富水性特征范文

富水性特征范文（精选8篇）

富水性特征 第1篇

1 研究区水文地质环境

研究区位于兖州煤田内, 下组煤为石炭系太原组16上、17煤, 各厚约1.0 m。16上煤顶板的十下灰是下组煤开采时的直接充水含水层, 下组煤底板的十三灰、十四灰和奥陶系石灰岩是间接充水含水层。

十下灰含水层为深灰色灰岩, 单位涌水量0.004 73～0.026 9 L/ (s·m) , 水质类型为HCO3·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na和HCO3- Na·Ca型, 富水性弱;十三灰含水层为浅灰色灰岩;十四灰含水层为质纯、致密的浅灰色灰岩, 溶穴裂隙承压水单位涌水量0.000 039 2～0.180 L/ (s·m) , 水质类型为HCO3·Cl-Na·Ca和SO4-Ca·Mg型, 富水性弱至中等。

奥陶系石灰岩 (简称奥灰) 含水层为灰色致密、坚硬的灰岩, 浅部溶穴裂隙较发育, 奥灰溶穴裂隙承压水单位涌水量0.000 6～0.506 L/ (s·m) , 水质类型为SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4-Ca·Mg型。奥灰为区域性含水层, 分布广、厚度大、水压高, 局部富水性较好, 是下组煤开采时的主要防治对象。

2 水文地球化学指标垂向变化规律研究

碳酸盐矿物的溶解和沉淀是岩溶发育的最主要作用, 其发生与CO2—H2O—CaCO3三相化学平衡体系中的一系列过程有关[6]。首先是大气中的CO2向水中扩散形成溶解的CO2 (aq) , 溶解的CO2和水反应形成碳酸, 碳酸经过第一级和第二级离解, 形成H+和COundefined;碳酸钙在水中溶解形成Ca2+和COundefined。碳酸钙在含碳酸的水中溶解反应总式如下:

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如果溶液中游离的CO2含量大于平衡的CO2量时, 过量的游离CO2则显示侵蚀性, 推动着整个反应向右进行, 直到达到新的平衡为止。

2.1 水质测试

研究区内布设了不同的钻孔, 揭露奥陶系含水层顶板的埋深情况。通过对各孔的工业水质分析, 得到奥灰含水层顶板不同埋深的水文化学指标变化情况, 如表1所示。

2.2 离子含量垂向变化规律

根据奥灰含水层顶板不同埋深的离子含量变化, 利用软件经过线性拟合, 揭示了研究区内离子含量垂向变化规律 (见图1～6) 。研究表明, 随着揭露奥灰含水层顶板埋深的增加, 水中的矿化度、游离CO2、SOundefined、Ca2+和可溶性固体的质量浓度呈上升的趋势, 而HCO-3的质量浓度呈下降的趋势。

经过线性拟合, 得出奥灰含水层顶板标高H与CO2质量浓度ρ的回归方程:H=-787.179 58-4.515 48ρ, 其相关系数R=0.503 16, 见图1。

经过线性拟合, 得出奥灰含水层顶板标高H与Ca2+的质量浓度ρ的回归方程:H=-756.444 15-0.205 55ρ, 其相关系数R=0.586 64, 见图2。

经过线性拟合, 得出奥灰含水层顶板标高H与SOundefined质量浓度ρ的回归方程:H=-745.161 81-0.065 94ρ, 其相关系数R=0.617 09, 见图3。

经过线性拟合, 得出奥灰含水层顶板标高H与可溶性固体质量浓度ρ的回归方程:H=-743.228 16-0.040 65ρ, 其相关系数R=0.598 69, 见图4。

经过线性拟合, 得出奥灰含水层顶板标高H与矿化度C的回归方程:H=-739.100 49-0.040 58C, 其相关系数R=0.592 63, 见图5。

经过线性拟合, 得出奥灰含水层顶板标高H与HCO-3质量浓度ρ的回归方程:H=-977.102 87+0.661 5ρ, 其相关系数R=0.466 6, 见图6。

3 水文地质化学指标与富水性关系

根据井下钻孔放水试验, 收集了较大钻孔单位涌水量q值和井下涌水量Q值, 见表2。

由表1～2可以看出, q和Q值较大的钻孔, 相对q和Q值较小的钻孔, 其水文化学指标偏低, 部分q值大的钻孔水文化学指标变化不明显。在深部岩溶区, 随着奥灰含水层顶板标高的绝对值的增加, Q、q值较大的钻孔相对其他钻孔, 其水文化学指标明显偏低。

华北煤矿区奥陶系灰岩岩溶形态以溶孔和溶隙为主, 主要的运移通道为岩溶裂隙。携带有侵蚀性CO2的水由地表下渗, 碳酸盐岩不断被溶解, 矿化度、Ca2+、Mg2+、SOundefined和可溶性固体的质量浓度逐渐升高, 游离CO2质量浓度呈上升趋势, 岩溶发育。随着奥灰含水层顶板埋深的增加, 地应力逐渐增大, 在一定深度处, 由于水平最大主应力和垂直主应力的增加, 裂隙的张开度变差, 岩体的渗透性明显减弱。深部岩溶区, 地下水循环交替缓慢, 岩溶水化学模型以硫酸钙沉淀、去白云岩化作用和脱硫酸作用为主[7], HCO-3的质量浓度逐渐下降, 岩溶发育程度减弱, 甚至不发育。由函数关系式得出ρ (或C) =0时所对应的顶板标高, 结合q和Q值较大的钻孔标高, 得到深部岩溶发育地段的标高大致范围为-740～-977 m。

4 结论

1) 研究区奥陶系灰岩含水层离子垂向的变化随着含水层顶板的埋深增加, 矿化度、游离CO2、SOundefined、Ca2+和可溶性固体的质量浓度增加, HCO-3质量浓度减小。奥陶系灰岩岩溶发育特征在垂向上整体具有由强到弱的变化规律。

2) 矿化度、游离CO2、SOundefined、Ca2+、可溶性固体、HCO-3的质量浓度与含水层顶板标高的函数关系分别为H=-739.100 49-0.040 58C, H=-787.179 58-4.515 48ρ, H=-745.161 81-0.065 94ρ, H=-756.444 15-0.205 55ρ, H=-743.228 16-0.040 65ρ, H=-977.102 87+0.661 5ρ。结合q和Q值较大的钻孔标高, 得到深部岩溶发育地段的标高大致范围为-740～-977 m。

3) 研究区下组煤具有可开采性, 在采掘过程中要做到有疑必探, 先探后掘, 先治后采。注重对下组煤充水含水层的勘探工作, 以及对构造地段的勘查工作, 做到预防为主, 防治结合。

参考文献

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[6]章至洁, 韩宝平, 张月华.水文地质学基础[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1995.

富水性特征 第2篇

关键词：钻孔涌水量；富水性；水柱高度；含水层厚度

利用钻孔涌水量评价含水层富水性时，水位降深的确定是关键。对潜水含水层一般采用潜水含水层厚度的一半作为其降深值，对承压水降深值采用承压水水柱高度或水柱高度加含水层厚度的一半为其降深值。但上述方法都有问题，评价结果往往和岩层实际富水性不符，有时相差甚远。因此，笔者结合自身的实际工作经验和相关资料，总结分析钻孔涌水量对岩层富水性的评价问题。

1、对承压含水层进行讨论

表1是江西省两个水源地钻孔抽水资料；

根据表1数据显示：在承压水头高度较大的情况下，倘若根据承压水头的实际高度计算，那么涌水量会很大，如表1中余江黄埠的12、13、31、32钻孔和信江盆地的S2孔等。其中，余江黄埠13号孔每天涌水量高达7300吨，倘若根据承压水头与承压含水层厚度的1/2的和计算，那么涌水量则会更大。即使仅根据50米降深值计算，单孔涌水量每天达到近1000吨或者1000吨以上的，钻孔也仍很多，其中最大的13号孔可以达到每天2500吨，这严重违背了现场实际情况。

