煤矿水文地质勘探

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煤矿水文地质勘探中煤科工集团西安研究院王新研究员 煤矿水文地质勘探地质勘探定义：是在对矿产普查中发现有工业意义的矿床，为查明矿产的质和量，以及开釆利用的技术条件,提供矿山建设设计所需要的矿产储量和地质资料，对一定地区内的岩石、地层、构造、矿产、水文、地貌等地质情况进行调查研究工作。勘探类型：1、资源勘探石油、煤炭、天然气、金属非金属矿产资源等；2、工程地质勘探（勘察）大型及重要建设项目场地：港口码头，机场等；3、水文地质勘探供水勘探，开采水文地质条件勘探等；（供水与防治水）4、各种专项勘探：煤层气勘探、科学地质勘探、地震勘探等煤矿地质勘探地质勘探报告建井地质报告A生产地质报告煤矿生产期：防治水为主水文地质报告詁比卅盾由矿井建设开始，到开采结束期间所逬行的一切勘探，统j丁II■^称矿井地质勘按°按其目的之不同，分为矿井资源勘探、规程尸矿井补充勘按、生产勘探和矿井工程勘探等四类。煤矿水文地质勘探矿井建设生产阶段所进行的水文地质勘探，一般视为煤炭资源勘探阶段的水文地质工作质勘探的继续与深入，多带有补充勘探的性质。基本任务是，为煤炭工业的规划布局和煤矿建设，安全生产提供水文地质依据,并为水文地质研究积累资料。煤矿水文地质勘探特征它一般应分阶段循序进行。矿井水文地质勘探为矿井建设、采掘、开拓延深、改扩建 提供所需的水文地质资料，并为矿井防治水工作提供水文地质依据，它是在煤田水文地质勘探的基础上进行的。矿井水文地质勘探是在矿井建设和生产过程中进行的，它既可以验证和深化煤田地质勘探对井田（矿井）水文地质条件的认识，又可以根据矿井建设生产过程中遇到的水文地质问题，充分利用矿井的有利条件，进行有针对性的矿井水文地质勘探， 为矿井建设生产和矿井防治水工作提供依据。可见矿井水文地质勘探是煤田地质勘探所不能取代的。对于水文地质条件复杂和极复杂的大水矿井，尤其是这样。二、煤矿水文地质勘探规范1、《矿区水文地质地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）2、《煤、泥炭地质勘查规范》（DZ/T0215-2002）3、《煤矿防治水规定》（国家安监总局、煤矿监察局）勘探类型划分=（依据矿床主要含水层的储水空间特征）三类孔隙充水矿床、ArkMf弟—类:裂隙充水矿床第三类:岩溶充水矿床_C第一型=水文地质条件简单矿床］-型科第二型=水文地质条件中等矿床第三型=水文地质条件复杂矿床水文地质勘探类型和矿井水文地质类型区别水文地质勘探类型:划分的目的是为不同类型矿床的勘探工程设定不同工程量、勘探程度以及矿井涌水量计算等技术要求。比如：孔隙充水简单型矿床在勘査阶段的水文地质剖面要求至少一条，但在复杂型矿床要求至少4条剖面，各剖面上不少于3个水文孔；水文地质条件简单的矿区，可计算全矿区的正常和最大涌水量。立足与勘探，围绕如何将勘探工作做好，与开采安全关系不大。矿井水文地质类型:划分的目的是保证矿井安全生产，按照不同类型水文地质条件，对煤矿安全进行安全监管。比如：水文地质条件复杂的矿井要求设立专门的防治水机构，装备必要的防治水抢险救灾设备，探放水应当坚持“有掘必探”原则。