示踪试验在探查灰岩含水层突水通道中应用_刘满才.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. School of Earth and Environment, Anhui university of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract In order to find out the water bursting channels in limestone aquifer under coal seam floor in working face 63301 of Xinzhuangzi coal mine, NaCl was adopted as the tracer and put into Taiyuan and Ordovician limestone aquifers. In the same case, KI tracer was put into observation wells in Cambrian limestone aquifer. Water samples were collected at intervals of the water inrush point at working face.63301. According to the curve of relationship between the concentration and time, the results of test and analysis indicate that there are many small channels and a large channel in the floor limestone aquifers of Taiyuan ation. Many channels are in Ordovician limestone aquifer, while Cambrian limestone aquifer has only 2 channels. The water flowing velocity in different limestone aquifer channel varies, showing the developmental heterogeneity of its karst fissures. Besides, limestone aquifer parameters are calculated with water inrush data. The above work provides an important reference for further study on the prevention and control of water hazards from Taiyuan limestone floor. Key words working face 63301; limestone aquifer; tracing test; karst channel 煤层底板灰岩含水层突水是我国煤矿生产中最 常见的水害事故，为了查明其突水通道，目前，采 取多种探测方法与技术，不仅利用瞬变电磁超前探 测底板构造发育情况[1-3]，也采用地震、电法结合钻 探等多种方法综合探测陷落柱[4-5]。采用同位素技术 和水文地球化学方法[6-8]，分析水源查明通道是一种 间接有效方法，而利用从源到汇的示踪试验方法是 目前矿山查明不同含水层地下水通道发育情况最直 接有效的技术方法，因此，在煤层底板突水查明突 水水源与通道时被广泛应用[9-11]。本文以安徽淮南 新庄孜矿为例，探查灰岩突水后通道情况。 1 研究区背景 新庄孜煤矿位于安徽淮南市西部， 八公山东麓， 其西北与李嘴孜矿接壤，东南与谢一矿相邻。井田 地层呈单斜构造，其走向 N40W，倾向 NEE，倾 角为 1254图 1、图 2。井田内断裂构造发育， 局部发育小型褶曲。目前开采二叠系山西组的下部 13 组煤层，开采过程中直接受到底板石炭系太原 组灰岩含水层地下水威胁，在构造发育地段，还可 ChaoXing 第 5 期 刘满才等 示踪试验在探查灰岩含水层突水通道中应用 51 图 1 示踪剂投放孔及相邻矿井地面观测孔分布图 Fig.1 Distribution of boreholes of injected tracer and adjacent observed boreholes 图 2 VIII-Ⅸ线示踪剂投放点到接收点剖面示意图 Fig.2 The section from tracer injecting point to receiving point on line VIII-Ⅸ 能受奥陶系和寒武系灰岩水的威胁。 63301工作面是新庄孜矿六三采区三阶段A1煤 层一个回采工作面， 南起新谢井田技术边界线北 10 m， 北至Ⅷ-Ⅸ线南 100 m，如图 1 所示。