煤田奧灰巖溶水文地質勘探技術研究

劉俊慧

（廣州博昊勘測技術有限公司，廣州 510630）

煤礦開采作業前需要充分掌握礦區地下水分布與含量等信息，并制定相應的處理措施，預防水害的發生。水文地質勘察是了解煤礦水文地質條件的一種重要途徑，可采取水文地質試驗、水文地質鉆探、室內實驗分析等多種技術方法，探明目標地區的水文地質條件，為下一步解決水文地質問題提供科學依據。本文研究的煤田開采標高低于奧灰歷史水位標高，受到了奧灰水的潛在威脅。只有通過水文地質勘探了解奧灰含水層的水文地質特征，在此基礎上開展奧灰水對煤層開采的威脅評價，進而根據評價結果制定應對和處理方案，才能保證煤田開采的安全性。

1 煤田概況

某煤田海拔1 316～1 424 m，屬高原侵蝕性丘陵地貌，地勢東高西低，有數條西北-東南走向的梁、凹。地表有基巖出露，植被較為稀疏。該地區屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均降水量380.6 mm，集中在7、8、9月份；多年平均蒸發量1 858.2 mm。地層主要有新生界第四系、中生界侏羅系和三疊系，以及古生界石炭系、奧陶系組成，地層傾角在6～12°，局部受斷層切割可以達到20°以上。主要煤層賦存形態起伏變化不大，層間距穩定，但是構造較為復雜，有多處斷裂。通過探查該煤田奧灰巖溶水文地質，了解奧灰含水層巖溶水賦存規律，為下一步建立礦區水文地質監測系統，以及防治水害提供必要的參考。

2 煤田奧灰巖溶水文地質勘探

2.1 區域水文地質調查

收集煤田所在地區以往的研究資料，并開展了區域水文地質調查與測繪，對該煤田所在地區的水文地質有基本了解。調查結果顯示，該地區地下水的主要補給來源為降水，但是年降水量遠遠低于年蒸發量，致使地層含水較少。在雨季時雨水滲透到地層中，很少形成徑流；只有在暴雨后形成短暫地表洪流，降雨結束后很快又恢復干涸狀態。構造斷裂帶為巖溶地下水的流通提供了良好條件，成為煤田地層地下水的主要賦存場所。

2.2 地面瞬變電磁勘探

2.2.1 瞬變電磁勘探裝置與原理

在該煤礦田的南、北兩側各選取一個測區，北測區面積0.65 km2，南測區面積1.10 km2。探測方法為瞬變電磁法（TEM），探測任務包括2 項：其一是探明該測區中斷層、褶皺等構造的含導水性情況，為下一步鉆探作業布置鉆孔提供依據；其二是探明煤層頂底板以及煤層下方100 m 以內富水區域的分布與連通情況，為下一步防水治水提供依據。目前可以產生瞬變場的裝置有多種類型，本工程中選擇了分辨率較高、抗干擾能力較強的中心感應裝置，該裝置的發射模塊由垂直磁激源和大回線組成；接收模塊由接收探頭、接收機組成。

瞬變電磁法的勘探原理為：在測區地面上使用接地導線產生一個脈沖電流，該脈沖電流可以在地下激發二次渦流。在一次場斷開后，利用專門的信號接收裝置收集二次渦流形成的二次場（即瞬變場），根據二次場的變化態勢即可掌握測區的地質結構。正常情況下，導電性良好的地質體尺寸越大，則二次場的強度越大，熱損耗越小，相應的衰減越緩慢。根據這一特征可以推斷出地層深處富水體的位置與深度，瞬變電磁法的勘探原理如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法測量裝置及工作原理

2.2.2 地面瞬變電磁勘探成果

北測區發現6 個低阻異常區，其中1—3 號異常區的分布范圍較廣、異常幅值較強，初步分析是斷層及其裂隙發育帶中富含地下水導致的；而4—6 號異常區的異常賦值較弱。南測區發現了2 個低阻異常區，均表現出異常幅值較強的特點，推測與鄰近位置有斷層有關，并且存在導通奧灰水的可能。

2.3 鉆孔探查

2.3.1 鉆孔布置原則

在水文地質鉆探中，鉆孔布置應遵循以下原則：①一孔多用原則，鉆孔既可以作為水文地質勘探孔，同時還能充當水文觀測孔和水文地質試驗孔，減小了鉆孔勘探的工作量，減小了對原有地質結構的破壞。②安全優先原則，在進行深入、全面的現場勘查后，依據煤田的地形條件、鉆孔保護要求等，在不影響煤田生產安全的前提下確定鉆孔的位置和參數。③鉆孔布置還應滿足礦井用水量計算要求和水文地質監測要求[1]。

