煤田奧灰巖溶水水文地質勘探技術

中圖分類號： P641.4+61 文獻標志碼：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

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

1 研究區概況

某煤田海拔標高 1338～1416m ，含煤面積 385km² 屬于高原侵蝕性丘陵地貌，基巖出露，區域構造復雜，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、砂質泥巖及黏土巖為主。地下水循環較慢、補給匱乏，加之巖溶裂隙不發育，層狀巖溶水賦存條件差；奧陶系灰巖裂隙較發育，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煤田奧灰巖溶水水文地質勘探方案設計

2.1 地面瞬變電磁勘探設計

使用“瞬變電磁法”對該煤田進行探測，選擇垂直磁激源作為發射裝置，發射脈沖電流在地下激發二次渦流，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，經過分析后即可了解測區的地質結構[1。地面瞬變電磁勘探的作用主要有二：其一是了解測區含水情況，為后續水文地質鉆探作業中合理布孔提供參考；其二是掌握 15^# 煤層頂底板的富水情況，指導防治水工作的開展。在煤田區域內選擇A和B兩個測區，前者面積約 750m² ，后者面積約 1000m² 。

2.2水文地質鉆探設計

15^# 煤層主要面臨奧灰水威脅，因此在該煤層進行水文地質鉆探。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，分別從西部、中部、東部3個方向觀測和控制接續井田；井下鉆孔有3個， Q_jk1 和 Q_☉2 是布置在回風巷的2個放水孔， Q_U1 是布置在運輸巷的觀測孔。7個鉆孔的孔深與功能見表1。

地面鉆孔工藝較為簡單，井下鉆孔對技術有一定要求，例如鉆進時需見水，同時在清洗鉆孔后水量應不少于 50m³/h ，達到該標準后方可終孔。井下鉆孔時注意下管止水，以防不同含水層之間發生水力聯系。為了提高止水效果，要求套管應進入奧灰地層至少 5m 。向套管內灌滿清水，連續觀測 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。井下鉆孔結構如圖1所示。

2.3 抽放水試驗設計

開展抽放水試驗可幫助了解奧灰含水層的水文地質特征，在預估礦井用水量以及評價地層富水性等方面有重要價值。在地面鉆孔結束后開展抽水試驗，在井下鉆孔結束后開展防水試驗，2種試驗都是先抽水或放水2d，然后恢復3d，使用流量儀觀測水量。在放水試驗中需要注意以下幾點： ① 提前布置好疏排設施，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。 ③ 遇到水表停轉、壓力表漏水等意外情況，或者是排水系統出現故障，應第一時間報到調度室，然后采取應對措施。

2.4 巖石物理力學性質測試

在水文地質鉆探中，獲取巖石芯樣并開展巖石物理力學性質測試。結合該煤田的地質構造，分別選取了砂巖、頁巖、砂質泥巖、奧灰巖4種巖層，測試內容有容重、軟化系數、抗壓強度和彈性模量等。

3煤田奧灰巖溶水水文地質勘探成果

3.1地面瞬變電磁勘探成果

測區內共發現6處低阻異常區域，A區和B區各3個。A區的E19和CE12、CE13分布范圍較大、異常幅值較強，初步分析與斷層及其裂隙發育帶含水有關；B區的CE17低阻異常較強，同樣是斷層及其裂隙發育帶含水導致的，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4。結合現有的勘查資料，認為A區全部以及B區的CE17斷層有溝通奧灰水的可能性。地面瞬變電磁勘探結果見表2。

3.2 水文地質鉆探成果

在水文地質勘查中共獲取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組水樣是從回風巷出水點取得。所有水樣均按照GB/T12719—2021《礦區水文地質工程地質勘查規范》采集，具體情況見表3。

在獲取地下水水樣的基礎上，通過水化學組分分析掌握煤田奧灰地下水的補給條件、運移規律等重要信息。這里以 Q_X3 孔獲取的奧灰水樣為例，分析結果表明，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。化學組分方面，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） 。統計該煤田各奧灰水樣的水化學組分分析結果，可以發現離子含量大體相同，反映出奧灰水無其他水源參與補給，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定狀態，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，經過1天后流量穩定在 6m³/h 左右，降深穩定在 5m 左右。在獲取水文地質鉆探數據后，可通過下式求得目標巖層的滲透系數 （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所示裝置監測放水孔的壓力與流量，本次放水試驗持續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。試驗結果表明，水位降平均響應時間15min ，水位恢復平均響應時間為 28min ，響應時間段、降深明顯，并且試驗結束后觀測孔的水位恢復緩慢，未能達到試驗前水平，表明測區內奧灰地下水補給量有限，以消耗靜儲量為主。

3.4巖石物理力學性能

在鉆芯取樣的基礎上測定巖石芯樣的物理力學性能，其中：砂巖的抗壓強度在 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 ，干燥抗壓強度可達 70MPa ，為中硬 ～ 堅硬巖層；頁巖的抗壓強度在 68.5～71.2MPa 之間，為堅硬巖層；砂質泥巖的抗壓強度在 30.5～84.2MPa 之間，屬于中硬～堅硬巖層；奧灰巖的抗壓強度在 56.9～90.2MPa 之間，為堅硬巖層。綜合以上勘探成果，可以發現 15^#"煤層至奧灰頂界面的巖性基本為中硬到堅硬，整體強度較高，對壓力、拉力、剪切力等外力的抵抗能力較強，不容易出現原生裂隙，具備較為理想的阻水壓性能。

4結論

在綜合采取地面瞬變電磁勘探、水文地質鉆探并開展抽水、放水試驗和水化學分析的基礎上，掌握了煤田奧灰巖溶水對目標煤層的威脅。根據這一勘探結果擬定防治水方案，下一步可以采取合理調整開采面、井下補強注漿等技術措施實現水害治理，從而確保煤層開采作業的安全進行。

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