信江盆地的S5钻孔，承压水头高度较小，从含水层顶板到静止水位高度为6.8米。倘若根据承压水柱高来计算涌水量，那么表中一一列举的剩余钻孔单位涌水量和实际出水量都比S5钻孔要少，但是单孔涌水量却比S5钻孔要大。S5钻孔按照6.8米的降深值计算所得每日涌水量仅有600吨左右，而现场实际情况每日可达1000吨左右，涌水量还比较稳定。综上所述，笔者认为有以下几点原因：①承压水头高度的大小和岩石层结构、承压含水层的深度相关。岩石层结构陡的，埋深一般比较大，承压水头高度也一般较大。反之，岩石层结构平缓，承压水头高度较小。②承压含水层的富水性和含水层埋深、露头宽度以及临层地下水的补给有关。含水层结构陡的，埋深一般都较大，那么露头宽度与补给相对较小，涌水量也相对小些，而且水量和水位都不稳定。反之，含水层结构平缓，埋深小，但是露头宽度和补给大，涌水量也相对大些，而且水量和水位较为稳定。③中、新生界地层的地下水，承压水头相对比较大，但水量衰减快，同时具备承压水头越大，水量衰减越快的特点。综上，承压水头的大小不能作为岩层富水性和涌水量的计算依据。

2.孔隙潜水含水层评价问题

潜水含水层主要是第四系含水层富水性与含水层厚度的关系和主要的影响因素。①根据江西某地区的相关资料显示，河流含水层厚30至40米左右时，取钻孔口径为8，降深值为5，计算所得单孔涌水量每天大于5000吨，而富水性较好的钻孔每天可以达到10000吨，当前开采量每天大约110吨，漏斗面积330平方公里，中心水位下降最大数值为18米，并且水位持续逐年下降1米左右，漏斗面积持续扩大，以上情况表明地下水开采过量。我们试想一下，在以上漏斗面积内，如果单位平方公里内钻一个生产井，那么可以布置330个，根据富水性计算，每天可以开采地下水170万吨左右，仅稍微大于目前的开采量。如果按照3米的降深值计算，每天可以开采地下水100万吨左右，和当前开采量持平。但是按照含水层厚度的1/2计算，取降深值20米，单孔每天涌水量在2万吨左右，如果每个1.5平方公里内钻一个生产井，那么漏斗面积内可以可以布置220个，每天可开采地下水330万吨，是当前开采水量的3倍多，但实际情况每天是不超过150万吨，这充分说明依据含水层厚度计算的涌水量和实际情况不符。②江西省鹰潭市夏埠地区根据自身的补给条件，取降深值为5米，计算每天涌水量为5000吨，与实际开采较为接近，并且地下水量和水量稳定。但是按照含水层厚度1/2计算所得每天涌水量为1.5万吨，和实际相差较大。③江西九江某水源地，上游三峡大坝拦截地表水后，其地下水急剧减少，虽然含水层极厚，平均在50至60米，极大表现为100至200米。但是由于地下补给不多，虽然开采量较小，但是水位也逐年大面积下降，平均每年下降半米至1米不等，小些为0.2至0.3米。在开采量大的地域，降深可达15至20米，平均每年下降1米。

综上所述，含水层厚度影响着岩层富水性，可以把他看成一个水库，起到调节地下水的作用，或者开采利用其静储量。但从长远的角度看，这个量还比较小，最重要的还要依靠地下水的天然补给量。这和固体矿床有着本质的区别。固体矿床在某一特定地质时期内是稳定的，但地下水随着时间和空间的变化而变化，是可变和可恢复的流态矿床。综合考虑这一特点，全球在地下水短缺的地方，都采用了回灌的方法补充地下水，保证生产井的出水，满足日常生产生活。

3.结论

总之，不管是承压水还是潜水，对岩层富水性的评价只考虑承压水头高度和含水层厚度还不够，还须考虑地下水的天然补给量，这是评价富水性和计算涌水量的主要因素。这样才能弥补以往含水层厚度的片面评价，对反映各地区地下水资源的实际情况和推进当地生产有着积极作用。

作者简介：贾荣乐（1982～），男，安徽宁国人，工程师，从事煤田地质工作。

富水性特征 第3篇

关键词：抽水试验,参数计算,富水性,推覆体灰岩

皖北矿区水文地质条件复杂, 水害威胁较为严重, 发生多起突水事件, 给矿井带来惨重的危害, 利用地面钻孔施工合理的评价含水层的富水性特征, 解放受水威胁煤炭储量, 实现矿井安全生产, 延长其服务年限具有重大的现实指导意义。文章以钱营孜煤矿东翼推覆体灰岩勘探工程为例, 综合研究钻探施工中水文观测和抽水试验数据, 浅析抽水试验参数及含水层富水性特征。

1 研究区概况

钱营孜煤矿东一采区位于煤矿东南部, 东部边界发育DF200断层, 最大落差达500m, 是东翼推覆体灰岩形成的直接成因。本研究区推覆体灰岩之上被厚51.65~90.30m的第四系所覆盖, 局部第四系底含为粘土夹砂砾, 形成“天窗”;顶部灰岩风化强烈, 裂隙发育, 造成灰岩水和第四系底部砂层含水层有着密切的水力联系, 对下部3煤层开采造成威胁。为解决推覆体灰岩构造的结构及空间分布、水文地质特征、与第四系松散层的连通性等问题, 在推覆体倾向和走向上, 钻探施工钻孔5个, 对推覆体灰岩进行抽水试验。其工程布置图见图1。

2 抽水试验

2.1 稳定流抽水试验

稳定流抽水试验渗透系数和影响半径计算选用公式, 水文地质参数见表1:

2.2 非稳定流抽水试验

单孔抽水试验完成后并同步观测恢复水位48h, 以T1孔为主孔, 其他孔观测孔, 进行地面群孔非稳定流抽水试验, Q-S-T图见图2, 参数计算方法采用lgs~lgt、s~lgt和s~lgr直线图解法及水位恢复法, 现分述如下:

2.2.1 降深-时间 (lgs~lgt) 配线法

用同一观测孔不同时间的时间降深资料, 作s~t双对数关系曲线与模数相同的泰斯曲线W (u) ~1/u配合, 取得配合点, 求出T和μ, 按下式计算:

式中:[W (u) ]、[1/u]、[s]、[t]为配合点座标。

2.2.2 降深-距离 (s~lgr) 图解法

(1) 计算导水系数 (T) 和储水系数 (μ)

采用同一方向上, 不同观测孔同一时间的水位降深值, 作s~lgr关系曲线, 取其后期直线段斜率, 按下式计算:

(2) 计算影响半径 (R) 和水跃值 (△h)

利用抽水结束时同一方向各观测孔水位降深, 作s~lgr关系直线图, 直线在横轴上的截距R, 即为抽水影响半径, 直线在主孔中心线上截距Sn为抽水时主孔实际降深, 水跃值按下式计算:

△h=Sw-Sn

式中:Sn-图解主孔降深 (m) ;Sw-抽水实测主孔降深 (m)

2.2.3 降深-时间 (s~lgt) 图解法

根据同一观测孔不同时间的降深资料在单对数坐标纸上作s~lgt关系曲线 (见图3) , 取其后期直线段斜率和直线段在时间轴上截距to, 用下式计算:

2.2.4水位恢复法

选用抽水主孔和距主孔较近的观测孔水位恢复资料, 用抽水结束后钻孔中的剩余降深 (S′) 抽水延续时间 (tp) 及水位恢复时间 (t′) 资料在单对数纸上作S′~lg (1+tp/t') 关系曲线, 取其后期直线段斜率i, 按下式计算:

2.3 水文地质参数选择

2.3.1 涌水量 (Q) 、单位涌水量 (q) 、含水层厚度 (M)

群孔抽水时T1孔钻孔涌水量Q=26.172m3/h, 单位涌水量q=0.468L/ (m.s) , T1孔含水层厚度 (M=54.93m) , 作为水量计算和资源评价的依据, 由于观测孔T4、T5水位变化极小, 利用附近T2、T3孔资料计算, 具体曲线所求参数见表2。

2.3.2 影响半径 (R)

影响半径采用图解值1190m, 计算时采用值为1190m,

2.3.3 导水系数 (T) 、贮水系数 (μ) 、渗透系数 (K)

导水系数采用计算的平均值:T=230.250m2/d, 贮水系数采用值为μ (=4.935×10-3, 渗透系数采用值K=4.192m/d, 具体参数选择见表3。

2.3.4 参数检验

根据所选择的参数, 按公式:

对钻孔水位降深进行检验 (t取3300min) , 从表4可以看出观测孔误差都小于10%。证明所选择参数较准确可靠, 可以作为含水层富水性、涌水量判断依据。

3 含水层富水性特征

3.1 岩溶裂隙发育特征

推覆体灰岩随DF200断层变化, 由西向东逐渐增厚, 从第四系风化带随断层倾向逐步向深部延伸, 岩性主要为为灰色、灰白色灰岩灰岩, 局部呈褐铁色, 水蚀严重, 厚度约198.65m~334m, 顶部小溶洞较发育, 孔径3~6mm;受推覆构造的作用, 不规则裂隙发育多被方解石充填, 裂隙宽1~7mm;底部在断层破碎带接触处岩芯破碎;钻探施工过程中灰岩段全漏水, K=4.192m/d, T=230.250m2/d, 证明灰岩岩溶较发育, 富水性强, 连通性较好, 是良好的地下水储存和运移通道。

3.2 富水性特征

钻探施工中推覆体灰岩顶部风化及底部构造破碎带漏水大, 说明该位置富水性相对较强;稳定流抽水试验参数q=0.4345~1.37l/s.m, k=0.8927~1.1m/d, 含水层富水性中等~强, 富水性不均一;群孔非稳定流抽水试验, 地下水径流方向从西南到北东, K=4.192m/d, T=230.250m2/d, 该含水层富水性强。

4结束语

通过单孔稳定流和群孔非稳定流抽水试验比较, 发现群孔非稳定参数更具有现实意义, 可以提高了含水层的水文地质参数的准确性和可靠性;通过对推覆体灰岩含水层水文地质参数的分析判断, 说明该含水层具富水性强、导水性好的特性, 可以作为安全开采推覆体灰岩下3煤的重要理论依据。

参考文献

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富水性特征 第4篇

新郑矿区位于郑州市南40 km处, 京广线西侧的新郑市城西部。北起大隗断层, 南至新庄断层, 东 (浅部) 自一1煤露头, 西止煤底板等高线一800 m, 走向长18 km, 倾向宽7～8 km, 矿区面积102.5 km2。矿区内主采煤层一1、二1煤, 煤炭资源储量丰富, 但是区内断层及灰岩普遍发育, 水文地质条件比较复杂。自1959年以来对矿区做了大量的地质勘查工作, 情况基本查明[1]。前人的研究成果对岩溶特征及富水性涉及较少, 仅就矿区内对煤层开采有直接影响的石炭系太原组灰岩岩溶特征及富水性作了分析, 略显不足[2,3]。全区灰岩地层较多, 岩溶发育, 富水性强, 含水层间水力联系密切, 文章从全区总体角度进行了论述。

2 矿区地层与构造

2.1 矿区地层

新郑矿区除西部有零星基岩露头外, 大部被第三、四系覆盖, 地层由老到新, 依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、新近系和第四系, 岩溶现象发育于寒武系长山组、奥陶系马家沟组、石炭系太原组, 地层地质特征简述如下。

寒武系 (∈) :根据钻孔揭露, 仅有上统长山组 (∈3ch) , 最大厚度为154.41 m。岩性为灰色白云质灰岩, 中下部含鲕粒, 厚层状, 局部夹泥质灰岩和灰、灰绿色钙质泥岩薄层, 含次生方解石脉和不规则溶洞。

奥陶系 (O) :区内仅见中统马家沟组 (O2m) , 厚25.33～79.95 m, 平均厚54.70 m, 岩性为灰、浅灰色灰岩、白云质灰岩, 含粉晶、微晶质结构, 厚层状, 下部夹砾屑灰岩, 砾径5～50 mm, 底部为灰、深灰及深绿色钙质泥岩、砂质泥岩及粘土质泥岩。与下伏地层假整合接触。

石炭系 (C) :区内发育本溪组 (C2b) 及太原组 (C3t) , 厚56.78～131.19 m, 平均厚85.97 m。

本溪组平均厚9.43 m, 灰、浅灰夹紫红色团块状铝土质泥岩, 偶含一0煤层。

太原组平均厚76.54 m, 下段以生物碎屑灰岩及泥岩、砂质泥岩和煤层为主, 所含四层灰岩 (L1-4) 之下对应一层煤 (一1-4) , 其中一1煤大部分可采;中段由深灰、浅灰色砂岩、泥岩、不稳定灰岩 (L5、L6) 及薄煤 (一5-7) 组成, 仅一5煤偶尔可采;上段由深灰色泥岩、灰岩 (L7-9) 、细粒砂岩和薄煤层 (一8-9) 组成。

2.2 矿区构造背景

矿区构造主要分为褶曲和断层如图1所示。

新郑矿区位于华北古板块豫皖断块嵩箕构造区, 新密向斜南翼东段, 地层走向以北西向为主, 倾向北东和南西, 东北部和南部因受构造影响, 走向转为北东, 倾向北西。基本构造形态是以北西向不对称宽缓复式褶曲为主, 其中滹沱背斜为矿区主体构造, 轴走向N60°W, 延伸长度约14 km, 已被钻孔及地震严密控制。区内伴生一系列呈阶梯状展布的北西和近东西向南升北降的正断层。构造对区内岩溶及地下流场变化起着控制作用。

3 岩溶发育规律

岩溶发育受岩性、构造和剥蚀面3个主要因素的控制[4,5,6]。本区构造复杂, 受多次构造运动的影响, 褶皱、断层发育, 构造对本区岩溶的控制作用尤为明显, 形成独特的规律性。

3.1 灰岩岩石成分控制岩溶发育

长山组岩性以白云质灰岩为主, Ca O含量13.20%～38.81%, Mg O含量9.56%～20.92%, SO3含量0.40%～4.06%, Si O2含量0.97%～35.34%, Al2O3含量0.51%～8.93%, Fe2O3含量0.32%～4.80%。

马家沟组岩性以灰岩、白云质灰岩为主, Ca O含量24.30%～54.98%, Mg O含量在0～1.94%及8.19%～19.26%两个阶段居多, SO3含量0.20%～6.97%, Si O2含量0.89%～8.42%, 局部高达35.17%。

太原组灰岩共9层, 溶洞主要发育层位是L1-2、L4、L7-8, 发育溶洞层位灰岩Ca O含量均在52%以上, Si O2、Al2O3、Fe2O3等残渣含量少, 可溶物含量高, 为岩溶发育奠定了物质基础。

3.2 褶曲构造控制岩溶发育

平面上, 褶曲构造对岩溶分布的控制十分明显。区内遇溶洞钻孔多半分布在背斜或向斜轴部, 或是轴线的弯曲处, 岩溶发育的展布方向与构造方向一致, 特别是滹沱背斜轴部。本区O2m和C3t灰岩遇溶洞或裂隙而涌、漏水的钻孔61个, 位于滹沱背斜轴部的18个钻孔, 有16个遇溶洞, 溶洞规模不等, C3tL3层位掉钻达3.5 m。

垂向上, 褶曲轴部裂隙、岩溶发育, 褶曲性质不同, 对岩溶发育深度影响也有所不同。背斜轴部溶洞发育标高较向斜轴部要小, 前者多在-200 m以浅, 后者大都在-200 m以深, 如表1所示。

3.3 断层构造控制岩溶发育

平面上, 岩溶主要发育在导水性能好的断层及其两侧裂隙发育带, 导水性能差或隔水断层附近岩溶不发育。如大隗断层南升北降, 使P2sh砂泥岩相对隔水层与O2m和C3t灰岩对接, 地下水横向上受北部隔水层影响运移不畅, 岩溶相对不发育, 下盘灰岩岩溶裂隙发育, 导水性较强, 形成水头压力大的纵向富水带。

垂向上, 断层为地下水提供通道, 在裂隙发育的深部, 水交替运动在深部仍可继续, 因此, 岩溶发育在深度上较一般地区要深。如能庄断层附近的2701和2802钻孔, 揭露的溶洞发育标高分别为-547.18 m和-498.39 m。

3.4 剥蚀面控制岩溶发育

这里主要分析对本区影响较大的新、古剥蚀面。

寒武系长山组白云质灰岩和奥陶系马家沟组灰岩, 都具有古剥蚀面, 古剥蚀带内保留古岩溶裂隙和溶洞。尤以马家沟组灰岩古岩溶发育, 在顶面一下10 m厚的范围内, 遇到这些裂隙和岩溶而发生涌、漏水, 溶洞高度0.15～3.00 m, 铝土质泥岩或粘土充填较多, 一定程度降低了其富水性;寒武系长山组白云质灰岩古剥蚀面厚度约20 m, 风化裂隙非常发育, 多见粘土充填, 富水性不佳, 局部见溶洞, 高达4 m。

矿区东南部各灰岩隐伏露头区, 第三、四系未覆盖之前, 风化作用影响, 新剥蚀面上现代岩溶也较发育。本区61个遇岩溶涌、漏水钻孔, 有5个位于隐伏露头区, 如表2所示。