煤矿防治水规定第二十九条：矿井有下列情形之一的，应当进行水文地质补充勘探工作:1＞矿井主要勘探目的层未开展过水文地质勘探工作的;2、矿井原勘探工程量不足，水文地质条件尚未查清的;3、矿井经采掘揭露煤岩层后，水文地质条件比原勘探报告复杂的;4、矿井经长期开采，水文地质条件已发生较大变化，原勘探报告不能满足生产要求的;5、矿井开拓延伸、开采新煤系（组）或者扩大井田范围设计需要的；6、特殊地质条件部位或者深部煤层下伏强含水层，煤层底板带压，专门防治水工程提出特殊要求的;7、各种井巷工程穿越强富水性含水层时，施工需要的。 煤矿安全规程282条：新建矿井揭露的水文地质条件比地质报告复杂的，应当进行水文地质补充勘探，及时查明水害隐患，采取可靠的安全防范措施。 三.煤矿水文地质补充勘探设计1＞补勘的目的、任务目的：防治水。任务确定应全面分析已有资料,确定补勘的任务。2、补勘的依据：规范规程、资料来源3、补勘的范围：矿井？采区？工作面？下组煤？上组煤？煤系地层含水层？太灰含水层?奥灰含水层？4、补勘技术手段及工程量：根据任务及规程（勘探类型）确定。5、工程预算6、成果设计四.煤矿水文地质勘探方法与手段水文地质测绘水文地质钻探水文地质试验水文地质测试矿井涌水量计算计算机模拟勘探新技术常用技术1、水文地质测绘方法：水文地质调查，地面和井下水文地质观测手段：测绘、观测、填图、绘图、记录等水文地质调查内容包括：资料收集、地貌地质、地表水体、井泉、古井老窑生产矿井、周边矿井、地面岩溶调查。煤矿防治水规定中有比较详细的要求2、水文地质钻探它所完成的任务内容包括以下几个方面：（1）完善并建立含水层水动态观测系统；（2）形成矿井水文地质试验系统；（3）为岩石力学性能测试取样、测试提供条件；（4）探查目的含水层岩性、厚度和富水性；（5）探查开采煤层底板至奥灰含水层间隔水层岩性、厚度及隔水性； 钻探工艺要求钻探成果要求钻孔封孔设计钻探工程设计钻探工艺设计项目质里要求工作内咨钻孔偏斜<1.5°/100m每30m测斜一次孔深误差<1.5^钻井液猜水站进必须采用泥浆钻进时，应采取有效洗井措施。取芯完整岩层岩芯采取率70%;破碎帯＞60%地质编录详细记录涌水、掉块、塌孔、缩径、逸气、掉詁等现象层位和深度，岩性、裂隙性质、密度、风化程度、岩溶持性及发育深度。水文测井全孔测井视电阻率、自然电位、自然伽玛、井温、井斜。下管止水优质无缝洞管，止水后管内水位下眸速度＜2cnVh套管封闭止水自管底注浆，全孔封闭水质取样原状水样简易水文单孔抽水试验稳定时段延续时间不少于8小时水位、冲洗液消耗、孔内情况、岩心描述等钻孔结构设计考虑因素：孔深，孔径、抽水试验等_€・、、>< 抽水试验对地下水进行定量研究的重要手段。回答：1、钻孔涌水量与水位下降关系2、获取含水层参数，渗透系数、导水系数和储水系数等3、求得含水层影响半径、降落漏斗形状等资料4、含水层之间联系；5、含水层边界条件及隔水层参数等抽水孔与观测孔布置试验抽水正式抽水：三个降深；延续时间与稳定时间；静止水位与恢复水位观测要求；抽水试验资料整理稳定流：钻孔出水量和动水位同时出现相对稳定，并延续一定时间。一般要求三个降深，设最大降深为Si，S2=2/3S1一般地：S3=1/3S1非稳定流：抽水过程中保持水量稳定，观测水位变化或保持水位稳定，观测水量变化。符合实际。含水层的划分勘探过程中如何划分含水层？（1）岩石孔隙裂隙发育一一有储水空间提供较多的储水空间，形状各异，空隙、溶隙、孔洞、张开结构面等。岩层的储水空间在开采之前是天然的，开采过程或开采之后有人为的因素，比如采矿引起的导水裂隙带，水文地质补充勘探就将面临这种问题。