基于地面直流电法的煤矿开采中综合防治水技术

任瑞强

(山西寿阳段王煤业集团有限公司,山西 晋中 045499)

煤矿开采中,综合防治水就是指为应对或预防重大水害事故而制定的安全施工方案。综合防治水的核心任务就是在评价矿井充水条件的同时,找到良好的导水通路,从而最大化保障煤矿矿井的开采安全性。由于含水层的结构体系较为复杂,且大多数水源通路的展布范围都较为广泛,所以在进行防水治理时,应控制实际施工面积,使得已暴露矿床下部灰岩含水层的水介质属性不会与未暴露部分产生较大差异[1]。近年来,随着煤矿开采面积的不断扩大,如何在保障施工质量的同时,避免渗水、漏水情况的发生,已成为一项亟待解决的问题。文献[1]研究了地面多分支定向钻孔技术在煤层底板区域防治水中的应用,应用地面定向钻探注浆技术改善采煤工作面底板状况,消除了煤炭开采时底板突水水害威胁。文献[2]提出了浅埋藏超大工作面工作过地表沟流防治水技术,通过井下探放含水层等关键技术,解除了含水层涌水威胁,通过增大工作面及巷道的排水能力,有效解决了工作面涌水问题。但是上述两种技术的煤矿水流实际渗透量与非外力干扰条件下的渗透量数值相比却并没有明显差异,致使渗水、漏水问题没有得到有效治理。

而地面直流电法的实施以勘探煤矿岩层导电性能的主要差异为基础,通过人工注入的方式,向地面提供稳定的传输电流,从而通过观测大地电流场基本变化规律的方式,确定矿区内部岩体的具体构造特征。该项技术手段的应用,要求接地端电极的带电水平必须高于岩石电阻率的平均电位数值。作为电法勘探的主要应用方法,地面直流电法能够直接确定煤矿矿区内的成矿规律,且这种场源分布特性可以同时满足人工煤矿与天然煤矿的开采需求。为保证开采结果的准确性,在实施勘探的过程中,要求所选矿石的电阻率水平不得高于该区域内岩石电阻率的平均数值。为此,针对上述情况,提出基于地面直流电法的煤矿开采中综合防治水技术。

1 地面直流电法分析

煤矿开采中综合防治水方法的设计需要以地面直流电法为基础,在采集多电极数据信息的同时,针对带电系数取值范围进行精准求解。

1.1 多电极数据采集

多电极数据就是指利用地面直流电法所采集到的煤矿导水信息,一般来说,煤矿开采区域的施工面积越大,单位时间内所能采集到的多电极数据样本总量也就越多[3]。利用地面直流电法采集煤矿导水信息时,为避免多电极数据测量结果与预期结果出现偏差,要求导电量指标取值必须属于(0.1]的数值区间。对于导电量指标的求解满足公式(1)。

A=β×(αs-1)2

(1)

式中:A为导电量指标;s为直流信号标记系数;αs为直流信号的单位带电量;β为电极区域内的电信号导通系数。在公式(1)的基础上,可将基于地面直流电法的多电极数据采集表达式定义为:

(2)

若电极信号传输强度参数的取值方向不一致,则应对其进行绝对值求解处理。

1.2 带电系数

带电系数决定了地面直流电法对于煤矿导水信息的采集能力[4]。进行综合防治水处理时,若多电极数据采集结果保持不变,则带电系数的取值大于自然数“1”;若多电极数据采集结果保持连续波动变化状态,则带电系数的取值小于“-1”;若多电极数据采集结果保持先增大、再减小或是先减小、再增大的变化状态,则带电系数的取值小于自然数“1”且大于“-1”[5]。在上述物理量的支持下,联立公式(2),推导带电系数求解结果为:

(3)

