掘进巷道超前富水性快速探测技术及水害源快速识别方法研究.pdf

第 9卷第 4期 华北科技学院学报 2 0 1 2年 1 0月 掘进巷道超 前富水 性快速探测技术及 水害源快速识别方法研究① 刘建宇 ② 李永军 1 ．中煤平朔集团有限公 司 ， 山西 朔州0 3 6 0 0 6； 2 ．华北科技学院 ， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘要 研发出适合于巷道超前探测的一种具轻便、 快捷且能即时得到探测成果的富水性超前快速探测方 法及设备； 通过水害源快速识别方法研究， 并结合矿区的水文地质特征， 研究出适合于煤矿水害源识别的具 轻便、 简便、 快速功能的水害源快速识别方法。 关键词 矿井突水； 超前探测 ； 水源识别 ； 仪器研发 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 1 文献标识码 A文章编号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 1 2 0 4 0 0 0 1 0 4 0 引言 目前 ， 应用于水害超前探测研究 的方法主要 有矿井瞬变电磁法 、 矿井直流 电法及 矿井地质雷 达等方法。各方法均有其各 自的优点 ， 但也有其 各 自的不足之处 。矿井 瞬变 电磁法对水 反应敏 感 ， 但抗干扰能力较小 ； 直流电法仪器抗干扰能力 相对较好 ， 但其方向性相对较差， 且探测距离有 限； 而矿井地质雷达仪器相对笨重， 探测距离短， 一 般在 2 0 m 以内， 所 以往往不用 。同时 ， 对 于水 害源的识别 ， 采取的方法是井下采集出水点水样， 在地面进行水质化验 ， 通常要分析八个指标 ， 然后 根据八大指标分析水源 ， 一般情况下 ， 从 出水到分 析 出水源需要数天至数周。现有方法对水源在判 识周期长 ， 费用高， 不能及时快速识别水源 、 实时 治理水害。所以开发轻便、 操作简单及数据 自动 分析， 非专业人员可操作使用的快速探水方法与 设备 ， 实现掘进头的实时监测 。同时 ， 对 于出水水 源 的快速识别 ， 通过测定多种离子含量。其测定 速度快， 可达到实时测试的目的， 从而使识别水源 的时间缩短至 1小时之 内。即， 水害源快速识别 方法可做到轻便 、 单人操作 、 自动快速识别水源类 型的功能 ， 与现有方法相 比具有巨大的优势 I 4 ] 。 1 水源识别理 论 地下水水文地球化学特征是地下水系统的水文 地球化学环境 的反映， 是含水介质岩性 ， 水动力条 件， 氧化一还原环境及酸碱度等综合作用的结果。 由于不同含水层所处的含水介质岩性， 水动力条件， 氧化一还原环境及酸碱度等也不同， 且不 同含水层 之间有着较好的隔水层， 各含水层在水文地球化学 作用方面具有相对独立性 ， 从而使得它们常规离子 成分存在较大差异， 这为水源判别提供依据。我国 煤矿充水水源主要有砂岩水、 奥灰水、 太灰水、 老空 水 、 冲积层水和地表水等 ， 砂岩含水层 由于围岩性质 及地化环境的影响， 砂岩含水层内各种长石砂岩的 风化水解和离子交换作用， 使流经砂岩含水层的地 下水水质一般演化为 H C O N a 型水， 大部分 C a 2 、 № 因沉淀作用含量降低， 随埋藏深度的增加， 地下 水受地层中岩盐矿物溶解、 溶滤作用， 水中氯化物含 量有所增加， 除具有较高的 H C O一 、 N a 、 负硬度， P H 一 般达到 8 ． 0以上。地下水在较纯质灰岩 中运移， 受围岩成分的影响， 灰岩 中的钙镁离子在浸蚀性二 氧化碳的溶蚀作用下， 会使水中的钙镁离子浓度增 加， 形成以 H C O 一 C a M g型为主的水质。老空水 水质类型比较复杂， 它和老空水的水源有关 ， 砂岩水 进入老空区后， 在开放的环境中， 砂岩水 中溶解和吸 收空气中的 C O ， ， 破坏了砂岩水保持的原有的离子 平衡状态， 使水溶液的P H值降低， 侵蚀性 C O 的存 在使采空区地下水中的 c a 2 、 M g 2 所增加， 煤系地 层中硫铁矿的氧化产生硫酸根离子， 同时使P H值有 所降低。因此， 各含水层水化学组成及水化学含量 表现出各 自的特征， 各种水源的水化学物性质差异 比较显著 ， 各类水质的识别在数学上能够表达， 可以 利用水质资料判别矿井充水水源， 且该方法具有快 速、 准确、 经济的特点。 ①收稿 日期 2 0 1 20 8 2 2 ②作者简介 刘建宇 1 9 7 0一 ， 男， 山西大同人 ， 高级 工程师 ， 中煤平朔煤业有限公司科技 中心主任 ， 从事科技管理和技术工作。 第 9卷第4期 华北科技学院学报 2 0 1 2年 1 0月 矿井突水是逐步发展的过程 ， 当采掘扰动后 ， 煤层及周围岩体的应力平衡状态被打破 ， 应力状态 发生变化， 周围岩体开始变形， 并产生新裂隙， 特别 岩体与承压含水层相连 ， 产生新裂隙后 ， 承压水随 即渗入 ， 不但对岩层进行软化， 而且水压力使裂隙 变形受有效应力支配， 更加剧 了裂隙裂缝 的发生、 发展， 在地下水与岩体应力应变的耦合作用下， 使 得隔水岩体的裂隙不断延伸、 扩展 ， 承压水渗流场 也随之逐渐变化， 从而导致岩体变形 的进一步加 剧， 变形在最薄弱区域加速发展， 裂缝密集， 受力达 到或超过峰值强度后 ， 此时如果 由于采掘活动的影 响， 发生矿压显现 ， 承压水不断渗透软化并凭借势 能由此逐渐渗出， 岩体继续变形产生更多的裂缝、 扩容， 渗水地点和渗水量也逐渐增大。因此矿井水 害发生前一般均有滴 、 淋水等出水现象， 据不完全 统计 ， 各种水害类型的突水事故中， 9 0 ％以上水害 发生前均出现出水现象。有此现象后短的 3～ 5个 小时后突水 ， 长则达数月后发生突水。 建库 因此， 当有出水现象发生时， 可以检测出水点水 质， 并根据各含水层水质的差异特征识别出水水源 类型。从而为水害的防治及井下人员的及时撤离提 供依据， 并对减少人员伤亡及财产损失有重大意义。 2 水源快速 自动识别技术 2 ． 1 矿井水源识别数学模型及仪器开发 利用数学模型对矿井水化学数据进行处理并 判别充水水源 ， 是现代地球化学 、 数学和计算机科 学相结合的必然结果。在利用常规水化信息判别 矿井充水水源的研究 中， 有多种应用效果较好 的 数学模型， 在矿井水源自动识别仪研制过程中， 通 过 V B 6 ． 0 、 V C 6 ． 0以及 MA T L A B 6 ． 5建立 分析 了 以下数学模型 神经网络模型、 聚类分析模型、 支 持向量机模型 、 模糊综合评判模型、 灰色关联度模 型等 ， 并对其实用性作 了相关对 比分析 J 。 仪器采用嵌入式系统， 工作活动图 1 如下 图 1 工作活动图 2 ． 2 矿井充水水源样品库的建立 对平朔公司井工三矿进行了水文地质资料收 集、 现场测试、 多次水样采集与水质化验分析 ， 收集 到该矿水质分析台账 ， 采掘布置图件等 ； 同时现场 提取并分析了本矿区不同地层岩性地球物理电性 参数值。同时我们又辅助采集了一号矿、 二号矿不 2 同水源类型水样， 进行了比对分析。为井工三矿建 立矿井充水水源类型样品库积累了一定的数据。 通过采集井下的各种类型水源水样进行了测 试 ， 并通过对 比测试结果与水质台帐离子浓度 ， 综 合分析后建立矿井充水水源快速识别样品库， 如下 表 l 所示。 第4期 刘建宇等 掘进巷道超前富水性快速探测技术及水害源快速识别方法研究 表 1 井工三矿水源样品库 水样类型 钾 钙 镁 硫酸盐 P H值 铁 亚硝酸盐 碘 2 ． 4 4 5 5 4 ． 9 8 9 1 5 ． 78 3 3 3 ． 4 2 2 7 ． 3 5 0 ． 0 2 3 2 4 ． 1 2 7 0 ．1 0 9 1 ． 1 4 9 5 9 ． 8 1 4 1 7 ． 6 1 2 3 3 ． 9 O1 7． 3 7 2 0 ． 0 2 6 21 ． 95 2 O． 1 3 8 顶板砂 岩水 1 ． 7 9 7 5 7 ． 4 0 1 1 6 ． 6 9 7 3 3 ． 6 6 l 7 ． 3 6 1 0 ． 0 2 4 2 3 ． O 3 0 ． 1 2 3 1 ． 2 1 4 5 6 ． 3 7 5 1 5 ． 63 6 9 7 ． 01 6 7 ． 2 2 9 O ． O 5 1 2 5 ． 8 7 O ． 11 8 1 ． 4 3 9 5 3 ． 78 3 2 0 ． 4 3 7 33 ． 1 4 5 7 ． 8 2 7 O ． 0 1 3 4 4． 9 3 5 O 1 ． 6 7 4 6 ． 2 2 5 2 2 ． 3 9 2 ll O． 