(zhì)構(gòu)造，分別選取了砂巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖、奧灰?guī)r4種巖層，測試內(nèi)容有容重、軟化系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等。

3煤田奧灰?guī)r溶水水文地質(zhì)勘探成果

3.1地面瞬變電磁勘探成果

測區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)6處低阻異常區(qū)域，A區(qū)和B區(qū)各3個。A區(qū)的E19和CE12、CE13分布范圍較大、異常幅值較強(qiáng)，初步分析與斷層及其裂隙發(fā)育帶含水有關(guān)；B區(qū)的CE17低阻異常較強(qiáng)，同樣是斷層及其裂隙發(fā)育帶含水導(dǎo)致的，另外的CE5和CE10分布范圍較小、異常幅值較弱，推測與斷層含水有關(guān)4。結(jié)合現(xiàn)有的勘查資料，認(rèn)為A區(qū)全部以及B區(qū)的CE17斷層有溝通奧灰水的可能性。地面瞬變電磁勘探結(jié)果見表2。

3.2 水文地質(zhì)鉆探成果

在水文地質(zhì)勘查中共獲取8組水樣，其中有3組奧灰水樣是在鉆孔期間從巖層中取得，取樣孔為 Q_X^|1 取樣深度均為 133.0m ，取樣間隔為10d；有3組奧灰水樣是在放水試驗中分別從 Q_#X2、Q_#X3、Q_#X4 取得；有1組水樣是從 15^# 煤層頂板砂巖中取得，取樣孔為Q_X¹ ；有1組水樣是從回風(fēng)巷出水點(diǎn)取得。所有水樣均按照GB/T12719—2021《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》采集，具體情況見表3。

在獲取地下水水樣的基礎(chǔ)上，通過水化學(xué)組分分析掌握煤田奧灰地下水的補(bǔ)給條件、運(yùn)移規(guī)律等重要信息。這里以 Q_X3 孔獲取的奧灰水樣為例，分析結(jié)果表明，水樣的礦化度為 883.5mg/L ，屬于淡水-微咸水；pH 為7.86，屬于弱堿性水?；瘜W(xué)組分方面，含量較高的陽離子有 Na⁺（151.3mg/L），Ca⁺（68.1mg/L） ，含量較高的陰離子有 CL^-（193.6mg/L）.SO₄^2-（157.2mg/L） 、HCO^3-（233.9mg/L） 。統(tǒng)計該煤田各奧灰水樣的水化學(xué)組分分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)離子含量大體相同，反映出奧灰水無其他水源參與補(bǔ)給，徑流交替較弱[。

3.3抽放水試驗成果

這里以 Q_X3 孔的抽水試驗為例，試驗地層為奧灰頂界至以下 130.3m （即埋深 418.0～548.3m， ，本次試驗從2021年10月15日開始，共計 5d， 。試驗開始前測得奧灰水文為 22.7^°C ，靜水位埋深 296.7m ，穩(wěn)定抽水量為 2.6m³/h 試驗期間的流量與降深如圖2所示。

由圖2可知，在試驗開始的前2天，抽水流量與降深保持穩(wěn)定狀態(tài)，其中流量為 2.6m³/h ，降深為 35m_c 從第3天開始，流量與降深開始增加，經(jīng)過1天后流量穩(wěn)定在 6m³/h 左右，降深穩(wěn)定在 5m 左右。在獲取水文地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)后，可通過下式求得目標(biāo)巖層的滲透系數(shù) （k） （20

式中： Q 表示鉆孔的涌水量， R 表示影響半徑， r 表示鉆孔半徑， M 表示目標(biāo)巖層的厚度， s 表示水位降深。

在放水試驗中使用如圖3所示裝置監(jiān)測放水孔的壓力與流量，本次放水試驗持續(xù)28d，平均放水量58.2m³/h ，記錄每天的水量 （q） 水位 （h） ，并分析地下水的變化情況。試驗結(jié)果表明，水位降平均響應(yīng)時間15min ，水位恢復(fù)平均響應(yīng)時間為 28min ，響應(yīng)時間段、降深明顯，并且試驗結(jié)束后觀測孔的水位恢復(fù)緩慢，未能達(dá)到試驗前水平，表明測區(qū)內(nèi)奧灰地下水補(bǔ)給量有限，以消耗靜儲量為主。

3.4巖石物理力學(xué)性能

在鉆芯取樣的基礎(chǔ)上測定巖石芯樣的物理力學(xué)性能，其中：砂巖的抗壓強(qiáng)度在 40.3～70.2MPa 之間，含水率 0.8%～1.2% ，平均含水率 1.07% ，天然容重2.5g/cm³ ，干燥抗壓強(qiáng)度可達(dá) 70MPa ，為中硬 ～ 堅硬巖層；頁巖的抗壓強(qiáng)度在 68.5～71.2MPa 之間，為堅硬巖層；砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度在 30.5～84.2MPa 之間，屬于中硬～堅硬巖層；奧灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度在 56.9～90.2MPa 之間，為堅硬巖層。綜合以上勘探成果，可以發(fā)現(xiàn) 15^#"煤層至奧灰頂界面的巖性基本為中硬到堅硬，整體強(qiáng)度較高，對壓力、拉力、剪切力等外力的抵抗能力較強(qiáng)，不容易出現(xiàn)原生裂隙，具備較為理想的阻水壓性能。

4結(jié)論

在綜合采取地面瞬變電磁勘探、水文地質(zhì)鉆探并開展抽水、放水試驗和水化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，掌握了煤田奧灰?guī)r溶水對目標(biāo)煤層的威脅。根據(jù)這一勘探結(jié)果擬定防治水方案，下一步可以采取合理調(diào)整開采面、井下補(bǔ)強(qiáng)注漿等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)水害治理，從而確保煤層開采作業(yè)的安全進(jìn)行。

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