4 岩溶富水性及煤层开采影响性分析

4.1 长山组白云质灰岩岩溶承压水

岩性下部为兰灰色、灰色隐晶质鲕粒灰岩, 致密块状, 上部为浅灰色至灰白色厚层状白云质灰岩, 夹深灰色泥质灰岩。该含水层大体沿滹沱背斜轴部地带埋藏深度400 m, 向北东方向逐渐增加到1 400 m, 向南西逐渐增加到100 m。以裂隙和溶孔为主, 溶洞较少, 主要发育于露头区、断裂带和滹沱背斜轴部。发育标高-164.58～-589.31 m, 涌水量0.006 L/s.m, 渗透系数0.009 02 m/d。另据超声成像解释, 大3孔于孔深432.90～444.80 m白云质灰岩中, 溶洞高达4 m, 漏水量8.58 m3/h。

该岩层组与O2m灰岩假整合接触, 接触面附近岩溶发育, 加之受构造断裂的影响, 水力联系密切, 对上部一1煤层开采有较大影响。

4.2 马家沟组灰岩岩溶裂隙承压水

岩性下部为灰至深灰色角砾状灰岩夹砂质泥岩和钙质泥岩, 上部为浅灰色至深灰色厚层状灰岩。该含水层在滹沱背斜轴部地带埋藏深350 m左右, 大体上自滹沱背斜轴向北东方向逐渐增加到1 300 m, 向南西逐渐增加到950 m。岩溶裂隙主要发育于断裂带、滹沱背斜轴部及露头带附近, 其标高-209.58～-542.71 m。溶洞高0.15～4.20 m, 多有铝土质泥岩或粘土充填。该含水层富水但不均匀, 主要富水地带为滹沱背斜轴部、露头风化带及断裂带上, 钻孔涌水量0.014 3～1.507 L/s.m, 渗透系数0.010 73～38.799 m/d。局部断裂带上形成脉状分布的温泉。

据本区大孔径抽水试验表明, O2m、C3tL1-4和C3tL7-8三个灰岩含水层, 在本区各地均有不同程度的水力联系。另外, 距主井近的观测孔水位下降小, 距主井远的观测孔水位下降大, 表明O2m灰岩岩溶发育不均匀, 水流各向异性的特征。

4.3 太原组下段L1-4灰岩岩溶裂隙承压水

由L1-4四层灰岩组成, 见夹薄层泥岩、砂质泥岩及薄煤。灰岩均厚18.79 m, L1-2灰岩常合为一层, 一般厚10～13 m, 有较大水文地质意义。该含水层在贾梁断层以东埋深450～1 250 m, 以西埋深300～900 m。溶洞主要发育在滹沱背斜轴部, 其次是断裂带上和灰岩隐伏露头处及附近, 溶洞发育标高-128.48～-440.43 m, 溶洞高度0.08～0.5 m, 最大达2.4～3.5 m, 涌水量1.007 7～4.72 L/s.m, 渗透系数10.20～36.016 m/d。局部断裂带上形成脉状分布的温泉。

该含水层为一1煤层顶板直接充水岩层, 同时又是二1煤层底板间接充水层, 其岩溶裂隙发育, 富水性较强, 对二1、一1煤层的开采, 都有较大的影响。

4.4 太原组上段L7-8灰岩岩溶裂隙承压水

由L7、L8两层灰岩组成, 灰岩为灰至深灰色, 厚层状。灰岩厚0～18 m, 均厚10 m左右。该含水层在贾梁断层以东埋深400～1 200 m, 以西250～850 m。岩溶裂隙和溶洞主要发育在滹沱背斜轴部、断裂带和灰岩隐伏露头处及附近, 溶洞发育标高-130.67～-316.08 m, 涌水量0.019～0.694 9 L/s.m, 渗透系数0.200 9～6.943 5 m/d。

大口径群孔抽水试验标明, 大体上东郭寺断层以北各时代含水层观测孔, 水位普遍有所下降, 其中滹沱背斜轴部地带地下水位下降尤为明显。例如C3tL1-4灰岩的403观测孔, 水位下降3.62 m, O2m灰岩的911、3011观测孔, 水文分别下降2 m和1.5 m, 表明这一带3个灰岩含水层之间水力联系甚为密切。

该含水层为二1煤层底板直接充水岩层, 对二1煤开采有直接的影响。

5 结论

新郑矿区水文地质条件复杂, 灰岩地层岩溶发生、发展及富水性受岩性、地质构造、接触面等多种因素的制约, 尤以断层、褶皱构造的控制作用最为明显, 形成独特的规律性。岩溶富水性复杂, 各岩溶裂隙承压水之间水力联系密切, 富水性强, 形成区内贾梁、双洎河、东土桥及欧阳寺断层束等较强导水富水层段, 滹沱背斜轴部地带北西-南东向导水富水带, 对矿区一1、二1煤等主要开采煤层均有较大或直接的影响。同时, 也为寻找矿区生活和工业用水提供主要方向。

参考文献

[1]河南省新密煤田新郑矿区水文地质及地温综合勘探报告[R].郑州:河南省煤田地质局一队, 1990

[2]牛志刚.新郑矿区太原群灰岩岩溶发育特征[J].煤田地质与勘探, 1985 (5) :41-42

[3]牛志刚.新郑矿区太原群石灰岩含水层之管见[J].煤田地质与勘探, 1989 (2)

[4]艾合买提江.阿不都热合曼, 钟建华, 李阳, 等.碳酸盐岩裂隙与岩溶作用研究[J].地质论评, 2008 (4)

[5]毛烨峰, 伍进.岩溶发育控制因素及发育规律浅析[J].西部探矿工程, 2009 (1) :80-82

富水性特征 第5篇

本文以某矿6105掘进工作面为例, 对矿井水文地质条件进行分析。本着“有疑必探, 先探后掘”的原则, 对工作面前方煤岩的富水性进行物探研究。

1 工程概况

6号煤层是某矿的主采煤层, 煤层位于石炭系上统太原组上部, 除井田南部被剥蚀外, 全井田均有赋存, 结构简单, 含夹矸0~2层, 煤厚1.04m~9.20m, 平均4.10m, 顶板岩性为灰白色中粒砂岩, 底板岩性为灰黑色砂质泥岩, 属稳定煤层。其中6105工作面为一单斜构造, 煤岩倾向为298°, 走向为28°, 倾角为3°~10°, 近水平煤层。本工作面地质构造较简单, 从三维地震资料看, 工作面局部有一砂岩冲刷带和九条正断层。

从矿井水文地质资料中可以发现, 矿井主要充水因素主要有以下几个方面:地表水和大气降水、顶板砂岩水、奥灰岩溶水及采空区和废弃巷道积水。分析认为随着巷道掘进, 顶板裂隙将可能沟通上部采空区, 采空区积水及顶板裂隙水将渗入6105工作面, 对安全生产造成影响。为进一步探究工作面前方煤岩层的富水情况, 采用物探技术进行超前探测。

2 物探仪器选择及测点布置

2.1 仪器选择

探测仪器采用澳大利亚Monash Geo Scope公司最新的专业瞬变电磁探测仪terra TEM。该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点, 数据采集由微机控制, 自动记录和存储, 应用USB接口实现数据回放。

矿井瞬变电磁超前探测是在地面瞬变电磁法基础上发展而来的, 其原理基本相同。主要不同点是, 矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行, 瞬变电磁场呈全空间分布, 全空间效应是矿井瞬变电磁法固有的问题。煤层一般情况下为高阻介质, 电磁波易于通过, 所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性, 故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时, 需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。

2.2 测点布置

该次瞬变电磁探测测点布置于6105工作面切眼进尺180m迎头位置处。测点布置方法如图1所示, 图中箭头方向即为线框平面法线方向。根据多匝小线框发射电磁场的方向性, 可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此, 其发射接收线框法线方向所对方向即为探测方向, 同理, 将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测, 就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常。

3 探测结果分析

本次探测利用多方向探测法从而形成一个完整的探测区域。将实测资料进行去噪、滤波, 然后进行反演后, 即可绘制视电阻率等值线扇形断面图。根据各个方向测线所得视电阻率等值线断面图, 对扇形断面进行分析, 主要对测线内可能存在的含水构造等地质异常区进行分析解释。最后结合实际地质资料, 确定巷道前方断层对应位置是否存在含水异常区。