区内 A1 煤层 平均厚度为 2.0 m，距离底板 17 m 为太原组 C3Ⅰ组 灰岩，该组灰岩厚约 38 m。相邻工作面灰岩钻孔揭 露 C3Ⅰ组灰岩含水层，单孔涌水量为 09 m3/h，最 大水压 0.6 MPa，灰岩岩溶裂隙不发育，富水性弱。 C3Ⅰ组灰岩向下依次为太原组 C3Ⅱ组、 C3Ⅲ组灰岩， 其厚度分别为 39.15 m 和 44.83 m。其中，C3Ⅲ组灰岩 岩溶裂隙相对发育，富水性相对较强，常接受底部奥 灰水的补给。奥陶系灰岩厚度约 250 m，单位涌水量为 1.01.3 L/sm，溶蚀裂隙发育，在断层等交叉部位岩 溶较发育；而寒武系灰岩虽距离开采煤层垂向距离较 远，但在井田西南部的八公山为其出露区，接受大气 降水直接补给，富水性强，通过构造带间接补给奥陶 系和石炭系灰岩含水层， 为矿井充水的间接补给水源。 2 工作面突水过程 2012 年 10 月 4 日上午 800 左右，63301 工作 面来压，出现底鼓，当日下午 1410 底板出水，5 h 后出水量由 20 m3/h 增加至 130 m3/h，随后趋于稳定。 该工作面底板突水后，井田及相邻的谢一矿、 李嘴孜矿的地面石炭系和奥陶系及寒武系灰岩含水 层观测孔水位出现了不同幅度的下降图 3、图 4。 为进一步查明 A1 煤层底板下部的灰岩含水层 突水通道，确定采用示踪试验方法，通过监测分析 工作面突水点的所投放特征离子浓度动态变化，分 析各灰岩含水层地下水流向、流速及灰岩导水通道 发育以及含水层参数等信息。 3 灰岩地下水示踪试验 3.1 试验原理 示踪试验主要采用与地下水化学成分背景值差 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 3 63301 工作面出水前、后谢一矿地面灰岩观测孔水 位动态变化 Fig.3 Dynamic change of water level in observation holes in limestone before and after water inrush at working face 63301 in Xieyi coal mine 图 4 63301 工作面出水前、后新庄孜矿及李嘴孜矿地面 灰岩观测孔水位动态变化 Fig.4 Dynamic change of water level in observation holes in limestone before and after the water inrush at working face 63301in Xin zhuangzi coal mine and Lizuizi coal mine 异较大、稳定较好且易溶性强的盐类离子作为示 踪剂，通过地面钻孔将其注入到与突水点相关的 含水层，然后进行注水加压，使得示踪剂中的特 征离子随地下水流不断地迁移、扩散，并在地下 水流的下端排泄点定期进行取样监测，然后分析 特征离子浓度随时间的变化规律，以此分析在突 水过程中，补给含水层地下水运动规律，进而间 接获得投放与接收点间的岩溶地下水运动各种相 关信息。 依示踪剂浓度沿着地下水流运动方向逐渐降低 并扩散，求得浓度峰值与距离的关系，可以得到示 踪剂沿着 X 方向的流动速度 /uL t 1 式中 L 为 X 方向上距坐标原点的距离，m；u 为地 下水流动速度，m/h；t 为时间，h。 3.2 投放点及示踪剂的选择 依突水后地面各灰岩观测孔的水位动态变化情 况，结合示踪试验目的及投放孔含水层的条件，选择 Ⅷ-CⅨ 3-Ⅲ、Ⅵ- CⅦ 3-Ⅲ和 OⅠ 1-2以及寒武系ⅦⅦ水位 降幅最大的 4 个孔作为示踪剂投放孔图 1、图 2。 根据新庄孜煤矿水质化验背景资料结果，本次 突水前太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层中的 Cl-浓度值为 3545 mg/L。 且考虑到灰岩裂隙介质的 不连续性、溶隙表面对示踪剂的吸附作用，以及对 地下水污染程度等， 选择 NaCl 作为投放试剂， 其用 量考虑到地下水背景值中的氯离子浓度大小、投放 孔距离接收点的水平距离， 每个孔选择 150 kg 为宜[12]， 采用硝酸银AgNO3滴定法，以铬酸钾作为指示剂， 测试示踪试验中氯离子浓度的动态变化。为区别起 见，寒武系灰岩含水层选择 KI 作为示踪剂，采样点 处于 63301 工作面突水点位置，其标高为–812 m， 有关投放点信息如表 1。 