矿井防治水及水文地质补充勘探的有关方法和建议..ppt

矿井防治水及水文地质补充勘探的有关方法和建议,罗巨安,1、深入研究资源勘探资料成果，加深对区域水文地质条件的基本认识,2、新生界水文地质补充勘探,3、A组煤底板灰岩水文地质补充勘探,4、疑似地质异常体探测,主要讲课内容,5、矿井防治水有关建议,前言,淮南煤田沉积建造属南型北相，在全国煤矿水文地质区划上处于南方区与北方区的交界地带。矿区开采煤层层数多，煤层厚度和产状变化大，褶曲和断层发育地质条件复杂；大气降水充沛，地表水体发育，地下孔隙、裂隙、岩溶三类含水层并存，充水因素多，水文地质条件复杂；是国内煤矿受水害威胁最严重的矿区之一。矿区开发史上，曾多次发生透水、突水、溃砂溃水等各类水害事故，造成了重大的损失。,在这种形势下举办学习班，深入学习、讨论、分析、研究矿井防治水的有关安全技术问题，有利于进一步搞好防治水工作。我有幸参加这次学习班，今天抛砖引玉谈些粗浅看法供大家参考，其中多有不当，请批评指正。,一、深入研究资源勘探资料成果，加深对区域水文地质条件的基本认识,煤田资源勘探以地质勘查为重点，同时对新生界和煤系砂岩进行了水文地质勘查，对底板灰岩作了初步了解。虽然该阶段水文地质勘探程度较低，但深入研究其资料成果及问题，加深对区域和矿井水文地质条件的基本认识，有益于搞好矿井防治水和水文地质补勘工作。,矿区各井田资源勘探地质报告对于区域水文地质条件都有一致描述，即：煤田地貌由东南端基岩裸露的低山残丘向北过渡到冲积平原，晚第三纪早期的不均衡沉降，沉积了西厚东薄的新第三系和第四系松散层。基岩水文地质条件受淮南复向斜南北两翼走向逆冲断层控制，将其分割成南、北、中三个分区（图1）。,一）矿井所属区域水文地质特征,南区：地处复向斜南翼推覆构造的前缘，间夹在阜风与舜耕山逆冲断层之间，属其上冲异地系统，以石灰岩为主的岩溶裂隙含水层裸露区，接受大气降水补给。九龙岗至孔系集等老区矿井集中在此区。中区：是复向斜的主体，基岩含水层因南北两翼逆冲断层的阻水作用，切断了裸露区的水源补给，加上区域性斜切断层的分割，构成了封闭型的水文地质单元，地下水以储存量为主。潘集至谢桥等新区矿井全集中在此区。,矿井水害的基本概念,由此可见，淮南矿区地跨淮河两岸，分属两个不同的水文地质区段，具有不同的水文地质特征。,1、老区主要特征是灰岩局部裸露，接受大气降水直接补给。煤系赋存于薄层第四系之下，降水多经砂岩风化裂隙带及塌陷裂隙渗入补给。补给条件好。基岩含水层埋藏浅，浅部砂岩裂隙和灰岩岩溶裂隙较发育，富水性较强。矿井正常涌水量较大。2、新区：主要特征是新生界松散层含水且厚度大。基岩含水层受补给条件较差，埋藏深，水压高，以静储量为主。矿井正常涌水量相对较小。,矿井正常涌水量比较见表1。表1矿井正常涌水量比较表（m3/h，2009年）,二）不同水文地质区段矿井的主要水害,1、老区1）地表水体发育。开采历史久，采煤塌陷积水范围大，废弃老窑、生产小井多，还有新报废矿井。构成了矿井顶部和侧向的主要水害。2）基岩含水层埋藏浅，浅部砂岩裂隙和灰岩岩溶裂隙较发育，富水性较强，是矿井开采的主要水害。3）采空区水和灰岩水因补给条件好而可恢复性较好，为矿井的重要水害。,2、新区：1）巨厚新生界松散含水砂层为井筒主要水害。