勘探过程中如何发现这些储水空间呢？主要通过钻探充洗液的消耗来判定。测井、流量测井等方法也能从岩层的物理性质和岩层水流动状况反映岩层是否为含水层。（2）孔隙裂隙连续性好一一有径流条件（3）丰富的水源与补给源一一有补给条件钻孔单位涌水量VO.OOlL/s.m的岩层为隔水层煤矿水文地质勘探方法与手段3、物探目的与任务物採方法设计工程量谡计成果要求物掾工程设计地面瞬变电磁法 直流电法频率测深法音频电穿透法瑞雷波地震勘探法槽波地震勘探法高分辨地震勘探法地质雷达勘探法关于测井水文地质补充勘探一般应进行钻孔测井，测井可以：a.确定含水层、隔水层、软弱夹层的层位与厚度；b.确定断裂带、裂隙带和岩溶发育带的位置及厚度；c.划分地层组，编录钻孔柱状剖面；d・划分咸淡水界面；e.测定钻孔中含水层之间的补给关系；f.估算水文地质参数，包括地下水矿化度、孔隙率、渗透系数、流量及涌水量等；g.测定钻孔技术状况，包括钻孔孔径、孔斜，寻找孔内事故位置；h.地层物性参数测量。电阻率、自然电位、自然伽玛、井径、井温、井斜测量；井中流体测量、超声成像测井、声速、伽玛伽玛、井液电阻率、井液、钻孔电磁波法测井。4、化探水化学分析方法的简称。地下水的化学成份往往代表着其赋存地层的环境特征，按照各种特征离子的含量、矿化度、水质类型等，可以对不同含水层地下水做出区分，从而对井下涌水的来源进行识别。目的与任务取样方法水质测试项目工作量设计成果要求化学勘探设计Chemicalanalysisofwater1、简分析：了解区域地下水化学成分的概况。项目少，精度要求低，简便快速，成本不高。分析内容：除温度、颜色、透明度、嗅味味道外，定量分析HCO3、SO4、CL、Ca、总硬度、PH值。通过计算，求得N03>NO2、NHFe2Fe3H2S» 2、全分析项目多，要求精度高。通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析，以全面了解地下水化学成分，并对简分析结果检核。一般 定量分析内容：HCO3.S04.CL^Ca.C03.NO3.N02.NHFe2Fe3H2S煤矿水文地质勘探方法与手段5＞水文地质试验水文地质试验设计6、水文地质测试岩石物理力学性质测试、地应力测试、煤层顶底板破坏深度测试、专项测试专项设计、带压系数测试钻孔布置一一以辛置东四409工组面为例3号？LFR水昼变化曲线82—.—■0-E*Q水三：■_D'・TTO.1.O-09A人■■■■■MM・A-60-50-40-30-20~1OO1O2030405060 3号孔分段压水呈变化曲线O・07__•亠•.15WCC弓V.Vw—f*•77CC&~7.‘■_V-VI—-60-40-20O204.060♦33.£一33・9=•-30.G-3O・9=—■—Nd.・3=T|4号孑L压水量变化曲线n3~e^Qi-i73r48水呂二M=・a岩枠・滨专o:cjug厶o14：：：：）V.UUUJ-•1_O.0031t-80-60-40-200204060煤层底板破坏深度测试工作面底板采前、采后渗透性系数的变化，反映了采动对底板的破坏程度。以釆后和采前渗透系数的增量及开采后及开采前渗透系数的比值作为底板破坏深度的判别指标。