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1、煤矿水文地质勘探 煤炭科学研究总院西安研究院王新研究员 煤矿水文地质勘探 一 煤矿水文地质勘探的概念与特征二 煤矿水文地质勘探规范三 煤矿水文地质勘探设计四 煤矿水文地质勘探方法与手段五 煤矿水文地质勘探成果六 煤矿水文地质勘探新技术七 焦煤集团矿井水文地质补充勘探状况 一 煤矿水文地质勘探的概念与特征 地质勘探定义 是在对矿产普查中发现有工业意义的矿床 为查明矿产的质和量 以及开采利用的技术条件 提供矿山建设设计所需要的矿产储量和地质资料 对一定地区内的岩石 地层 构造 矿产 水文 地貌等地质情况进行调查研究工作 勘探类型 1 资源勘探石油 煤炭 天然气 金属非金属矿产资源等 2 工程地质勘
2、探 勘察 大型及重要建设项目场地 港口码头 机场等 3 水文地质勘探供水勘探 开采水文地质条件勘探等 4 各种专项勘探 煤层气勘探 科学地质勘探 地震勘探等 煤矿地质勘探 煤矿勘探期 资源勘探为主 地质报告 煤矿生产期 资源开采为主 生产地质报告 煤矿生产期 防治水为主 水文地质报告 由矿井建设开始 到开采结束期间所进行的一切勘探 统称矿井地质勘探 按其目的之不同 分为矿井资源勘探 矿井补充勘探 生产勘探和矿井工程勘探等四类 矿井地质规程 煤矿水文地质勘探 矿井建设生产阶段所进行的水文地质勘探 一般视为煤炭资源勘探阶段的水文地质工作质勘探 的继续与深入 多带有补充勘探的性质 基本任务是 为煤炭
3、工业的规划布局和煤矿建设 安全生产提供水文地质依据 并为水文地质研究积累资料 煤矿水文地质勘探特征 它一般应分阶段循序进行 矿井水文地质勘探为矿井建设 采掘 开拓延深 改扩建提供所需的水文地质资料 并为矿井防治水工作提供水文地质依据 它是在煤田水文地质勘探的基础上进行的 矿井水文地质勘探是在矿井建设和生产过程中进行的 它既可以验证和深化煤田地质勘探对井田 矿井 水文地质条件的认识 又可以根据矿井建设生产过程中遇到的水文地质问题 充分利用矿井的有利条件 进行有针对性的矿井水文地质勘探 为矿井建设生产和矿井防治水工作提供依据 可见矿井水文地质勘探是煤田地质勘探所不能取代的 对于水文地质条件复杂和极
4、复杂的大水矿井 尤其是这样 1 矿区水文地质地质工程地质勘探规范 GB12719 91 2 煤 泥炭地质勘查规范 DZ T0215 2002 3 煤矿防治水规定 国家安监总局 煤矿监察局 二 煤矿水文地质勘探规范 勘探类型划分 依据矿床主要含水层的储水空间特征 三类 第一类 孔隙充水矿床第二类 裂隙充水矿床第三类 岩溶充水矿床 三型 第一型 水文地质条件简单矿床第二型 水文地质条件中等矿床第三型 水文地质条件复杂矿床 水文地质勘探类型和矿井水文地质类型区别 水文地质勘探类型 划分的目的是为不同类型矿床的勘探工程设定不同工程量 勘探程度以及矿井涌水量计算等技术要求 比如 孔隙充水简单型矿床在勘查
5、阶段的水文地质剖面要求至少一条 但在复杂型矿床要求至少4条剖面 各剖面上不少于3个水文孔 水文地质条件简单的矿区 可计算全矿区的正常和最大涌水量 立足与勘探 围绕如何将勘探工作做好 与开采安全关系不大 矿井水文地质类型 划分的目的是保证矿井安全生产 按照不同类型水文地质条件 对煤矿安全进行安全监管 比如 水文地质条件复杂的矿井要求设立专门的防治水机构 装备必要的防治水抢险救灾设备 探放水应当坚持 有掘必探 原则 煤矿防治水规定 第二十九条 矿井有下列情形之一的 应当进行水文地质补充勘探工作 1 矿井主要勘探目的层未开展过水文地质勘探工作的 2 矿井原勘探工程量不足 水文地质条件尚未查清的 3