2）新生界底部砂砾层含水较丰富，部分井田直接覆盖于煤系地层之上，是煤层开采的主要水害。3）砂岩含水层埋藏深，水压高，静储量相对较丰富，新建矿井投产时间短，砂岩水还未得到大量疏放，为矿井主要水害。4）新区矿井采煤机械化程度高，综放和综采工作面走向长，倾斜宽度大，采空范围大，采空区积水量多，工作面起伏大，排放难度大。为矿井的重要水害。5)灰岩含水层埋藏深，既有岩溶发育程度和富水性随深度增加而减弱的一般特征，还具有非均质性和构造控水的特征，是A组煤开采时的主要水害。,一)主要目的与任务新生界水文地质补充勘探主要目的与任务是：查明新生界、主要是其下部即与基岩接触段的岩性、厚度分布和含隔水性，评价煤系及灰岩上方的给阻水条件，确定松散层水体下采动等级，合理留设安全防水煤柱。并对新生界含隔水层组重新进行统一划分。,二、新生界水文地质补充勘探,一)主要目的与任务新生界水文地质补充勘探主要目的与任务是：查明新生界、主要是其下部即与基岩接触段的岩性、厚度分布和含隔水性，评价煤系及灰岩上方的给阻水条件，确定松散层水体下采动等级，合理留设安全防水煤柱。并对新生界含隔水层组重新进行统一划分。,二)己开展的主要工作在1999年谢桥矿完成了煤系上覆第三系地层(红层)补勘之后，自2010年起相继进行了张集、丁集、潘北矿新生界水文地质补充勘探。这些补勘，从满足近水体下开采防水煤岩柱合理留设着眼，以各主采煤层露头基岩面上、下各50m为重点，以新生界中含下段含水层、中部隔水层、红层及浅部煤系50m内的岩层为主要目的层，把新生界水文地质勘查条件、浅部煤系地层工程地质条件测试研究、基岩面标高控制等视为一体，综合采用钻探、抽水试验、水文测井和工程地质测试等方法，取得了良好的技术效果。,三)下一步新生界补勘工作建议1、继续以各主采煤层露头基岩面上、下各50m为重点，新生界下部水文地质条件勘查、浅部煤系地层工程地质条件勘查、基岩面标高控制相结合。2、工程布置要兼顾太原组、奥陶系，背钭、古隆起和古洼地露头的控制，掌握其上覆新生界底部的岩性、层位及含水性，确定水体等级。3、正确确定抽水试验和水位长观孔工作段的层位和深度，固管深度必须准确，止水质量必须合格，以保抽水试验和水位长观孔工作段层位和试验、观测资料的可靠性。,4、提高岩芯采取率。例如“红层”埋藏较深，沉积环境决定了红层砾石间被泥质等充填；若带水钻进，泥质等被冲失，仅存砾石，而砾石与粘土砾石的富水性差别很大。岩芯鉴定和描述要认真并有侧重细化。5、进一步查明砂砾层的分布特征。据区域资料，该层厚099m，以棕色，灰绿色砂砾，泥质砂砾为主，间夹多层粘土并呈带状分布。,己有补勘资料表明：张集、谢桥矿砂砾层缺失，新生界下部为三隔及红层，属三类水体。丁集矿砂砾层分布较稳定，富水性中等，属一类水体。潘北矿位于条带北缘，砂砾层在十二线以东呈星片状分布，新生界下部岩层为半岩化，富水性弱，属二类水体，因此拓宽了缩小防水煤柱开采的途径。可见进一步查明砂砾层的分布，是下一步新生界补勘的主要任务之一。,张集矿、潘北矿进行的地面灰岩水文地质补充勘探，太灰各組及奧灰抽水最大单位涌水量分别为0.00186和0.0116L/Sm，水量很小，富水性弱，符合灰岩含水层岩溶发育程度和富水性随深度增加而减弱的一般规律，但不能由此判定灰岩水小。