1.3 地面直流电法的应用

地面直流电法在岩石电性差异的基础上,根据不同岩性物质电阻率的不同,判断测线断面岩层的实际富水性。为实现煤矿开采中的综合防治水,直流电法首先选择不同的电极组合方式,来满足不同的极距间隔测量需求;然后将多个供应电机放置在不同区域内,从而改变该区域岩石的电阻率水平,而随着电阻率的改变,岩石的透水特性也会发生变化;最后根据供应电机之间的电势差数值,求解电阻率参数,并根据该参数指标的取值,来判断煤矿岩石的具体透水特性,从而达到综合防治水的目的,如图1所示。

图1 地面直流电法的防治水流程

2 工程实例

为验证地面直流电法在煤矿开采施工中的实用性价值,针对某煤矿工程的具体水文及地质条件,进行防治水实验。

2.1 工程概况

本次实验所选煤矿工程施工区域位于华北西南部,完整的井田界定范围为:F9断层以南、F26断层以北、F8断层以东、2号煤层-900 m等高线以西,矿区东西倾斜宽度超过2.0 km、南北走向长度接近8 km,整个施工区域面积约为20 km2.

1) 水文条件。某煤矿开采区域大致呈现由西南到东北的条带状分布形式,由于矿床成矿部分岩层裂缝的含水层均为厚层含水层结构,且矿石间距较大,所以上下两部分含水层会因断裂构造影响而发生水力联系。外部河流及山区沟谷渗漏行为是煤矿开采区域地下水补给的唯一来源,所以即便是在绵延近20 km2的地下成矿区域内,含水层组织也不会出现水系分布不均的情况。河谷渗漏弥补了溶河水系流速较慢的不足,为矿床成型提供了足量的泥沙石料供应;山区沟谷渗漏段则主要存在于河床属性为灰岩的河段区域,两种水系补给行为的发生区域不同,故而其对于矿床的冲刷作用也就不会相互抵消,这也是矿区水文条件始终趋于稳定的主要原因。煤矿开采区域内的水文分布形式如图2所示。

图2 煤矿开采区域的水文特征

由于煤矿矿床呈现西高东低的分布状态,所以含水层内的水流方向为由西至东。

2) 地质条件。对于地质条件的总结,主要针对煤矿开采区域内不同岩系含水层的厚度、富水性及单位涌水量水平,详情如表1所示。

表1 煤矿开采区域的地质特征总览

上石盒子组砂岩含水层、下石盒子组砂岩含水层中具有明显的二元结构,故其平均厚度水平相对较大,随着煤矿开采施工任务的推进,表层第三系砂砾岩裂隙含水层、第四系孔隙含水层因外力作用被破坏,碎裂状小块岩体会掉落至盒子组砂岩含水层之中,故而这两类含水层组织的水体渗透能力可能会发生变化。

2.2 防治水实验

为验证地面直流电法在煤矿开采综合防治水施工中的应用能力,设计如下实验。首先,选择F1-01-1及F1-01-2类煤矿岩体作为实验对象,通过人工处理的方式,更改岩体的相对厚度,使其分别等于0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m;然后,将开有微型小口的PVC硬管置于煤矿岩体缝隙之间,模拟含水层组织;其次,使煤矿岩体呈现出50°的倾斜状态,向较高端管口缓慢注水,模拟地下水在含水层组织中的流动行为;最后,将带电导线放置在PVC硬管表面,模拟地面直流电法的干预作用,记录当前情况下的水流渗透量,移走带电导线,使管内注水保持正常流动状态,记录此时的水流渗透量。

表2给定了非外力干扰条件下的水流渗透量数值。

表2 非外力干扰条件下的水流渗透量

由表2可知,在非外力干扰条件下,煤矿水流渗透量会随着岩体相对厚度的增加而不断增大,但当岩体相对厚度达到一定数值水平之后(本次实验为1.5 m),煤矿水流的实时渗透量则会趋于稳定。