2 4 2 7 ． 7 2 3 0 ． 0 5 5 21 ． 61 8 O ．1 5 2 顶板裂 隙水 1 ． 9 7 l 5 3 ． 5 4 5 l 9 ． 5 8 1 4 7 ． 4 4 8 7 ． 7 8 2 0 ． 1 7 5 2 3 ． O l 8 O ． 1 8 9 1 ． 8 2 4 9 ． 88 5 2 0． 9 8 6 1 2 8． 8 4 5 7 ． 7 5 2 5 O ．1 1 5 2 2 ． 3l 8 0 ． 1 7 1 ． 9 O 6 1 0 2 ．1 7 21 ． 7 3 9 4 6 ． 9 7 9 7 ． 2 3 6 0 ． 0 8 3 4 0． 1 7 0 ． O 6 4 1 ． 6 41 1 0 3 ． 1 4 7 1 8 ． 6 61 4 7 ． 5 4 8 7 ． 3 2 4 0 ． 0 8 6 3 9 ． 4 51 0 ． 0 5 9 3 断层风氧化带水 1 ． 6 4 1 1 0 3 ． 1 4 7 1 8 ． 3 8 6 l 8 ． 3 4 3 7 ． 5 1 7 O ． 0 6 3 4 ． 7 2 4 0 ． 0 4 7 1 ． 4 7 4 l 1 0． 5 2 6 1 8 ． 6 61 21 ． 2 1 7 ． 5 9 9 O ． O 4 8 2 2 ． 5 5 7 0 ． 1 01 1 ． 5 5 7 l o 6． 3 6 7 1 8 ． 5 2 3 l 9 ． 7 7 6 7 ． 5 5 8 0 ． 0 5 4 2 8 ． 6 4 0 ． 0 7 4 1 ． 4 0l 58 ． 7 8 5 1 7 ． 5 2 8 l 8 ． 6 0 7 7 ． 6 7 0 ． 0 7 4 3 9． 3 5 0 ． 0 4l 1 ． 5 3 5 9 ． O 9 2 1 8 ． 0 2 6 1 9 ． 0 4 7 7 ． 73 0． 0 6 8 3 8 ． 5 2 0 ． O 7 3 1 ． 4 6 5 5 8 ． 9 3 1 7 ． 7 7 7 1 8 ． 8 2 7 7 ． 7 0 ． 0 7l 38 ． 9 3 5 0 ． O 5 7 陷落柱水 1 ． 5 7 8 6 0 ． 2 8 8 1 6 ． 6 3 9 1 6 ． 2 8 8 7 ． 8 l 7 0． 0 9 2 3 9 ． 7 3 7 0 ． 0 3 9 1 ． 3 3 9 6 9 ． 5l 6 1 7 ． 2 7 4 1 7 ． 1 8 7 7 ． 6 5 5 0 ． O 3 3 4 ． 6 6 3 0 ． O 6 5 1 ． 4 5 8 5 6 4 ． 9 0 2 1 6 ． 9 5 6 1 6 ． 73 7 7 ． 7 3 6 O． O 61 3 7 ． 2 0 ． 0 5 2 6 ． 21 5 8 2 ． 4 7 7 5 2 ． 9 0 7 1 3 0 ． 7 0 6 7 ． 5 6 4 0． 3 2 6 l 3 ． 2 8 O ．1 4 5 奥灰水 5 ． 3 5 2 7 4 ． 9 2 6 ． 2 4 l l 1 ． 5 4 7 0 ． 0 2 6 0 ． 3 2 0 ． 1 6 3 5． 7 8 3 5 7 7 ． 5 4 31 ． O l 9 5 ． 4 9 8 ． 21 O． 4 4 O ． 2 0 ． 1 5 4 2 ． 5 6 4 4 5 ． 41 2 1 9 ． 3 7 8 2 7 ． 2 5 4 7． 6 0 ． O 2 9 ． 3 o 4 O ． 0 9 地面泉水 2 ． 3 2 1 4 6 ． 4 1 4 2 2 ． 0 9 l 3 ． 1 7 8 8 ． 3 3 4 0 ． 0 2 1 9 ． 4 5 8 0 ． 1 0 5 2 ． 4 3 2 4 9 ． 0 5 2 6 ． O 7 9 3 7 ． 7 7 6 7． 8 4 3 0． 0 3 3 l L 3 7 O 2 ． 3水样采集、 测试 、 分析 在 2 0 1 0 ． 1 2 ． 2 3日水样化 验表 中， 见表 2 ， 虽 然 F e 、 s o 一 离子含量有一定的差别， 但是结合同 区域其他水样 老空水、 奥灰水等 中硫酸根离子 的含量能够打 到 4 0 0 m g ／ l ， 基本 确定不属 于此类 水样。同时， 其余六种离子含量 的总趋势是一致 的， 所以分析三种水样都是顶板砂岩水。