灰岩非均质性和构造控水特征显著。,三、A组煤底板灰岩水文地质补充勘探,一)高度重视灰岩的高水压、非均质性和构造控水特征,1、资源勘探阶段的主要成果及存在问题奥陶系全层的厚度和岩性分布不清，太原组及其各层组灰岩和奥陶系灰岩的富水性、水质、水温特征及其间的水力联系尚未查明。A组煤露头附近新生界含、隔水层分布及基岩面控制程度不足，太原组、奥陶系灰岩上覆新生界松散层的水文地质条件不清。切割1煤及底板灰岩的主要断层导阻水性不清。,二)地面灰岩水文地质补充勘探,2、补勘主要目的与任务1）进一步控制太原组的厚度和岩性分布，加密控制1煤底板隔水层，基本查明奥陶系的厚度和岩性分布特征，。2）基本查明太原组全层及C组、C组、C组和奥陶系灰岩的岩溶发育及富水性特征，水温、水化学特征，探查发育在1煤及其底板灰岩中主要断层的导、阻水性，了解或进行灰岩水文地质分区。评价灰岩水体上A组煤采动等级。,3）建立和完善矿井灰岩含水层水位动态综合观测网，结合抽水试验，了解其水位动态特征和各灰岩含水层组之间的水力联系特征。4）基本查明A组煤及其底板灰岩上覆新生界的岩性、厚度分布及富水性，评价新生界松散层水体下A组煤采动等级。5）评价矿井太原组和奥陶系灰岩含水层的水文地质条件和灰岩水文地质边界条件，予计矿井对C组灰岩疏水降压到安全水头值的涌水量，为矿井研究确定1煤底板灰岩水的综合有效防治途径和方法提供基础依据。,3、工程布置原则深入分析和充分利用井田各勘探阶段己获灰岩资料，针对原有灰岩勘探工程存在的问题进行工程布置。工程布置总体原则是:突出重点，全面控制。1）以近浅部（露头）为重点，兼顾中深部和四周边界;以首采区为重点，兼顾它区;以灰岩为重点，兼顾新生界。2）在建立太原组、奥陶系主勘探和观测剖面的基础上，以C3I组灰岩和奥灰为重点。应侧重于地质构造和富水带，并结合井下灰岩疏放水时的水位观测需要。,3）以探查A组煤开采底板灰岩水文地质条件为目标，钻探，单孔和孔群抽水试验，流速流量测井，水化学分析等多种方法相结合。4）一孔多用。工程布置同时要考虑到水位动态长期观测，不同灰岩含水层组分层和混合抽水，探查A组煤及其底板灰岩上覆新生界的需要。,4、技术方法及建议、1）在A组煤首采区或工广煤柱区布置12条主勘探和观测剖面，建立C组、C组、C组和奥陶系灰岩的综合观测线。沿地层走向在首采区两端和中间布置C组灰岩观测孔，监测疏水降压效果，形成首采区灰岩水位动态观测网。其它地段一般不再布置C组、C组灰岩孔。寒灰距开采煤层远，不是直接充水和补给含水层，原则上不布置钻孔。,2）在断层落差大于3050m的不同块段布置辅助勘探和观测剖面，形成矿井灰岩水位动态观测网。各辅助剖面线均布置2个孔:太灰孔在1煤露头下钻，见奥灰终孔，对C全层和C+组灰岩分别混合抽水，对C组灰岩抽水后保留为C组灰岩观测孔。奥灰孔在C9灰底露头下钻，见寒灰终孔，对C组灰岩和奥灰分别抽水后保留为奥灰观测孔。沿地层走向，在各辅助剖面线之间及其与主剖面之间，适当加布C组灰岩观测孔。,3)在单孔抽水的基础上，选择水量较大的C组灰岩孔进行带观测孔的单主孔孔群抽水试验。孔群抽水作一次最大水位降深，抽水连续时间715天，以了解其径流和水力联系特征。