3.1 扇形图分析

成果图为每一方向的视电阻率等值线扇形断面图, 图中下端横坐标0点位置为测点布置位置, 横坐标表示距测点位置的距离 (单位:m) ;纵坐标为该探测方向的探测深度 (单位:m) , 图中等值线为视电阻率值, 图2为按顺层方向进行分析。

经过分析视电阻率等值线成果图, 按照相对原则顺层方向选用视电阻率20作为低阻异常区划分阈值, 即视电阻率值小于所选阈值划为相对异常区, 在视电阻率等值线断面图中用红色等值线圈出。图上可以得出, 该探测方向存在四处小于20的相对低阻区域, 分别命名为E、F、G、H相对低阻异常区。

3.2 探测成果综合分析

扇形图分析结果显示, 巷道前方顺层方向存在4处相对低阻异常区为描述异常区位置, 以探测位置为原点, 两帮为X方向 (左帮为负, 右帮为正) , 巷道掘进方向为Y方向建立坐标系。其中:

顺层E相对低阻异常区位于巷道掘进左侧, 位于X:-72m~-100m, Y:0~64m区域内, 该异常区低阻范围较小, 低阻强度弱, 相对富水性评价为弱, 在顺层探测方向有低阻反映。

顺层F相对低阻异常区位于巷道掘进前方, 位于X:-13m~24m, Y:31m~51m区域内, 该异常区低阻范围较小, 低阻强度弱, 相对富水性评价为弱, 在顺层探测方向有低阻反映。

顺层G相对低阻异常区位于巷道掘进方向右前方, 位于X:42m~55m, Y:72m~89m区域内, 该异常区低阻范围较小, 低阻强度弱, 相对富水性评价为弱, 在顺层探测方向有低阻反映。

顺层H相对低阻异常区位于巷道掘进方向右侧, 位于X:59m~100m, Y:0~58m区域内, 该异常区低阻范围中等, 低阻强度弱, 相对富水性评价为弱, 在顺层探测方向有低阻反映。

以上E、F、G、H区域视电阻率值偏低, 在掘进过程中需要特别注意。

4 结论

井下瞬变电磁探测法超前探测技术具有施工方便、对施工空间要求不高、效率高等优点。通过对6105工作面切眼迎头位置顺层视电阻率等值线进行分析可以得出, 6105工作面富水区E、F、G、H区域视电阻率值偏低, 在掘进过程中需要特别注意, 探测成果可保障掘进正常进行, 指导矿井安全生产。

摘要：煤矿巷道掘进过程中的富水性探测关系到煤矿的安全开采。本文以某矿6105掘进工作面为例, 选择terra TEM瞬变电磁探测仪对工作面附近富水性进行超前探测, 并对探测成果进行分析, 找出了工作面附近的富水区域。结果表明:6105工作面切眼迎头位置顺层有四个区域 (E、F、G、H区域) 的视电阻率低于异常区划分阈值, 富水可能性比较大, 掘进过程中应特别注意。

关键词：瞬变电磁探测仪,物探,富水性

参考文献

[1]石学锋, 韩德品.直流电阻率法在煤矿巷道超前探测中的应用[J].煤矿安全, 2012, 43 (05) :104-107.

[2]邵雁, 等.综合物探技术在煤矿岩巷掘进超前探测岩溶中的应用[J].矿业安全与环保, 2007, 34:25-28.

富水性特征 第6篇

煤炭在我国能源结构中占有重要地位, 是国民经济的支柱产业, 在未来我国经济发展中仍占主导地位。据统计, 自20世纪50年代初至今, 我国已经开采煤炭资源360多亿吨[1,2]。上组煤炭资源已趋于殆尽, 煤矿企业不得不向深部延伸, 而深部开采不得不面临高承压水的威胁, 存在带压开采[3]。

目前对于带压开采煤层采用的主要方法是煤层底板注浆加固改造技术, 煤层底板注浆加固改造技术是沿着工作面巷道布置钻场, 进行注浆钻孔施工, 通过注浆钻孔充填、封堵含水层的岩溶裂隙和底板隔水层导水裂隙[4], 从而大大减弱含水层的富水性并切断补给水源, 把含水层改造成不含水层或隔水层, 而注浆加固改造的前提是明确底板构造以及富水特征, 为注浆钻孔的布置提供基础参数[5]。

对于煤层底板构造及富水性的研究, 杨建增[6]等采用音频电透、瞬变电磁、直流电法、地质雷达等技术对巷道以及工作面采掘前方和顶底板的富水异常区进行了探测, 并评价了各个方法的优点以及适用条件;邵雁[7]等采用地质超前探测仪与探地雷达仪综合物探技术对煤矿岩巷掘进中的岩溶情况进行了探测, 通过探测知采用综合物探手段在煤矿岩巷掘进超前探测岩溶可以达到仅采用一种物探手段而不能达到的效果;李萍[8]等采用瑞丽波和直流电法对七台河以及平顶山等煤矿进行了应用, 分析了煤矿井下超前地质预测的潜力, 提出了煤矿井下超前探测技术的发展方向;郝治国[9]等采用瞬变电磁法对采空区以及异常区进行了探测, 对采用三维地震勘探技术进行验证, 通过上述方法的系统应用, 不但实现了对煤炭资源的精细勘查和采空区及其积水量的重点探测, 同时还有效降低了井下超前钻探的工作量;杨武洋[10]采用可控音频大地电磁法和电磁波法对陷落柱的富水性进行了探查, 研究表明, 地层电阻率的大小与富水程度具有一定相关性, 为煤矿陷落柱的探查提供了一种新的综合物探技术。

以上学者的研究主要是通过综合物探技术对煤矿构造以及富水特性进行了探查, 而缺少钻探验证, 从而使得到的数据真实性大打折扣, 而根据煤矿防治水规程中应以物探先行、钻孔验证的综合探测原则。本文以霍州煤电汾源煤业某矿为试验矿井, 利用井下瞬变电磁和直流电法技术探测工作面煤层底板90m范围内岩层赋水姓情况并采用无线电波透视技术探查工作面范围内较大的阴阜陷落柱、断层和薄煤带等地质异常体赋存情况, 并采用钻探技术进行验证, 为矿上设计和安排底板注浆等防治水工程、预防水害事故的发生以及工作面的安全回采提供参考依据。

1 工程概况及探测仪器

1.1 工程概况

霍州煤电汾源煤业某矿设计生产能力1.2Mt/a, 主采5#煤层, 平均煤厚10.0m, 煤层平均倾角32°, 采用综合机械化放顶煤开采, 煤层与底板奥灰平均距离为65m (奥灰平均水压为2.8MPa) , 属于带压开采煤层, 5-101工作面为该矿首采区首采工作面, 作为本次物探试验工作面, 工作面底板标高+1220~+1299m。, 地面标高+1560~+1670m, 物探段工作面走向长约550m、倾斜宽约105m, 工作面情况如图1所示。

1.2 探测仪器

1.2.1 瞬变电磁

瞬变电磁技术是利用不连接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场, 从而探测介质电阻率的一种方法, 探测原理图如图2所示。

二次涡流场表现特征与地下介质电性有关。同类型岩层相比, 岩层完整时视电阻率值相对较高, 反之相对较低。视电阻率值较高区域引起的涡流场较弱, 反之较强, 通过观测二次涡流场大小了解地下介质的电阻率分布情况, 进而判断地层岩性、赋水性和构造等特征。

探测设备采用加拿大GEONICS公司生产的公司生产的最新式PROTEM+TEM-47 (增强型) 瞬变电磁仪, 仪器探测精度高, 盲区小, 抗干扰能力强的特点。

1.2.2 直流电法

直流电法探测技术是以煤岩层以及富水性的导电性差异为基础, 通过人为向被测体提供稳定电流, 观测大地电流场分布, 从而判定其赋水性的分布规律直流电法工作布置方式有多种, 本次探测采用对称四极测深法 (如图3所示) , 本次直流电法勘探采用中煤科工集团西安研究院研制生产的YDZ (A) 型防爆数字直流电法仪, 其具有抗干扰能力强, 自动化程度高的特点。

1.2.3 无线电波透视技术

该技术是基于电磁波在地下介质中传播时的差异性衰减特征来判断介质特性, 电磁波透视法原理见图4。由于各种煤岩体的电性 (电阻率和介质常数) 不同, 对电磁波能量的吸收度也不同, 通过两条相对巷道分别放置发射机和接收机对工作面进行CT扫描, 能量衰减快慢的差异将形成异常阴影区, 分析异常区范围以及强弱等综合判断工作面内部存在的破碎带等异常体。