基于上述原則確定鉆孔的數量、間距、排距、位置、深度與孔徑等具體參數，然后根據鉆孔布置方案進行地面鉆孔。在鉆孔區域附近布置1 個奧灰長期觀測孔G2，孔深為500 m，在整個勘探作業期間滿足長期觀測需要。沿垂直煤層方向布設G3、G4、G5 3 個控制孔，分別位于煤層的西部、中部和東部。G2～G5 均屬于地面鉆孔，除此之外還設計了F1 和F2 2 個井下鉆孔，其目的是更加準確、便捷地獲取含水層水文地質參數，可根據鉆孔內的實際出水量進行調節。7 個勘察鉆孔的基本參數見表1。

表1 探查鉆孔的基本參數m

2.3.2 目的層位

結合前期的水文地質勘察資料可知，奧灰是威脅煤層開采的主要充水水源，同時也被作為下一步抽水試驗的目的層位，設計鉆探總工程量約為2 800 m。

2.3.3 鉆孔施工

井下奧灰孔隨井下施工情況進行微調，如果鉆進至一定深度后發現孔內有積水，并且經過徹底洗孔后水量仍然超過50 m3/h，可停止鉆孔。地面鉆孔所用設備主要有YX2000 型鉆機、BW-1200 型泥漿泵、NJ600型泥漿攪拌機等；井下鉆孔所用設備主要有ZDY1900型坑道液壓鉆機、φ40×6.0 mm 地質鉆桿，以及GTZ-60型雙液注漿泵等[2]。井下鉆孔結構如圖2 所示。

圖2 井下鉆孔結構示意圖

為保證作業安全和成孔效果，在現場施工時應當先鉆井下放水孔。利用放水孔探明奧灰見水深度，并確定其他孔的終孔深度；然后鉆井下觀測孔，最后進行地面觀測孔的施工。無論是井下鉆孔還是地面鉆孔，都要做好各止水層段的止水處理，防止相鄰的2 個含水層之間產生水力聯系。結合前期的水文地質勘察資料可知，該煤田所在區域的奧灰頂面凹凸不平，布置套管時應當以奧灰頂面的最低點為參照，套管要進入奧灰層至少4.8 m，并且奧灰段套管與上部套管的搭接長度不得低于3.0 m。水泥止水段要做到完全封閉，在水泥固結后向套管內注入適量清水，持續觀察約6 h。如果套管內水液面的下降速度不超過20 mm/min，即為合格；否則需要檢查滲漏位置并做相應處理，確保止水效果良好。

鉆孔期間全程進行簡易水文觀測，并如實做好觀測記錄。每個回次提鉆后，以及下鉆前分別觀測1 次孔內水位；鉆進過程中每隔30 min 檢查一次沖洗液的剩余量，將前后兩次的剩余量作差求出沖洗液的消耗量。如果消耗量突然增加或大幅減少，可能出現了涌水、涌砂或者是漏水、掉鉆等問題，需要立即停止鉆進并查明原因，在處理完畢后繼續鉆孔至設計深度。當鉆孔深度位于煤層至奧灰地層之間時，采取間斷取芯的方式獲取巖芯，如果是地面孔要求取芯率不低于70%，如果是井下孔要求取芯率不低于60%[3]。取出的巖芯需要用清洗沖洗干凈，然后按照取芯位置和取芯順序依次編號、妥善保管，以便于下一步開展巖芯成分和構造分析。

2.3.4 井下鉆孔特殊處理

相比于地面鉆孔，井下鉆孔遇到的地質條件更加復雜，對鉆孔技術和成孔質量都提出了更高的要求。在本次煤田井下鉆孔施工中，從以下3 個方面做特殊處理：第一，孔口管的特殊處理。井下鉆孔必須要設置孔口管，孔口管的設計長度為9.5 m，孔口管采用螺栓連接的方式進行固定。為了保證管外間隙中漿液能夠均勻充填，要求孔口管周圍的基巖必須完整，無明顯的開裂、松動等問題。孔口管安裝完畢后，還要進行安裝質量檢查。將泵壓設定為8 MPa，注水泵與孔口管連接后注水，注滿水后靜置1 h，孔口管內水位下降值不超過20 mm 即為合格。第二，采取鉆探防護措施。由于本工程中井下鉆孔屬于超深孔，水壓較大，為防止出現“井噴”情況對現場施工人員的健康造成傷害，需要采取防護措施避免射流傷人[4]。第三，及時進行鉆探排水。當井下鉆孔深度達到一定程度后，鉆孔底部的標高低于地下水位，在重力作用下巖層中的地下水可能會通過巖層孔隙滲透到鉆孔內，因此當鉆孔內積水超過20 cm后就要及時排水。