4）抽水试验进行加密观测，一是要利用水位变化观测数据进行非稳定流求参，二是实测影响到观测孔的时间和速度。单孔抽水试验，要加强最大水位降深抽水后恢复水位时的加密观测。孔群抽水试验，要加强主孔恢复水位的加密观测和抽水时观测孔水位的加密观测。,现在，抽水试验水文地质参数均采用单孔稳定流裘布依公式进行计算：T=KM建议试用水位恢复数据计算参数以相互验证和比较。因为恢复水位不受抽水时井损和水量变化的干扰影响。T=0.183Q/B式中，B直线斜率5）水温观测和采取的常规全分析水样及微量元素水样受抽水水量等因素所影响。抽水水量小,地面钻孔出水口断续性出水,观测的水温受气温所影响;而且孔内水并未被灰岩地下水全部置换，抽出的水实际上是钻孔水和灰岩地下水的混合水;以致水温、水质资料失真。,1、己采用的技术方法井下灰岩水文地质勘探实际上是以C组灰岩为目的层，施工放水和测压孔，通过放水试验进一步查明灰岩水文地质条件，疏水降压开采A组煤。继老区开展井下灰岩水文地质勘探之后，2008年以来，潘二、潘北矿先后进行了井下灰岩水文地质勘探，己采用的比较成熟的技术方法主要是:,三)井下灰岩水文地质勘探,1)先物探后钻探，先探后掘。查明条件后在C1层灰岩中顺层施工放水巷，在放水巷中施工C组灰岩放水石门。2）在放水巷中布置钻窝，每个钻窝放射状施工3个C组灰岩孔放水和测压。在放水石门沿C3上和C3下灰岩顺层施工长深孔放水和测压，长深孔最大深度500m。3)施工出水和终孔，观测水量、水压、水温和水质。4)对水量、水压、水温和地面观测孔水位进行系统的动态观测5)进行井下钻孔放水试验，查明灰岩水文地质条件，实测疏水降压效果，为计算灰岩涌水量提供依据。,2、下一步技术工作建议1)钻窝布置先疏后密。一批钻窝中的钻孔施工结束后，根据水动态观测资料分析或进行简易放水试验，再有针对性的加密。2)进一步提高固管止水质量，杜绝管壁或岩壁跑水，确保孔口管的承压控水能力。孔口管下置时丝扣必须上紧并加笆点焊，以使套管居中并增大与岩壁的粘固力，防止渗水、脱扣。由于水泥浆易析水沉殿而不能百分之百结石，管外壁易存空隙，因此宜采用速凝早强和高结石率浆液，必要时进行壁外反循环二次注浆。对岩层原生裂隙和采掘松动裂隙，可在固管前用孔口止浆塞注浆封堵加固。,3)针对灰岩含水层的高水压、非均质和各向异性等特点，采取放水巷钻窝与石门钻窝相结合，浅孔和与长深孔相结合和多方位布孔的方法，控制密度大、范围广，不仅增大出水机率和出水量，同时又可探查灰岩非均值性形成的有局部富水隐患的盲区。但长深孔的方位、倾角不能控制，存在着穿入它层灰岩和误进未查清条件地段的可能，宜适当控制孔深。,4)放水试验应根据条件和需要，采用正式和筒易放水、单钻窝孔和多钻窝孔放水、大区段和大区段内分块段放水、单阶段和多阶段放水以及恢复试验等不同方法，必要时采用碘化钾等试剂进行示踪即连通试验。,四、疑似地质异常体探测岩溶陷落带（柱）作为一种强导水通道造成突水淹井，巳成为近30多年来我国煤矿最严重的灾害之一。自1996年3月皖北煤电集团任楼矿发生岩溶陷落柱突水淹井后，淮南潘谢新区于2002年后进行的三维地震资料解释有12个地质异常体，谢桥矿东二采区13118工作面、潘三矿西一采区12318工作面实见发育到8煤顶板的陷落柱。,为利于搞好下一步地质异常体探查，提出以下建议供参考。