2 底板构造及富水性探测研究

2.1 瞬变电磁探测研究

本次采用偶极装置进行工作, 偶极距为10m, 如图5 (a) 所示, 探测方向如图5 (b) 所示, 线圈轴线指向探测方向, α为探测方向与水平方向夹角, 分别在5-1011巷内垂直底板方向和工作面里帮30°斜下方以及5-1012巷内垂直底板方向和工作面里帮60°斜下方四个方向进行探测, 在上下两条巷道各自布置55个物理点, 共计258个物理点 (复测查稳点) 。

瞬变电磁资料处理采用世界上最新开发成功的全空间瞬变电磁数据处理软件GOTEM, 它是将每条巷道探测的原始二次涡流磁场值数据由接收机自动传入计算机后, 在GOTEM中按顺序通过多种校正和特殊变换, 再经过正、反演计算, 得出地层的视电阻率值并进行时间与距离的转换, 根据全空间视电阻率值并结合探测距离、探测方向、地层倾角等多种物探、水文地质因素, 采用专用高分辨电阻率成像方法, 即得到瞬变电磁勘探视电阻率断面图。数据图如图6所示。

本次瞬变电磁勘探盲区约为15m。以视电阻率值小于3的区域为相对低阻异常区。

由图6知:勘探范围内, 5-1011底板附近偏向工作面内部区域存在三个相对低阻异常区, 分别记为XX1、XX2、XX3, 位于切眼往外0~223m、298~360m、417~441m段, 各低阻区与巷道底板最小垂距分别约为37m、55m、85m (对应垂距分别约为19m、28m、43m) , 其中, XX1低阻区范围最大, 导高相对较大, 低阻区内部不均匀、存在部分视电阻率值较小区域, 工作面回采时低阻区附近发生底板突水的可能性较大;XX2低阻区范围中等, 导高中等, 低阻区内部不均匀、存在部分视电阻率值较小区域, 回采时低阻区附近也易发生底板渗、出水的可能性;XX3低阻区范围较小, 导高较小, 工作面回采时低阻区附近不会发生底板突水。

2.2 直流电法探测研究

本次采用的对称四级测探法, 共计完成测线长1100 m、测站42个、物理点672个, 最大极距64 m。

资料处理:井下采集的各巷道直流电法原始数据经专用井下直流电法处理软件进行全半空间校正、异常点剔除、干扰修正等多个过程处理后得出多种成果数据, 依据成果数据利用专用软件绘制出多种成果图件。

资料解释:根据直流电法勘探视电阻率断面图, 观测巷道附近各区域地层相对高、低阻电性分布情况, 结合巷道内干扰情况及巷道附近水文地质资料, 判断探测范围内岩层赋水性的纵、横向分布信息, 找出富、导水区域和导高等, 得出直流电法勘探解释结论, 数据图如图7所示。

本次直流电法勘探以视电阻率值小于30的区域为相对低阻异常区。

由图7 (a) 知:勘探范围内, 5-1011巷底板附近存在三个低阻异常区, 由里往外依次标记为DX1、DX2、DX3, 分别位于切眼往外0~258m、293~407m、470~515m三段, 低阻区与巷道底板最小距离分别约为0m、3m、41m。其中, DX1低阻区范围很大, 导高较大, 部分区段往深部延伸, 低阻区内部不均匀、存在部分视电阻率值较小区域。工作面回采时, 低阻区附近发生底板突水的可能性较大;DX2低阻区范围较大, 导高较大, 少部分区段往深部延伸, 低阻区内部不均匀、存在部分视电阻率值较小区域。工作面回采时, 低阻区附近发生底板突水的可能性较大;DX3低阻区范围较小, 导高中等, 工作面回采时, 低阻区附近不排除发生底板渗、出水的可能性。

由图7 (b) 知:勘探范围内, 5-1012巷底板附近存在三个低阻异常区, 由里往外依次标记为DS1、DS2、DS3, 分别位于切眼往外0~125m、172~255m、270~330m, 低阻区与巷道底板最小距离分别为2m、1m、0m。其中, DS1低阻区范围与导高较大, 部分区段延伸到深部, 同时低阻区内部分布不均匀、存在视电阻率值较小区域。工作面回采时, 低阻区附近发生底板突水的可能性较大;DS2低阻区范围较大, 导高较大, 少部分区段往深部延伸, 低阻区内部不均匀、存在部分视电阻率值较小区域。工作面回采时, 低阻区附近发生底板突水的可能性较大;DS3低阻区范围较小, 位于浅层、往深部延伸较少, 可能主要系巷道底板潮湿或积水引起, 工作面回采时, 低阻区附近不会发生底板出水。

2.3 无线电波透视研究

无线电波透视勘探采用透射CT扫描交绘法, 工作频率为1.5MHz, 发射点距30m, 接收点距10m, 每个发射点对应接收点数为11~15个, 5-101工作面无线电波透视探测时, 5-1011巷自切眼开始由里往外按10m间隔标记点号, 即井下实际位置0m、10 m、20 m……520m、530 m处对应标记为0、1、2……52、53号点, 资料处理时再统一上浮500号, 点号标记范围为500~553号, 共布置了19个发射点、接收点54个。

无线电波透视资料处理采用中煤科工集团重庆研究院研制的专用坑透资料处理软件系统WKTCT, 经数据传输、编辑、巷道绘制、测点布置、CT多重计算、参数校验、编辑成图等多个步骤, 最终得到无线电波透视CT扫描成果图。

无线电波透视资料解释主要是依据无线电波透视CT扫描成果图并考虑原始数据、干扰情况及工作面附近水文地质等资料, 综合分析判断出工作面内部具有一定规模的地质异常体如隐伏断裂构造带、陷落柱、薄煤带等信息, 坑头数据图如图8所示。

由坑头数据图可知:勘探范围内存在两个大范围无线电波透视异常区, 分别标记为K1、K2, 分布在工作面里段和中里段:

坑透异常区K1, 位于5-1011巷切眼向外10~120m段与5-1012巷切眼向外0~120m段连线所圈范围附近, 贯穿工作面, 是坑透勘探范围最大异常区。该区电磁波能量衰减强烈、异常幅值很高, 内部较不均匀, 主要系多条小角度5m以上落差断裂破碎带 (KF1断层落差H>1/2煤厚、KF2断层落差H>煤厚, KF1和KF2分别对应巷道已经揭露的F6和F5断层) 和大范围煤层变薄区 (薄煤带) 的综合反映, 不排除存在有 (隐伏) 陷落柱, 尤其注意图中粗绿色线 (电磁波能量强烈衰减集中区) 所圈区域, 该坑透异常区对工作面安全顺利回采影响较大。

坑透异常区K2, 位于5-1011巷切眼往外140~230m段与5-1012巷切眼往外170~250m段连线所圈范围附近, 贯穿工作面, 是坑透范围次大的异常区。该区电磁波能量衰减强烈、异常幅值很高, 内部较不均匀, 主要系多条小角度5m以上落差断裂破碎带 (KF3断层落差H>煤厚、KF4断层落差H>煤厚, KF3对应巷道已经揭露的F3+F4断层, KF4为坑透新发现的隐伏断层) 和大范围煤层变薄区 (薄煤带) 的综合反映, 不排除存在有 (隐伏) 陷落柱, 尤其注意图中粗线 (电磁波能量强烈衰减集中区) 所圈区域。该坑透异常区对工作面安全顺利回采影响也较大。

3 物探综合研究

本次矿井物探选用了瞬变电磁、直流电法和无线电波透视三种技术相互配合并综合对比进行解释, 查明了5-101工作面煤层底板90m范围内岩层赋水性情况以及煤层内部可能存在的具有一定规模的隐伏陷落柱、断层、薄煤带等地质异常体赋存状况。

3.1 煤层底板岩层赋水性

煤层底板岩层赋水性综合物探结论以瞬变电磁和直流电法两种勘探结果为基础, 相互对比、综合分析得出, 如图9工作面综合物探煤层底板岩层低阻异常区平面图所示。

由图9可知:根据奥陶系灰岩至5#煤间的岩层多段松软、破碎, 泥岩所占比例过大、抵御底板奥灰水压的骨架刚性岩层力量不够, 并结合相似水文地质条件矿区的物探经验确定选取40m、50m、65m三个深度切片, Z1;Z2、Z5;Z4、Z6区域分别显示的是5-101工作面煤层底板下方40m (发生底板突水可能性较大的切片) 、50m (不排除发生底板渗、出水可能性的切片) 、65m (存在于深部不会发生底板突水的切片) 处岩层低阻区平面分布状况。