2.3.5 鉆探結果

結合巖石的力學性質、水理性質和煤田防治水工作要求，對煤層底板隔水層和奧陶系地層巖石進行了取樣分析。在鉆探中分別從6 個鉆孔中采集了25 份巖芯，分析結果如下。

F1 孔采集樣品4 份，中粒砂巖（2 份）、石英砂巖（1份）、石灰巖（1 份）。

F2 孔采集樣品5 份，細粒砂巖（1 份）、石灰巖（1份）、砂質泥巖（2 份）和石英砂巖（1 份）。

G1 孔采集樣品4 份，石英砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖和石灰巖各1 份。

G2 孔采集樣品4 份，細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖和石灰巖各1 份。

G3 孔采集樣品4 份，中粒砂巖、粉砂巖、粗粒砂巖和細粒砂巖各1 份。

G4 孔采集樣品4 份，粉砂巖、細砂巖、粗粒砂巖和砂質泥巖各1 份。

對樣品的力學性質評價如下：中粒砂巖抗壓強度在68.5～71.7 MPa 之間，為堅硬巖層；粉砂巖抗壓強度在23.4～40.5 MPa 之間，為中硬巖層；粗粒砂巖抗壓強度在32.0～77.7 MPa 之間，為中硬至堅硬巖層；石英砂巖抗壓強度在38.4～80.8 MPa 之間，為堅硬巖層；砂質泥巖抗壓強度在27.5～77.1 MPa 之間，為中硬至堅硬巖層；細粒砂巖抗壓強度在57.9～79.7 MPa 之間，為堅硬巖層；石灰巖抗壓強度在28.5～78.2 MPa 之間，屬于中硬至堅硬巖層。

綜上，該煤田煤層至奧灰頂界面的巖石屬于中硬至堅硬，整體強度較高，巖石的抗壓、抗拉、抗剪等外力抵抗能力較強；加上巖體完整性較好，裂隙不發育，具備較好的阻水壓性能。

2.4 抽水試驗

抽水試驗的目的是探明奧灰含水層的水文地質特征，并初步求出礦井用水量，較為準確的評估含水層的富水性。抽水試驗方案如下：在地面觀測孔和井下觀測孔施工完畢后，工作人員進行單孔最大降深穩定流抽水試驗，大約需要24～36 h 抽水完畢，然后留出72 h 的恢復時間。在抽水試驗中，注意檢查井下排水設施（如水泵、排水溝等）是否通暢，如果有堵塞的情況要及時疏通，保證抽水和排水順利。同時，為保證作業安全還要嚴格執行《煤礦安全規程》中的相關要求，例如密切觀測壓力表、流量表，每隔45～60 min 需要打開放矸閥排放矸石等[5]。

這里以G3 和G4 2 孔為例，單孔抽水試驗結果如下：2 孔含水層段為奧灰頂界面至以下130.6 m（實際埋深為375.0～516.6 m）。本次抽水試驗用時3 d，靜水位埋深284.7 m，動水位最大埋深285.3 m，最大降深35.7 m，穩定抽水量2.4 m3/h，奧灰水溫24.0 ℃。水文地質參數中影響半徑（R）和滲透系數（K）的計算公式如下

式中：Q表示鉆孔用水量，單位為m3/h；S表示水位降深，單位為m；M表示含水層厚度，單位為m；r表示鉆孔半徑，單位為m。最終抽水試驗結果總結見表2。

表2 抽水試驗結果

2.5 水化學探查

該操作的目的是通過地下水的水化學組分分析，探明煤田奧灰地下水的補給條件、運移規律。水化學探查需要從鉆探期間和井下抽水試驗期間采集地下水，然后進行物理性質的測定和化學成分的分析。其中，5個觀測孔（G1～G5）各取1 份水樣，2 個放水孔（F1、F2）各取2 份水樣，水質分析結果表明地下水樣中含有多種離子，其中含量較多的前5 種是Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+。對比各份樣品可以發現，不同離子的含量會隨著水文地質條件的變化而變化，從而使不同區域的地下水呈現出多樣的水質特征。該區域地下水的礦化度在865.5～1 550.8 mg/L 之間，為淡水-微咸水；測得pH在7.7～8.2 之間，為弱堿性水。

3 結束語

煤田深層開采過程中容易發生涌水災害，除了造成經濟損失、影響正常作業，對井下作業人員的安全也會構成威脅。因此，在煤田開采作業前必須要探明該區域的水文地質信息。本文研究的煤田地下水主要來自于奧灰含水層，存在一定的水害威脅。在綜合運用瞬變電磁法、鉆探法、抽水試驗和水文地球化學測試分析等多種技術的情況下，對奧灰含水層的水文地質信息有基本了解，為下一步有針對性地采取水害防治、確保煤田安全開采帶來了有益幫助。