表 1 示踪试验概况 Table 1 The general situation of the tracer test 投放点名称 距突水点距离/m 层位/水位降幅情况 试剂名称 试剂量/kg 检测对象 投放时间 Ⅷ-CⅨ 3-Ⅲ孔 1 721 C3Ⅲ层/–190.55–233.84 m NaCl 150 Cl– 10月10日1100 Ⅵ–CⅦ 3–Ⅲ孔 2 366 C3Ⅲ层/–168.06–209.39 m NaCl 150 Cl– 10月11日1000 OⅠ 1–2 孔 2 085 O12层/–95.71–120.54 m NaCl 150 Cl– 10月16日1600 ⅦⅦ孔 2 926 Ⅶ层/–266.25–275.67 m KI 30 I– 10月16日800 3.3 试验过程 为了对比背景和试验过程中特征离子的变化， 整个试验分为两个阶段进行 a. 背景值测试阶段 2012 年 10 月 6 日到 10 月 9 日，对 63301 工作面突水点的水样进行了检测， Cl–的背景值为 3545 mg/L，碘离子背景值在 24 g/L 之间。 b. 试验阶段 从 2012 年 10 月 10 日到 10 月 16 日，分别对Ⅷ–C3Ⅸ–Ⅲ孔、Ⅵ–C3Ⅶ–Ⅲ孔和OⅠ 1–2 孔投放了 NaCl 示踪剂，对ⅦⅦ孔投放 KI，并分别 对投放孔进行注水加压。在试验过程中，在井下突 水点处按照一定时间间隔采样，并及时对 Cl–和 I 进行实时测试，其动态曲线如图 5图 8 所示。 4 结果分析 4.1 通道及流速分析 在Ⅷ–CⅨ 3–Ⅲ孔投放 NaCl 后， 在突水点处 2 次 接收到 Cl–浓度峰值，分别为 47.96 mg/L、51.41 mg/L， 利用式1计算得到水流速度分别为 104.30 m/h、 88.26 m/h表 2， 由此推断从Ⅷ–CⅨ 3–Ⅲ孔到突水点 ChaoXing 第 5 期 刘满才等 示踪试验在探查灰岩含水层突水通道中应用 53 图 5 Ⅷ–ⅨC3–Ⅲ孔示踪试验氯离子随时间变化 Fig.5 Change of chloride ion content with time of tracing test in well Ⅷ–ⅨC3–Ⅲ 图 6 Ⅵ-ⅦC3-Ⅲ孔示踪试验氯离子随时间变化 Fig.6 Change of chloride ion contents with time of tracing test in well Ⅵ-ⅦC3-Ⅲ 图 7 ⅠO1-2 孔示踪试验氯离子随时间变化 Fig.7 Change of chloride ion content with time of tracing test in wellⅠO1-2 图 8 Ⅶ∈孔示踪试验碘离子随时间变化 Fig.8 Chang of chloride ion content with time of tracing test in well Ⅶ∈ 之间可能存在 2 条溶隙通道，使得 Cl–峰值浓度较 高，且灰岩含水层的水流速度较大。另外，通过 对图 5 分析发现第一次峰值出现后，Cl–浓度不 仅没有下降反而平稳一段时间后逐步上升，3 h 后 达到第二次峰值，间接表明第二波峰经过另一条 较远的裂隙通道；而在第二次峰值之后 Cl–浓度缓 慢下降并出现一段稳定阶段，反映了来自补给区 的观测孔上方地下水通过 2 条主流通道向突水点 进行排泄。 在Ⅵ–CⅦ 3–Ⅲ孔、 OⅠ 1–2孔投放 NaCl 后，分别 有 3 次和 2 次接收到 Cl–浓度峰值，其峰值浓度和对 应的水流速度相对较小表 2，据此推断两投放孔与 突水点之间可能是以裂隙通道为主。 此外， 通过对比 图 6、图 7 发现峰值之后 Cl–浓度均呈波动下降， 表明这 2 孔与突水点之间除主要裂隙通道外， CⅦ 3–Ⅲ孔与突水点之间可能有 3 组主要裂隙通道， OⅠ 1–2孔与突水点之间可能有 2 组主要裂隙通道， 另 外， 还可能发育多组复杂的裂隙小通道， 且裂隙通道 的径流条件相对较差。 在ⅦⅦ孔碘化钾试剂投放 82 h 后，在突水点第 一次出现波峰，并继 4 h 时之后第二次出现波峰。 经计算，主峰和次峰到达平均速度分别为 35.68 m/h、 34.02 m/h， 表明主峰通道的水流速比次峰通道稍快， 在水力坡度相同的情况下，主峰通道的渗透性较次 峰通道更强图 8。 4.2 含水层参数 63301 工作面底板灰岩出水量为 130 m3/h，井田 内灰岩含水层观测孔水位出现不同幅度下降，为非稳 定流， 运用AquiferTest软件， 通过Theis配线法及Jacob 的直线图解法求解 C3Ⅲ灰岩含水层水文地质参数 导 水系数T、渗透系数K和储水系数μ*[13] 表 3。 不同观测孔与出水点之间计算所得的渗透系 数、导水系数在同一个数量级上，反映 C3Ⅲ组灰岩 含水层裂隙的渗透性相差不大，且渗透性较好，但 储水性存在一定差异。 