可以看出, 5-101工作面底板岩层共有6个低阻异常区, 由里往外依次编号为Z1~Z6, 分布于工作面里、中、外段。较大范围低阻异常区主要分布于工作面里段。其中, Z1低阻异常区范围很大, 导高较大, 工作面回采时附近区域发生底板突水的可能性较大, 对工作面安全回采存在较大影响;Z2、Z5两个低阻异常区范围中等或较小, 导高中等, 工作面回采时附近区域不排除发生底板渗、出水的可能性;Z3、Z4、Z6三个低阻异常区均范围较小、导高较小, 工作面回采时附近区域不会发生底板突水。

3.2 煤层底板岩层赋水性

煤层内部地质异常体分布状况由无线电波透视勘探得出, 如图10工作面综合物探煤层地质异常体平面图所示。

由图10可知:5-101工作面煤层内部存在多个无线电波透视异常区 (图中深色阴影区域) , 异常区主要系由5m以上落差断裂破碎带和薄煤带发育区引起, 不排除发育有陷落柱等地质异常体, 尤其图中粗线 (电磁波能量强烈衰减集中区) 所圈区域。两个坑透异常区均范围很大, 对工作面安全顺利回采影响较大, 要引起足够重视。

4 钻探验证

根据物探成果图和突水危险性区域分布, 在工作面布置了四个验证钻孔, 2#钻孔在钻进37m和79m处分别出水4m3/h和22m3/h, 钻孔剖面图如图11所示 (篇幅有限, 仅列出2#钻孔剖面图) , 1#钻孔在钻进39m处涌水量为8.6m3/h, 3#钻孔从14.6~38.7m有水涌出, 最大为26.8m3/h, 4#钻孔打进90m, 有极少量水流出。同时在无线电波透视异常 (阴影) 区, KF1、KF2、KF3断层在巷道掘进时已被揭露证实, 且由钻孔出水情况可推算出KF1、KF2、KF3断层以及KF4隐伏断层附近存在富水区, 可能是断层导水。综上可知, 物探结果还是比较可靠的, 对工作面安全开采具有指导意义。

5 结论

1) 采用瞬变电磁分析结果, 得出工作面底板存在三个低电阻异常区, 且低电阻异常区与巷道底板最小垂距为19m, 存在开采底板突水危险。

2) 采用直流电法分析结果, 得出5-1011与5-1012巷道底板均存在3个低电阻异常区, 且低电阻异常区与巷道底板最小距离为0m, 存在开采底板突水危险。

3) 采用无线电透视分析结果, 得出勘探范围内存在两个大范围无线电波透视异常区, 异常区电磁波能量衰减强烈、异常幅值很高, 内部较不均匀, 且有隐伏陷落柱存在的可能。

4) 综合瞬变电磁和直流电法探测结果, 得出工作面煤层底板下方40m处存在突水较大的切片, 50m处存在出水的切片, 且工作面底板存在六个低阻异常区, 且其中存在突水的低阻异常区。

摘要：物探技术对于煤矿水灾害防治具有重要作用。以霍州煤电汾源煤业某矿井为试验矿井, 采用瞬变电磁、直流电法、无线电透视技术对煤层底板构造及富水性进行综合性探测, 并对底板突水性进行了分析。研究结果表明:采用瞬变电磁, 得出工作面底板存在三个低电阻异常区, 且与巷道底板最小垂距为19m;采用直流电法, 得出两巷道底板均存在三个低电阻异常区, 且与巷道底板最小距离为0m;采用无线电透视, 得出勘探范围内存在两个异常区, 且电磁波能量衰减强烈、异常幅值很高, 分布不均匀。

关键词：水文地质,综合物探,富水性,构造

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富水性特征 第7篇

1 工作面概况

鹤煤公司十矿1310底板抽放巷位于13采区南翼中部, 巷道布置在二1煤层与太原群八层灰岩 (C3L8) 之间的泥岩、砂质泥岩地层中。巷道设计工程量620 m, 断面为3.6 m×3.6 m, 采用锚网喷联合支护形式。2013年1月, 1310底板抽放巷掘进过程中连续揭露3条断层, 将位于巷道底板下的C3L8灰岩含水层抬升到巷道顶板以上。2013年2月初, 巷道掘进面出水, 水量为4 m3/h, 随后水量不断增大, 取水样化验为C3L8灰岩水。分析认为, 该地区受断层影响, 岩性破碎, C3L8灰岩裂隙发育, 且该地区C3L8灰岩含水层未进行过疏放, 含水层富水性较强。

该区地质及水文地质条件复杂 (图1) 。巷道掘进接近F1067断层, 该断层倾角70°, 落差0~110 m, 受该断层影响伴生小断层较多, 特别是受伴生的F1310-3断层 (320°, ∠44°, H=25 m) 影响, 该地区岩性破碎, C3L8灰岩裂隙发育, 富水性相对丰富。巷道掘进主要含水层有: (1) 底板砂岩含水层。二叠系下统山西组二1煤底板砂岩含水层 (S9) 是工作面回采期间直接充水含水层, 也是巷道掘进中的主要充水含水层。位于二1煤下方2.5~22.0 m, 主要为中粒砂岩, 因其补给条件差, 水储量较小, 对巷道掘进影响较小, 一般通过滴淋水形式向巷道充水。 (2) C3L8灰岩含水层。石炭系中统太原群八层灰岩 (C3L8) 含水层为工作面回采期间的间接充水含水层, 也是巷道掘进中的主要充水含水层。该地区C3L8灰岩含水层厚约5 m, 位于二1煤下30~35 m, 平均33m, 一般位于巷道底板岩层中, 但受掘进期间揭露断层影响, 该含水层抬升至巷道顶板以上, 且灰岩裂隙发育, 富水性相对丰富。

2 瞬变电磁技术原理

瞬变电磁技术是利用不接地回线或接地电极向地下发射一次脉冲电磁场, 用线圈或接地极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间、时间分布, 该二次场的空间、时间分布规律与地下地质体有关, 根据二次场衰减曲线的特征, 就可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。当发射线圈中电流突然断开后, 根据电磁感应理论, 地下介质中就会激发二次感应涡流场以维持电流断开前存在的磁场 (图2) 。二次涡流场呈多个向下、向外扩散的“烟圈”, 其强度与地下介质的电性有关。岩层完整时视电阻率相对较高, 引起的涡流场较弱;而岩层破碎, 尤其是富水性较强时, 视电阻率较低, 引起的涡流场较强。所以通过观测二次涡流场分布特征, 就可以了解地下介质的视电阻率分布情况, 进而判断岩性、富水性和构造等特征[5,6,7,8]。

3 实施方案

此次富水性探测采用的设备是YCS40 (A) 型矿用瞬变电磁仪, 发射线圈和接收线圈重叠, 两线圈轴线指向目标体, 发射和接收线圈均为2 m×2 m的多匝矩形回线。探测方向以掘进正前为0°方向, 分为左60°、左30°、正前0°、右30°、右60°五个方位角, 每个方位角在垂直方向上又分为上45°、上30°、正前0°、下30°、下45°五个倾角进行多方位立体探测。共完成探测物理点5个, 接收数据25组。

4 资料解释

资料解释时, 主要依据视电阻率等值线断面图上视电阻率的相对大小与分布范围、含水体的赋存特点、区域水文地质条件以及以往瞬变电磁探测经验来圈定富水异常区, 仅能对异常区的空间位置以及富水性进行相对定性分析评价。视电阻率断面图中视电阻率越小, 表示此处可能富水性越强。由图3可以看出, 在掘进面斜向上30°方向, 35 m以外区域, 视电阻率呈相对低阻异常反应;掘进面斜向上45°方向, 巷道偏左位置, 36 m以外区域, 视电阻率呈相对低阻异常反应。推测这2处低阻异常区内岩层富水性相对丰富, 结合地质资料分析, 可能存在较为发育的导水裂隙通道。

5 资料验证

为了进一步查清出水水源, 验证瞬变电磁超前探测结果, 在掘进面进行超前钻探。按照设计共施工3个钻孔, 全部穿过C3L8灰岩。钻探施工期间, +55°、+37°两个钻孔见C3L8灰岩后出水, 水质清澈, 无异味, 水温20℃, 水量约13 m3/h, 随后水量逐渐增至32 m3/h, 取水样化验分析为C3L8灰岩水。