Q两个判据测试深度Kf©AK7.51^13.8713.8716.431.1840922.5546558昭9.032.11250.3623.8333342.2249.96-102S2.74320.321.13289837.57610.94-1197.5109.641.12454912.14412414430.691.922.7538131.218578得出：底板岩层采动破裂深度在8.98-9.03m处带压系数测试DwATsDw=TsDwVTs不突水—般不突水，或渗透出水，水量有限突水7、矿井涌水量计算 矿区水文地质工程地质勘探规范：对补充勘探，当水文地质条件变化不大时，可用比拟法预测矿井涌水量。矿井涌水量计算必须建立在正确认识矿区水文地质条件基础上，建立矿区水文地质模型和数学模型选择有代表性的参数及合理的方法计算矿区正常和最大涌水量。主要方法有：比拟法、数理统计法、水均衡法、解析法、数值法和物理模拟法等。必须注意计算方法的使用条件，有条件时应采用几种方法计算对比。对计算结果应进行详细评价，分析论证计算涌水量可能偏大或偏小的原因，推荐排水设计的矿井涌水量。矿井涌水量计算1、比拟法：富水系数：Q=Kp•P采空面积富水系数:釆掘长度富水系数:Q=（。推圧）尺单位涌水量比拟法：函数关系比拟法：（咋深・巷道长度・雨季补给增长系数）2、解析法（1）概化：建立数学模型，把实际问题抽象成数学问题；（2）计算：对数学模型进行计算。承压转无压公武：引用半径最大水位降大井法Q=1,366K[（2H-M）M-（H-S）2]/CLgRo-Lgro）边界条件：四周进水3、数值法反求參数数值法是随着计算机的出现迅速发展起来的一种近似计算方法，常用的是有限元法足够的观测孔和清晰的边界条件预测计箕五、煤矿水文地质勘探成果补充勘探成果的特点：1、不同于资源勘探成果，资料累积，分析研究程度不足；2、补充勘探的成果不仅来源于补充勘探所取得的资料，还来源于前期勘探、生产实际揭露等，其成果是综合性的；3、水文地质补充勘探成果紧紧围绕煤矿生产实际，必须回答煤矿水文地质疑难问题，为解决水害问题提供地质依据。4、成果应不断更新，随时补充、修正和完善。 水文地质补充勘探成果内容如下：补勘成果1、水文地质钻探成果中包括：钻孔综合柱状图；钻孔测井成果；钻孔简易水文试验成果;2、钻孔施工记录；3、抽水试验成果4、钻孔测量成果5、封孔报告6、物探成果7、水化学分析成果8、岩石物理力学性质测试成果9、矿井涌水量预测成果10、煤矿开采水文地质条件综合评价基本图件包括：补勘成果1.钻孔综合柱状图；2.矿区综合水文地质图（含水文地质剖面图）；3.地面物探成果图；4.井下物探成果图；5.抽水试验综合成杲图；6.含水层水位等值线图；7.矿区水化学探测成果图；8.矿井涌水量计算图。监测内容：水位.水量、补勘报告的编制1、内容：补勘背景；补勘成果；水害隐患及防治措施。2、要求：充分利用已获得的资料；对重点问题要分析和研究:不同与一般勘探报告，以矿井防治水为立足点，为矿井防治水服务；考虑到矿井实际情况（人员水平等）采空区探查根据水文地质勘探的基本任务，为煤炭工业的规划布局和煤矿建设，安全生产提供水文地质依据，并为水文地质研究积累资料，水文地质勘探的内容应随现有煤矿条件的不同而不同。现有煤矿多有小煤窑采空区影响，其分布和积水情况对矿井水文地质条件带来很大的不确定性。因此，作为现在的水文地质勘探，对采空区的探查应作为非常重要的探查内容。由于其探查工作特殊性，可以单独列项开展。