表 2 试验过程中不同峰值特征参数 Table 2 Different peak characteristical parameters in the tracing test 第一峰值 第二峰值 第三峰值 投放点 名称 时间 /h 浓度 /mgL–1 流速 /mh–1 时间 /h 浓度 /mgL–1 流速 /mh–1 时间 /h 浓度 /mgL–1 流速 /mh–1 Ⅷ–CⅨ 3–Ⅲ孔 16.5 47.86 104.30 19.5 51.41 88.26    Ⅵ–CⅦ 3–Ⅲ孔 52 41.62 45.50 55 44.96 43.02 60 46.05 39.43 OⅠ 1–2 孔 34.5 41.15 60.43 48.5 45.34 42.99    ⅦⅦ孔 82h 0.0167 35.68 86 0.011 34.02 ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 42 卷 表 3 水文地质参数计算结果 Table 3 Calculation results of hydrogeological parameters 配线法Theis 直线图解法Jacob 时间–降深 观测孔 T /m2d–1 K/ md–1 μ* T /m2d–1 K/ md–1 μ* 李CⅤ 3–Ⅲ上 419 9.35 6.6610–7 190 4.23 9.2010–6 Ⅴ–CⅥ 3–Ⅲ 254 5.67 2.0710–5 168 3.74 4.2910–5 Ⅵ–CⅦ 3–Ⅲ 92.3 2.06 5.9210–5 69.6 1.55 4.2910–5 CⅢ 3–Ⅲ 460 10.3 3.0510–5 260 5.79 6.6610–5 Ⅷ–CⅨ 3–Ⅲ 221 4.93 1.8110–4 268 5.98 1.4210–4 5 结 语 综上， 在距煤层底板较近太原组灰岩含水层中， 其裂隙通道较为发育，Ⅷ–CⅨ 3–Ⅲ孔与突水点之间 存在 2 条溶隙通道，在本次试验过程中达到峰值时 间最短、浓度值高，径流速度快；而Ⅵ–CⅦ 3–Ⅲ孔 和OⅠ 1–2孔与突水点之间的裂隙通道次之，试验过 程中出现峰值的时间相对较长、浓度较低，径流速 度慢得多；而寒武系径流时间长，流动速度相对较 慢 。 这 一 结 论 与 突 水 前 后 的 Ⅷ–CⅨ 3–Ⅲ 孔 、 Ⅵ–CⅦ 3–Ⅲ孔和 OⅠ 1–2孔水位变化情况十分吻合， 再次表明，63301 工作面突水水源是多种水源混合， 存在多条不同尺度的通道，且错综复杂，也是突水 水量稳定的主要原因。 参考文献 [1] 赵庆彪，程建远，杜丙申，等. 东庞矿突水陷落柱综合探查技 术[J]. 煤炭科学技术，2008，36898–102. [2] 罗平平，范波. 深部矿井底板隐伏含水构造瞬变电磁探测 应用[J]. 山东科技大学学报自然科学版，2010513–18 [3] 邨于景，刘志新，刘树才，等. 深部采场突水构造矿井瞬变电 磁法探查理论及应用[J]. 煤炭学报，2007，328818–821. [4] 张泓，夏宇靖，张群，等. 深层煤矿床开采地质条件及其综合 探测现状与问题[J]. 煤田地质与勘探， 2009， 371 1–11. [5] 虎维岳. 矿山水害防治理论与方法[M]. 北京煤炭工业出版 社，2005. [6] 潘国营，张坤，王佩璐，等. 利用稳定同位素判断矿井水补给 来源以平禹一矿为例[J]. 水资源与水工程学报，2011， 226119–122. [7] 孙洪星， 王兰健， 邹人和. 环境同位素示踪技术在矿井水防治 中的应用[J]. 水文地质工程地质，2000，26534–37. [8] 王广才，段琦，卜昌森，等. 水文地球化学方法在煤矿水害研 究中的某些应用以平顶山、肥城矿区研究为例[J]. 地质 论评，2001，476653–657. [9] 王皓，杜剑卿，李竞生. 煤矿区放水试验中示踪剂的运移 规律[J]. 煤田地质与勘探，2010，28528–33. [10] 蔡荣，梁媛，马亿刚，等. 横河煤矿底含放水孔与井田内供水 井连通试验研究[J]. 吉林大学学报，2004，341102–105. [11] 杨尔乾. 大型投盐探测地下水连通试验经验总结[J]. 水资源 保护，1994，12340–46. [12] 孙恭顺，梅正星. 实用地下水连通试验方法[M]. 贵州贵州 人民出版社，1988. [13] 吴吉春，薛禹群. 地下水动力学[M]. 北京中国水利水电出 版社，2009. 井下定向钻进技术与装备 创煤矿井下顺煤层定向钻孔深度新纪录 近日，由中煤科工集团西安研究院有限公司简 称“西安研究院”承担的“十二五”油气重大专项课题 “中硬煤层大功率定向钻进技术与装备”取得重大突 破。该项目在山西省晋煤集团寺河矿，采用西安研究 院自主研发的中硬煤层大功率定向钻进成套技术与 装备，成功完成了主孔深度 1 881 m 的顺煤层定向长 钻孔， 创造了煤矿井下顺煤层定向钻孔深度新的世界 纪录。 本次试验地点位于寺河矿 5301 工作面 53015 巷 20 号横川定向钻钻场。在矿方的大力支持与配合下， 西安研究院技术人员应用自主研发的成套技术与装 备 ZDY12000LD 定向钻机、 BLY390 泥浆泵车、 新型 随钻测量系统和钻具、复合定向钻进工艺等，完成了 试验孔的施工。钻孔最大主孔深度 1 881 m，总进尺 2 601 m，施工周期 12 d，平均日进尺 210 m 以上。 梅新 ChaoXing