由于该地区地质及水文地质条件复杂, 巷道顶板岩性破碎, 涌水量较大, 为保证安全, 及时对该地区巷道设计进行修改, 决定停止巷道掘进, 观察巷道涌水。随后随着涌水对裂隙的冲刷作用, 巷道涌水量不断增大, 一度达到75 m3/h, 证明掘进前方受断层影响, 顶板方向上岩性破碎、C3L8灰岩裂隙发育, 岩层富水性较强, 与瞬变电磁探测结果吻合。

6 结语

利用瞬变电磁法对鹤煤十矿1310底板抽放巷掘进前方水文地质条件及富水性情况进行探测, 取得了较好效果。探测结果显示巷道掘进前方斜向上范围内存在富水异常, 结合超前钻探资料及涌水量观测资料, 证实巷道掘进前方受断层影响, 顶板方向上岩性破碎、C3L8灰岩裂隙发育, 岩层富水性较强, 表明瞬变电磁法对巷道前方富水性探测效果较好, 可以准确预报巷道掘进前方的富水性异常, 保证巷道的安全、快速掘进, 避免水害事故的发生, 确保煤矿安全生产。

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富水性特征 第8篇

断层、矿井水是煤矿生产中经常遇到的地质问题,严重威胁着煤矿的安全生产,在煤矿生产之前查明整个采区的复杂地质构造及其水文地质情况(含水、涌水通道及富水区等),对于采取切实可行的防治水措施保证安全回采具有十分重要的意义[1]。目前煤矿采区勘探主要采用高精度三维地震勘探,它可以解决落差大于等于5 m的断层和幅度大于5 m的褶曲、半径大于30 m的陷落柱、煤层宏观结构如分叉合并、岩浆岩侵入情况、河道冲刷以及煤层顶底板的起伏形态等问题,对于煤矿采区合理布置工作面提供可靠的依据,但是对于顶底板的含水情况却无能为力[2]。而瞬变电磁法由于仪器轻便、施工效率高、勘探深度大、抗干扰能力强、分辨力高等优点,目前广泛应用于工程勘察等方面,正逐步应用于煤矿采区勘探。本文将结合应用实例,较为全面地阐述煤矿采区瞬变电磁法的方法原理与施工技术。

1 TEM基本工作原理

瞬变电磁法利用不接地回线或接地电极向地下发送一次电磁场,在一次电磁场的发射间歇,用接收线圈观测由地下良导地质体感应产生的二次涡旋电磁场,通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征,来解决诸如寻找地下矿产、探测地质构造、划分地下富水区等地质问题[3]。由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点,因此,最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的,在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移,地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散,其强度逐渐减弱,分布趋于均匀。研究结果表明,任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时,该环状线电流紧挨发射回线,与发射回线具有相同的形状。随着时间推移,该电流环向下、向外扩散,并逐渐变为圆电流环。等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”,因此,将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”[4]。

2 TEM施工方法技术

2.1 装置形式及基本参数的选择

瞬变电磁法的测量装置由发射回线和接收回线两部分组成,常用的地面测量装置有三种:(1)同点回线装置。根据发射线圈与接收线圈的相互位置不同,又可分为重叠回线和中心回线两种装置形式装置。(2)分离回线装置,也称偶极装置。发射回线和接收回线保持一定的距离,两回线的尺寸可以相同,也可以不同。(3)框-回线装置,也称大回线定源装置。发射回线采用边长数百米的矩形回线,在回线内外布置测线,用小型线圈或探头沿测线观测。

通过装置形式试验,如表1所示。综合对比不同装置形式,决定采用如下装置形式及参数:装置为重叠回线,300 m×300 m;发送频率为2.5 Hz;供电电流大于10 A;迭加次数:200次。

2.2 测网布置及施工过程

按设计要求共布设30条测线,测网为80 m×80 m,在主要断层F8附近加密成80 m×40 m的网度,一般每条测线加密3个点。本次电法工作是在地震施工后进行的,布设的电法测线、测点与地震测线及检波点位重合,地震测点间距的精度高于电法勘探的点距误差(±1%)、测线方向误差(±5°)的要求。线圈的铺设,由测量人员根据地震测网用米尺来确定各角点的位置,误差在5%以内;点、线号编录与地震测点相同,线号以独立坐标的纵坐标数除以10,点号为横坐标数(单位为m),电法的记录点为回线的中心位置。

3 TEM应用实例分析

山东某矿区勘探面积2.7 km2,地层自下而上分别为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系和第四系,3下煤层埋深一般在530~730 m,平均厚度3~6 m,是本区主采煤层,由于3下煤层顶板100 m以内的岩层在冒裂带之内,其含水性对采煤工程有较大影响。瞬变电磁法勘探的目的任务是:查明3下煤层顶板上100 m内岩层的赋水区域及大于50 m规模富水体的空间分布范围,尽可能解释出30 m左右的富水区,富水区域水平摆动范围在30 m左右。

瞬变电磁法勘探成果的资料解释以测区物性差异为前提,并结合地质及其他物探成果。资料的定性分析和解释是资料解释中最重要和最基本的部分,定量解释在定性解释的基础上进行。采区瞬变电磁测深资料的解释步骤主要是,首先根据实测电位衰减时间响应曲线换算成视电阻率的时间曲线,由于采区水文勘探要求目的层较深,一般可采用晚期场定义的视电阻率公式计算,若考虑浅部目标,则应采用全区视电阻率公式计算;其次,进行时深转换,将ρτ(t)曲线反演转换成ρτ(h)曲线。在此基础上,制作各种图件,如视电阻率断面图、视电阻率平面图等;最后,应用各类图件进行含水区的解释[4]。

3.1 ρτ深度拟断面图的特征及分析

在不考虑局部异常的情况下,在300 m深度以下,等值线表现为中间阻值低两侧阻值高成“凹”字形,在F8处为台阶式的上下错动,西侧向上错动,东侧向下错动,断层两侧等值线具有明显的落差,图1是170线ρτ深度拟断面图,其特征较为明显,由图中可见拐折点在1000~1120号点之间,它反映了断裂的位置及形态。其原因是:同时期的地层在东侧埋深大,西侧埋深小,而电阻率值是与岩性相对应的,因此等值线形成上下错动。受断层影响附近次级构造、裂隙较为发育,具有富水性使其阻值降低。F8断层有明显的瞬变电磁异常反映,根据瞬变电磁法异常推断断层的位置及产状特征与地震资料确定的位置产状基本吻合,是产状较陡、落差较大的断层,控制了两侧地层的分布,沿F8断层在平面上形成串珠状低阻异常分布,南部和北部低阻异常较发育。在ρτ拟断面图上表现为漏斗状低阻异常,宽度一般从断裂带向两侧延伸200~300 m,低阻带深度一般延深至3下煤附近。说明断裂两侧裂隙相对发育,具有一定的含水性。

3.2 3下煤层顶板岩层赋水性评价

测区内3下煤层顶板砂岩发育,根据钻孔资料统计,砂岩总体平均厚33 m,最小厚度为18.4 m,最大厚度为60.56 m,并且砂岩完整性好,局部发育裂隙,多被方解石充填。因此,在正常情况下3下煤层顶板砂岩富水性较弱。图2为北部采区3下煤层顶板往上80 mρτ等值线平面图,从图中可以看出四个富水区域,分布于192~234线的680~1240号点之间,由A1、A2、A3、B四个异常组成,异常总面积约9万m2,所反映的富水体呈漏斗状或山峰状,延深较大。平面富水区范围分别为120 m×100 m、250 m×120 m、150 m×100 m和120 m×70 m。因受F8断层的影响,由ρτ深度拟断面图可以较清楚的看出它们之间的水力联系。由钻孔资料可知,F8断层上升盘、3下煤层下降盘距侏罗系底界面高度小于50 m,距侏罗系下部的砾岩含水层距离约100 m。因此,该异常区具有较好的导水条件、补给条件和富水条件。

4 结论

根据要解决的地质任务选择合理的瞬变电磁工作装置和参数,加上瞬变电磁法的勘探深度大、抗干扰能力强、垂向分层能力高,主要电性分界面特征明显、规律性强,对富水性断层具有明显的电性响应等特点,可以得到的精确的煤层顶板富水性地质资料。本次勘探结果效果明显符合水文地质规律,而且瞬变电磁法可以大大提高工作效率,可以作为今后煤田水文地质勘探的有效手段,可为煤矿生产防治水工作提供可靠的地质资料,对煤矿安全生产具有良好的效果。

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