造成水 样离子含量有差别的原因可能为该区域地应力的 作用破坏了稳定 的地层构造 ， 次生 出许多特殊 的 地质构造 ， 导致该含水层 的径流方向在局部地 区 发生变化 ， 在相 同的历史 时期流人 了不同的地质 领域， 最终导致该水样不同化学成分含量的差异。 表 2 井工三矿水样采集与测试成果表 部分 取样矿井 井工三矿 取样时间 2 0 1 0 ． 1 2 ． 2 3 水样类型 顶板砂岩水 顶板砂岩水 顶板砂岩水 9 l 1 O辅运 5 钻窝 9 l 1 O辅 运迎头顶 东翼辅运大巷西段 采样地点 放水孔 板锚 杆流水 5 2 0m处 特征离子 次数 数值 m g ／ ] 均值 ra g ／ 1 数值 m g ／ 1 均值 ra g ／ 1 数值 ra g ／ 1 均值 ra g ／ 1 l 2． 4 4 5 1 ． 21 4 1 ． 6 7 O K 1 ． 7 9 7 l | 2 2 3 2 ． 0 7 9 2 1 ． 1 4 9 1 ． 3 5 4 1 ． 9 7 1 1 5 4． 9 8 9 7 3． 4 7 8 4 6 ． 2 2 5 Ca 2 5 7． 4 0l 7 9 ． 6 4 2 5 5 ． O 0 o 2 5 9 ． 81 4 7 5． 6 7 4 5 3 ． 5 4 5 3 第 9卷第4期 华北科技学院学报 2 0 1 2年 1 0月 续表 取样矿井 井工三矿 取样 时间 2 0 1 0 ． 1 2 ． 2 3 水样类型 顶板砂岩水 顶板砂岩水 顶板砂岩水 9 l 1 O辅运 5 钻窝 9 l 1 O辅运迎头顶 东翼辅运大巷西段 采样地点 放水孑 L 板锚杆 流水 5 2 0m处 特征离子 次数 数值 ra g ／ 1 均值 m s ／ 1 数值 m g ／ 1 均值 ra g ／ 1 数值 m g ／ 1 均值 ra g ／ 1 1 1 5 ． 7 8 3 1 5 ． 63 6 2 2． 3 9 2 Mg 2 1 6 ．6 9 8 1 8 ． 0 0 0 1 8 ． 8 5 2 2 1 7 ． 6 1 2 1 7 ． 9 8 6 1 9 ． 5 8 0 1 3 3 ． 4 2 2 9 7 ． 01 6 1 1 O ． 2 4 2 S 0 一 3 3 ． 6 6 2 1 1 O ． 8 5 0 1 3 O ． 2 3 4 2 3 3 ． 9 0 1 1 0 3 ． 8 0 0 1 4 7 ． 4 4 8 1 7． 3 5 0 7 ． 2 2 9 7 ． 78 2 P H 7 ． 3 61 1 2． 7 6 0 9 ． 7 6 4 2 7 ． 3 7 2 1 0 ． 3 2 7 1 2 3 ． 0 0 0 51 ． 0 0 0 5 5 ． 0 o O F e 2 4 ． 5 0 o 5 0 ． 1 2 4 l o o ． 2 6 7 2 2 6 ． 0 0 0 5 5 ． 4 2 3 1 7 5 ． o o O 1 2 4． 1 2 7 25 ． 8 7 0 21 ． 6 1 8 NO 2 2 3 ． 0 4 0 2 8 ． 8 8 5 2 5 ． 6 7 3 2 2 1 ． 9 5 2 2 7 ． 7 6 3 2 3 ． 0 1 8 1 0 ． 1 o 9 O ． 1 1 8 0． 1 5 2 I O ．1 2 4 0 ． 06 3 0 ． 0 91 2 0 ． 1 3 8 O． o o 9 0． 1 8 9 3结论 1 开展了矿井交流 电法超前探测 系统软件 及硬件系统研发设计工作 ， 采用复杂的数 学及物 理方法及交流电放 电法 ， 可适应具有 自然电场及 人工电场等复杂条件下， 采集仪器 自身放心的电 压及电流。该套超前探测系统具备抗干扰 、 小电 流、 低电压 、 自动成图及探测精度高等突出特点。 2 收集矿上各类水质化验台帐， 并按类型分类； 分析离子含量的稳定性， 对于基本稳定的水源类型可 以参与了建库， 对于不稳定的水源类型要进行按区域、 按时间分类建库； 根据取水水样的取水地 及时间， 选 取水源类型样品库及 自动或人工选择特征离子。 3 研究出适合于煤矿水害源识别 的具 轻便 、 简便 、 快速功能的水害源快速识别方法。非专业 人员可操作使用的快速探水方法与设备， 对出水 水源的快速识别， 通过测定多种离子含量。其测 定速度快 ， 可达到实时测试的 目的， 与现有方法相 比具有巨大的优势 。 参考文献 董书宁．