六、煤矿水文地质勘探新技术1、遥感；2、井下高压钻孔施工；3、矿井物探；4、化探；5、地温测量6、放水试验;7、地震等物探资料精细解释；8、底板破坏深度探测技术：钻孔压（注）水钻孔声波测井、 电磁波法、钻孔成像、顶底板相对移近量、单体支柱压力、钻孔相对地应力测量、声波大地电场法等；9、定向钻探技术：采用定向钻探技术，确定导水陷落柱等地质异常体形状和范围。10、计算机模拟技术。口、基于现代高精度分析仪器的水力联系判别：如电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP）可在3min内测72项指标；11＞实验室微观分析遥感图象主要解译的地质问题:a.地质构造（特别是活动构造）与地貌基本轮廓；b.断裂及隐伏断裂、隐伏构造的位置及其富水的可能性；c.外动力地质现象（滑坡、坍塌、泥石流、坡面冲刷、河流侵蚀、风蚀与风成堆积、冰川冻土、岩溶塌陷、地裂缝等）的分布；d.泉点、泉群、泉域、地下水溢出带出露位置、地表水体以及河流、水田、沼泽地、盐碱地的分布；e.古河道及浅层淡水的分布范圉与可能富水地段；f.各类地层岩性的分布范围；g.地表水体污染情况，工业与生活废物堆放场地的分布。关于矿井水文地质条件对矿井水文地质条件的认识有赖于水文地质补充勘探，但是，矿井实际生产过程中所反映出的地质、水文地质条件是非常宝贵的资料，是任何勘探方式也得不的成果。因此，有以下两种认识：1、对矿井生产过程中的突水、涌水量的变化、含水层水位的变化等突水条件的认识，结合勘探成果综合分析水文地质条件，从而做到精细解释的目的；2、生产过程是安全的，相应的地质资料、采煤方法等是如何保障安全生产的，这种情形下的总结和分析可能是更加重要的。矿井水文地质勘探技术的特点及发展1、在矿井水文地质勘探过程中，可以充分利用矿井的有利条件，做到井上、下相结合，以增强时空优势。2、在矿井水文地质勘探试验时，进行以井下放水试验（有时包括连通试验）为主的井下勘探，井上、下结合观测的综合勘探方法。这种以井下放水试验为中心的矿井水文地质综合勘探方法，不仅大大扩大了勘探空间，使勘探工稈的布置带有立体性，而且放水试验的水量和水位降深可以不受抽水设备能力的限制，能够较真实地模拟矿井建设、生产过程中的地下水流场特征，对矿井水文地质条件的评价和预测更接近于矿井建设、生产的实际，从而可为矿井建设、生产过程屮的矿井防治水工作提供可靠的水文地质依据。3、矿井水文地质勘探新技术的应用。4、由于水文地质勘探手段的发展，当前的矿井水文地质勘探工作已打破以测绘、钻探和抽（放）水试验为主体的单一格局，而代之以钻探、物探、化探、抽（放）水试验、示踪试验、工作面测试的综合勘探和从概念模型到数学模型的模拟计算，定量评价以及计算机的广泛应用。5、勘探装备呈现出的现代高技术特点。6、发展趋势是向水文地质条件的精确勘探方向发展，勘探技术与装备更加现代化、综合化,勘探成果更加贴近生产实际应用。近年我国煤矿水文地质勘探特点1、以补充勘探为主。向深部要煤炭资源。2、勘探规模以矿井为单位，有别于过去的资源勘探； 3、勘探技术有很大提高，新技术频出。 4、勘探成果与生产实际需求更加接近；并呈动态完善。5、勘探精度、深度大大提高。6、建井期、生产期实际揭露反映了许多地质、水文地质现象，水文地质补充勘探目的性和针对性更加明确。7、勘探技术、解释技术和勘探装备有待深入研究和发展。矿井水文地质勘探的理论研究成果1、含邙鬲）水层的研究和划分是水文地质研究的基础，不论是在煤田勘探阶段还是在矿井建设、生产阶段，都蛊要正确进行含（隔）水层的划分。