图3反映了有无地面直流电法作用下,煤矿水流渗透量的数值变化情况。

图3 实验过程中的煤矿水流渗透量

分析图3可知,在地面直流电法作用下,当岩体相对厚度在0.3 m时,水流渗透量为2.8 mL;当岩体相对厚度在0.6 m时,水流渗透量为3.0 mL;当岩体相对厚度在0.9 m时,水流渗透量为3.2 mL;当岩体相对厚度在1.2 m时,水流渗透量为3.5 mL;当岩体相对厚度在1.5 m时,水流渗透量为3.7 mL;当岩体相对厚度在1.8 m时,水流渗透量为3.9 mL.地面直流电法作用下的煤矿水流的实际渗透量与非外力干扰条件下的渗透量数值相比,出现了一定程度的下降状态;而无地面直流电法作用时,当岩体相对厚度在0.3 m时,水流渗透量为3.6 mL;当岩体相对厚度在0.6 m时,水流渗透量为3.9 mL;当岩体相对厚度在0.9 m时,水流渗透量为4.3 mL;当岩体相对厚度在1.2 m时,水流渗透量为4.8 mL;当岩体相对厚度在1.5 m时,水流渗透量为5.1 mL;当岩体相对厚度在1.8 m时,水流渗透量为5.1 mL .其煤矿水流的实际渗透量与非外力干扰条件下的渗透量数值相比却并没有明显差异,即在地面直流电法的作用下,煤矿开采中的渗水、漏水问题确实得到了有效治理,符合综合防治水的应用需求。

直流电法的应用对于岩石电阻率水平的要求较高。相较于普通岩石而言,电阻率较高的岩石能够在多路电极转换器元件的作用下,利用供电电极向地下提供超低频直流电流,且在电流传输过程中,测量电极之间存在电势差,电荷会表现出趋向性移动行为,而这种电荷移动行为则有效抑制了水渗透现象,故而地面直流电法的应用可以实现煤矿开采中的综合防治水。

3 矿井充水因素研究

3.1 充水条件

充水条件决定了煤矿开采过程中含水层组织发生渗水、漏水现象的可能性[6]。在外部矿层形成初期,隔水层组合关系并不固定,故而含水层直接与煤矿矿石接触,若矿层形成时间过长,则会导致矿石含水量增加,这也为后续挖掘任务的实施带来了较大难度。隔水层组合关系如图4所示。

图4 隔水层组合关系示意

地面直流电法的应用思想就是将隔水层组织中的直流电信号导出至外部地表环境之中,经过处理之后隔水层组织对于流通水体的阻隔能力大大增强,故而煤矿开采的渗水、漏水问题能够得到有效防治。

3.2 矿井涌水

矿井涌水由含水层水、井筒水组成,经过地面直流电法处理后,含水层水能够得到隔水层组织的有效阻隔,故而实际涌水量大部分都是未被及时抽取的井筒水[7]。煤矿开采中,为保证防治水技术的顺利实施,可以适当增加开挖深度,并预留一条较小通路作为井筒水抽取路径,一方面保证煤矿挖掘任务的顺利实施,另一方面也可以避免渗水、漏水事件的出现,但由于岩体矿石表面不可能完全光滑,所以流通水体会经由缝隙进入隔水层组织内部,这也是煤矿矿井涌水量不可能完全为零的主要原因。

3.3 受水威胁

解决受水威胁是实现煤矿开采中渗水、漏水问题防治的有效手段。所谓受水威胁就是指隔水层组织受到水体冲刷影响的强度,对于煤矿矿石而言,隔水层组织的含水程度越高,矿层岩体的脆弱性也就越强。而地面直流电法的应用,通过导流直流电信号的方式,使得隔水层组织呈现出非带电状态,此情况下,岩石间隙不会因水流滑动作用而不断缩小,即隔水层组织的宽度得到了保障,大部分流动水体被阻隔在含水层之内,对增大煤矿矿石的坚硬程度起到了一定的促进作用,为煤矿开采中综合防治水技术的实施提供了保障[8]。

4 结 语

在地面直流电法的作用下,煤矿开采过程中的渗水、漏水问题得到了较好解决,隔水层组织的厚度水平得到了保障,含水层中的流动水体不再对煤矿矿石起到明显侵蚀作用。与其他类型的施工方法相比,地面直流电法能够有效提升外部煤矿矿层的坚硬度水平,对于综合防治水技术的实施起到了推动性影响作用。