对中国煤矿水害频发的几个关键科学 问题的探讨[ J ] ．煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 1 6 6 7 1 程久龙， 王玉和， 于师建等 ．巷道掘进 中电阻 率法超前探测原理与应用[ J ] ．煤田地质与勘 探 ， 2 0 0 0 ， 2 8 4 6 0 6 2 王东伟， 刘志新 ， 武俊文等 ．矿井瞬变电磁 法 在巷道迎头超前探测中的应用[ J ] ．工程地球 物理学报 ， 2 0 1 1 ， 8 4 4 0 1 4 0 7 于景郝． 矿井瞬变电磁法勘探[ M] ． 徐 州 中国 矿业 大学 出版社 ， 2 0 o 7 周健， 史秀志， 王怀勇． 矿井突水水源识别的距离判 别分杯漠型[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 2 z 7 8 2 8 2 Re s e a r c h o n wa t e r a b un da n c e o f p i l o t pr o bi ng t e c hn o l o g y f o r h e a di ng a n d f a s t r e c o g n i t i o n me t ho d o f wa t e r s o u r c e L l U J i a n y u ． L I Y o n g j u n 1 ．C h i n a c o a l P i n g s h u o G r o u p C o ． L t d ， P i n g s h u o S h a n x i 0 3 6 0 0 6 ； 2 ． S a l t y e n g i n e e r i n g c o l l e g e o f N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Y a n j i a o B e i j i n g E a s t 1 0 1 6 0 1 Ab s t r a c t A me t h o d a n d d e v i c e o f w a t e r a d v a n c e a n d q u i c k d e t e c t i o n i s r e s e a r c h e d ， Wh i c h i s l i g h t ， f a s t g e t t i n g i mme d i a t e d e t e c t i o n r e s u l t s a n d i s s u i t a b l e f o r r o a d wa y l e a d i n g d e t e c t i o n ． T h r o u g h t h e s t u d y o n f a s t r e c o g n i t i o n me t h o d o f wa t e r s o u r c e，a n d c o m b i n e d wi t h h y d r o l o g i c a l g e o l o g y c h a r a c t e r i s t i c s o f mi n i n g a r e a ， a l i g h t ， s i mp l e， f a s t f u n c t i o n me t h o d for r a p i d i d e n t i fi c a t i o n o f wa t e r s o u r c e i s r e s e a r c h e d， w h i c h i s s u i t a b l e f o r c o a l mi n e fl o o d s o u r c e i d e n t i fi c a t i o n ． Ke y wo r d smi n e wa t e rb u I t i n g ； a d v a n c e d d e t e c t i o n ；h e a d s t r e a m r e c o g n i t i o n；r e c o r d i n g s y s t e m d e v e l o p me n t 4 1 J 1 J 1 J 1 J 1 2 3 4 5