当煤田水文地质勘探成果不能满足矿井防治水需要时，含（隔）水层的研究，应作为矿井水文地质补充勘探的首要任务，并结合矿井防治水的需要有针对性地进行。2、对构造控水性的认识3、对矿井水文地质类型划分的认识矿井水文地质工作的性质与区域水文地质工作或煤炭资源勘探阶段的水文地质工作不同，加之我国幅员辽阔，煤矿水文地质问题繁杂，为了对各种不同水文地质特征的矿井，有针对性地开展水文地质工作，具有相适应的工作深度和标准，并为制定有关的经济、技术政策，进行分类指导界定一个量化标准，有必要对我国煤矿矿井按水文地质特征进行区域和类型划分。煤矿水文地质勘探矿井水文地质勘探是矿井防治水的基础工作，是其它任何工作不取代的，防治水工作的质量及经济效果，在一定意义上说，取决于水文地质勘探工作的好坏。“知己知彼，百战不殆”，只有准确地把握地下水文地质条件及其变化的脉络，才能合理地、有的放矢地采収相应措施，否则势必陷入盲目性。因此，对矿井水文地质勘探工作重视与否，关系到防治水工作的成败。矿井水文地质勘探技术是在地质学、钻探学、地球物理勘探学以及岩石力学等相关学科发展的基础上而逐渐形成自己的体系的，随着科学技术的发展，它也必将不断完善。七、焦煤集团矿井水文地质补充勘探状况焦煤集团规定，凡是带压开采矿井都必须进行水文地质补充勘探和带压开采设计，这反映了焦煤集团公司领导对防治水工作的重视。汾西:41.双柳矿3.河乐矿4.宜兴区5.中兴矿沙曲矿霍州:1.干5可矿2、曹村矿4.画白柏矿5.回坡底矿据不完全统计汾西矿业集团公司双柳煤矿水文地质补充勘探报告 煤炭科学研究总院西安研究院2008年9月 .■kA*-JL-*1.前吕2•以往工作概述3•补充勘探方法及工作质量评述4.矿井地质条件5.矿井水文地质条件6.矿区地下水化学特征7•矿区地下水流场特征8.矿区地下水补、迳、排特征9.矿井充水因素分析10.矿井涌水量预测计算.矿井开采水文地质条件综合评价12.矿井防治水工程技术设计13.结论和建议水文地质补充勘探目的：1、查明（下组煤）开采水文地质条件；2、建立和完善矿区水文地质监测系统；3、确定防治水技术路线和防治水技术措施，制定科学的防治水方案。具体任务：1、查清太原群灰岩的厚度、岩性和富水性；2、下组煤至奥灰顶板间隔水层厚度、岩性、地层剖面结构、岩石力学指标和阻水性能；3、奥灰峰峰组和上马家沟组的岩性、厚度和富水性；4、煤系地层含水层相互间的关系及与奥灰含水层的水力联系；煤系地层含水层的补给来源，补给方式、补给量大小、以及径流排泄关系；5、计算矿井涌水量；6、确定矿井水文地质条件类型。石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水戻7沁C0.010.02QO30.010.050.C60.07£585—i三吐615、|■±5-T衣汽空殳xs■孔逹戏诧违注 奥灰顶部相对隔水层IWslxMs4：、IWsG孔掲壽停度分别为27.£2、2a70^26.71nioliftflit—段一峰峰组A峰峰一段隐晶质泥晶（微晶〉结构，中厚层状构造，岩石致密、坚硬，矿韧成分以方解石为主，次为白云石，徽含泥质。中夹深灰色薄层状泥质灰岩，裂隙不甚发肓，目多见方解石所充填。简易水文现则，山孰噓组钻井液未出现明显消耗规范qd、于O.OOlI-/s•itl为相对隔水层MSIMS4O.O1163I/s=-0ii0133LX$・mOJ0002SL/S-m2.5T