6、矿井经采掘揭露煤岩层后 水文地质条件比原勘探报告复杂的 4 矿井经长期开采 水文地质条件已发生较大变化 原勘探报告不能满足生产要求的 5 矿井开拓延伸 开采新煤系 组 或者扩大井田范围设计需要的 6 特殊地质条件部位或者深部煤层下伏强含水层 煤层底板带压 专门防治水工程提出特殊要求的 7 各种井巷工程穿越强富水性含水层时 施工需要的 三 煤矿水文地质补充勘探设计 1 补勘的目的 任务目的 防治水 任务确定应全面分析已有资料 确定补勘的任务 2 补勘的依据 规范规程 资料来源3 补勘的范围矿井 采区 工作面 下组煤 上组煤 煤系地层含水层 太灰含水层 奥灰含水层 4 补勘技术手段及工程量 根据任
7、务及规程 勘探类型 确定 5 工程预算6 成果设计 四 煤矿水文地质勘探方法与手段 水文地质测绘 水文地质钻探 物探 化探 水文地质试验 水文地质测试 矿井涌水量计算 计算机模拟 勘探新技术 常用技术 煤矿水文地质勘探方法与手段 1 水文地质测绘 水文地质调查内容包括 资料收集 地貌地质 地表水体 井泉 古井老窑生产矿井 周边矿井 地面岩溶调查 方法 水文地质调查 地面和井下水文地质观测手段 测绘 观测 填图 绘图 记录等 煤矿防治水规定中有比较详细的要求 2 水文地质钻探 煤矿水文地质勘探方法与手段 它所完成的任务内容包括以下几个方面 1 完善并建立含水层水动态观测系统 2 形成矿井水文地质
8、试验系统 3 为岩石力学性能测试取样 测试提供条件 4 探查目的含水层岩性 厚度和富水性 5 探查开采煤层底板至奥灰含水层间隔水层岩性 厚度及隔水性 煤矿水文地质勘探方法与手段 钻孔布置原则 钻探孔数确定 钻探参数设计 钻探工艺要求 钻探成果要求 钻孔封孔设计 钻探工程设计 钻探工艺设计 钻孔结构设计 考虑因素 孔深 孔径 抽水试验等 抽水试验 抽水孔与观测孔布置 试验抽水 正式抽水 三个降深 延续时间与稳定时间 静止水位与恢复水位观测要求 抽水试验资料整理 抽水试验 稳定流 钻孔出水量和动水位同时出现相对稳定 并延续一定时间 一般要求三个降深 设最大降深为s1 非稳定流 抽水过程中保持水量稳
9、定 观测水位变化或保持水位稳定 观测水量变化 符合实际 一般地 含水层的划分 勘探过程中如何划分含水层 1 岩石孔隙裂隙发育 有储水空间提供较多的储水空间 形状各异 空隙 溶隙 孔洞 张开结构面等 岩层的储水空间在开采之前是天然的 开采过程或开采之后有人为的因素 比如采矿引起的导水裂隙带 水文地质补充勘探就将面临这种问题 勘探过程中如何发现这些储水空间呢 主要通过钻探充洗液的消耗来判定 测井 流量测井等方法也能从岩层的物理性质和岩层水流动状况反映岩层是否为含水层 2 孔隙裂隙连续性好 有径流条件 3 丰富的水源与补给源 有补给条件 钻孔单位涌水量 0 001L s m的岩层为隔水层 煤矿水文地
10、质勘探方法与手段 3 物探 目的与任务 物探方法设计 成果要求 物探工程设计 工程量设计 物探方法 物探 地面瞬变电磁法直流电法频率测深法音频电穿透法瑞雷波地震勘探法槽波地震勘探法高分辨地震勘探法地质雷达勘探法 关于测井 水文地质补充勘探一般应进行钻孔测井 测井可以 a 确定含水层 隔水层 软弱夹层的层位与厚度 b 确定断裂带 裂隙带和岩溶发育带的位置及厚度 c 划分地层组 编录钻孔柱状剖面 d 划分咸淡水界面 e 测定钻孔中含水层之间的补给关系 估算水文地质参数 包括地下水矿化度 孔隙率 渗透系数 流量及涌水量等 g 测定钻孔技术状况 包括钻孔孔径 孔斜 寻找孔内事故位置 h 地层物性参数测
11、量 电阻率 自然电位 自然伽玛 井径 井温 井斜测量 井中流体测量 超声成像测井 声速 伽玛伽玛 井液电阻率 井液 钻孔电磁波法测井 煤矿水文地质勘探方法与手段 4 化探 目的与任务 取样方法 成果要求 化学勘探设计 工作量设计 水质测试项目 水化学分析方法的简称 地下水的化学成份往往代表着其赋存地层的环境特征 按照各种特征离子的含量 矿化度 水质类型等 可以对不同含水层地下水做出区分 从而对井下涌水的来源进行识别 煤矿水文地质勘探方法与手段 5 水文地质试验 水文地质试验设计 抽水试验 放水试验 注水试验 连通试验 煤矿水文地质勘探方法与手段 6 水文地质测试 岩石物理力学性质测试 地应力测