1、以地质异常体范围为主体探测范围，沿地层走向在异常体中心、近边、边外附近布孔，沿地层倾向亦可适当布孔。按先内后外的顺序施工。先期探测资料确认不是岩溶陷落柱，后期钻孔不再施工。,2、以煤系为主要目的层，太原组为延深目的层。确认为岩溶陷落柱后再适当延深，探测岩溶陷落柱基底和奥灰、寒灰的岩溶及富水性。探测孔要取芯。对于取芯难度大的钻孔，应采取措施取芯，尤其是主要煤层和地层界面段的取芯。3、专题攻关进行补探谢桥、潘三矿两个井下实见陷落柱中心的地面探测孔均因漏水、垮孔处理无效在8煤顶底板提前终孔。,岩溶陷落柱和煤层采后冒落带顶段都能出现钻孔漏水、垮孔，因此宜进行地面补探以进一步确认，并探测8煤以下的地质和水文地质特征和主要煤岩层的垂直陷距。由于成孔难度大，建议列为专题进行技术攻关。4、有关水文物探1）任何地球物理方法都有应用的物性前提条件，不同的地质条件和地质环境也会限定某些地球物理探测方法的应用范围。,2）物探有多解性。3）地面水文物探，宜根据探测区条件和探测目的选择物探方法。物探单位应熟悉和不断深化对测区环境及地质水文地质条件的认识，采用适合于测区环境及条件的探测工艺。物探资料的地质解释与解释人员的认知程度有关，资料解释的过程也是认识水平不断提高的过程。因此应加强与生产单位的沟通，及时了解钻探验证资料，实现多种信息综合利用、地质-地球物理资料综合解释，提高探测和解释水平。,五、矿井防治水有关建议1、灰岩水老区1)淮南矿区老区，灰岩水疏放已有数十年的历史，谢二、谢三、毕家岗、孔集等被合并矿井原有的疏放水孔仍在出水。必须保持出水通畅并通过灰岩水量或水位动态观测来监测排水通畅情况，以防堵塞积水形成隐患。2)李一矿封井撤泵停排水后，原井下约90m3/h左右的灰岩涌水将逐渐淹没井下空间，形成水位不断回升的地下储水体，对相邻大小矿井造成新的充水威胁，应引起警惕和注意。,新区1)灰岩含水层并不以矿井边界为水文地质边界，控水构造可能造成不同矿井或区段同属一个水文地质单元。例如位于潘集背斜北翼的潘北矿-490m水平西翼C3组灰岩放水孔出水，造成间距1700m的潘集背斜南翼的潘三矿地面太灰、奥灰和寒灰观测孔水位快速反映并非稳定下降。因此，灰岩防治水要统筹兼顾，根据不同的条件，采用分矿防治或分矿防治与水文地质单元防治相结合的方法，以期取得更好的效果。,2)选择个别连通性好的井下或地面孔，进行试验注浆并观测封堵导水通道的效果。取得成效后再扩大注浆，以减少底部太灰和奥灰的补给量，增大C3组灰岩疏水降压效果。3)C31层灰岩放水巷过导水或弱导水断层段，应加密钻孔对C3组灰岩疏水降压，必要时对断层注浆加固，以防滞后突水。,2、长观孔及瓦斯抽采孔封闭封闭不良钻孔水，历来是大家十分重视的充水因素并采取了有效的防范措施，取得了很好的效果。值得进一步注意的是拟报废的瓦斯抽采孔和将受开采影响破坏长观孔的封闭，如果封闭不良，同样会造成导入砂层水和灰岩水的严重后果。1）瓦斯抽采孔孔径大，穿过主采煤层，位于采煤沉陷积水区中，地表水和松散砂层水是其防范对象。封闭施工时应将钻具下到孔底，水泥砂浆或水泥浆封闭至孔口。,2）水位长观孔尤其是灰岩水位长观孔，地表水、松散砂层水、灰岩水是其防范对象，应在受采动影响前封闭。封闭施工时必须将钻