12、试 煤层顶底板破坏深度测试 带压系数测试 专项测试 专项设计 煤层底板破坏深度测试 钻孔布置 以辛置东四409工组面为例 煤层底板破坏深度测试 测试方法 煤层底板破坏深度测试 煤层底板破坏深度测试 煤层底板破坏深度测试 煤层底板破坏深度测试 工作面底板采前 采后渗透性系数的变化 反映了采动对底板的破坏程度 以采后和采前渗透系数的增量及开采后及开采前渗透系数的比值作为底板破坏深度的判别指标 得出 底板岩层采动破裂深度在8 98 9 03m处 两个判据 煤层底板破坏深度测试 煤层底板破坏深度测试 煤层底板破坏深度测试 带压系数测试 Dw TS不突水Dw TS一般不突水 或渗透出水 水量有限Dw T
13、S突水 现场实测 煤矿水文地质勘探方法与手段 7 矿井涌水量计算 矿区水文地质工程地质勘探规范 对补充勘探 当水文地质条件变化不大时 可用比拟法预测矿井涌水量 矿井涌水量计算必须建立在正确认识矿区水文地质条件基础上 建立矿区水文地质模型和数学模型选择有代表性的参数及合理的方法计算矿区正常和最大涌水量 主要方法有 比拟法 数理统计法 水均衡法 解析法 数值法和物理模拟法等 必须注意计算方法的使用条件 有条件时应采用几种方法计算对比 对计算结果应进行详细评价 分析论证计算涌水量可能偏大或偏小的原因 推荐排水设计的矿井涌水量 矿井涌水量计算 1 比拟法 富水系数 采空面积富水系数 采掘长度富水系数
14、单位涌水量比拟法 函数关系比拟法 降深 巷道长度 雨季补给增长系数 矿井涌水量计算 2 解析法 1 概化 建立数学模型 把实际问题抽象成数学问题 2 计算 对数学模型进行计算 大井法 承压转无压公式 Q 1 366K 2H M M H S 2 LgRo Lgro r0 引用半径 Smax 最大水位降 边界条件 四周进水 矿井涌水量计算 3 数值法 数值法是随着计算机的出现迅速发展起来的一种近似计算方法 常用的是有限元法足够的观测孔和清晰的边界条件 建立数学模型 反求参数 预测计算 五 煤矿水文地质勘探成果 补充勘探成果的特点 1 不同于资源勘探成果 资料累积 分析研究程度不足 2 补充勘探的成
15、果不仅来源于补充勘探所取得的资料 还来源于前期勘探 生产实际揭露等 其成果是综合性的 3 水文地质补充勘探成果紧紧围绕煤矿生产实际 必须回答煤矿水文地质疑难问题 为解决水害问题提供地质依据 4 成果应不断更新 随时补充 修正和完善 水文地质补充勘探成果内容如下 1 水文地质钻探成果 其中包括 钻孔综合柱状图 钻孔测井成果 钻孔简易水文试验成果 2 钻孔施工记录 3 抽水试验成果4 钻孔测量成果5 封孔报告6 物探成果7 水化学分析成果8 岩石物理力学性质测试成果9 矿井涌水量预测成果10 煤矿开采水文地质条件综合评价 补勘成果 基本图件包括 钻孔综合柱状图 矿区综合水文地质图 含水文地质剖面图
16、 地面物探成果图 井下物探成果图 抽水试验综合成果图 含水层水位等值线图 矿区水化学探测成果图 矿井涌水量计算图 补勘成果 建立矿井水文地质监测系统 补勘成果 地面钻孔 井下钻孔 井下涌 突 水点 监测内容 水位 水量 水温 水质变化 六 煤矿水文地质勘探新技术 1 遥感 2 井下高压钻孔施工 3 矿井物探 4 化探 5 地温测量6 放水试验 7 地震等物探资料精细解释 8 底板破坏深度探测技术 钻孔压 注 水钻孔声波测井 电磁波法 钻孔成像 顶底板相对移近量 单体支柱压力 钻孔相对地应力测量 声波大地电场法等 9 定向钻探技术 采用定向钻探技术 确定导水陷落柱等地质异常体形状和范围 10 计算机模拟技术 11 基于现代高精度分析仪器的水力联系判别 如电感耦合等离子体原子发射光谱仪 ICP 可在3min内测72项指标 11 实验室微观分析 地震资料精细解释技术 遥感技术 遥感图象主要解译的地质问题 a 地质构造 特别是活动构造 与地貌基本轮廓 b 断裂及隐伏断裂 隐伏构造的位置及其富水的可能性 c 外动力地质现象 滑坡 坍塌 泥石流 坡面冲刷 河流侵蚀 风蚀与风成堆积 冰川冻土 岩溶塌
