煤田奥灰岩溶水文地质勘探技术研究

刘俊慧

（广州博昊勘测技术有限公司，广州 510630）

煤矿开采作业前需要充分掌握矿区地下水分布与含量等信息，并制定相应的处理措施，预防水害的发生。水文地质勘察是了解煤矿水文地质条件的一种重要途径，可采取水文地质试验、水文地质钻探、室内实验分析等多种技术方法，探明目标地区的水文地质条件，为下一步解决水文地质问题提供科学依据。本文研究的煤田开采标高低于奥灰历史水位标高，受到了奥灰水的潜在威胁。只有通过水文地质勘探了解奥灰含水层的水文地质特征，在此基础上开展奥灰水对煤层开采的威胁评价，进而根据评价结果制定应对和处理方案，才能保证煤田开采的安全性。

1 煤田概况

某煤田海拔1 316～1 424 m，属高原侵蚀性丘陵地貌，地势东高西低，有数条西北-东南走向的梁、凹。地表有基岩出露，植被较为稀疏。该地区属于典型的温带大陆性气候，多年平均降水量380.6 mm，集中在7、8、9月份；多年平均蒸发量1 858.2 mm。地层主要有新生界第四系、中生界侏罗系和三叠系，以及古生界石炭系、奥陶系组成，地层倾角在6～12°，局部受断层切割可以达到20°以上。主要煤层赋存形态起伏变化不大，层间距稳定，但是构造较为复杂，有多处断裂。通过探查该煤田奥灰岩溶水文地质，了解奥灰含水层岩溶水赋存规律，为下一步建立矿区水文地质监测系统，以及防治水害提供必要的参考。

2 煤田奥灰岩溶水文地质勘探

2.1 区域水文地质调查

收集煤田所在地区以往的研究资料，并开展了区域水文地质调查与测绘，对该煤田所在地区的水文地质有基本了解。调查结果显示，该地区地下水的主要补给来源为降水，但是年降水量远远低于年蒸发量，致使地层含水较少。在雨季时雨水渗透到地层中，很少形成径流；只有在暴雨后形成短暂地表洪流，降雨结束后很快又恢复干涸状态。构造断裂带为岩溶地下水的流通提供了良好条件，成为煤田地层地下水的主要赋存场所。

2.2 地面瞬变电磁勘探

2.2.1 瞬变电磁勘探装置与原理

在该煤矿田的南、北两侧各选取一个测区，北测区面积0.65 km2，南测区面积1.10 km2。探测方法为瞬变电磁法（TEM），探测任务包括2 项：其一是探明该测区中断层、褶皱等构造的含导水性情况，为下一步钻探作业布置钻孔提供依据；其二是探明煤层顶底板以及煤层下方100 m 以内富水区域的分布与连通情况，为下一步防水治水提供依据。目前可以产生瞬变场的装置有多种类型，本工程中选择了分辨率较高、抗干扰能力较强的中心感应装置，该装置的发射模块由垂直磁激源和大回线组成；接收模块由接收探头、接收机组成。

瞬变电磁法的勘探原理为：在测区地面上使用接地导线产生一个脉冲电流，该脉冲电流可以在地下激发二次涡流。在一次场断开后，利用专门的信号接收装置收集二次涡流形成的二次场（即瞬变场），根据二次场的变化态势即可掌握测区的地质结构。正常情况下，导电性良好的地质体尺寸越大，则二次场的强度越大，热损耗越小，相应的衰减越缓慢。根据这一特征可以推断出地层深处富水体的位置与深度，瞬变电磁法的勘探原理如图1 所示。

图1 瞬变电磁法测量装置及工作原理

2.2.2 地面瞬变电磁勘探成果

北测区发现6 个低阻异常区，其中1—3 号异常区的分布范围较广、异常幅值较强，初步分析是断层及其裂隙发育带中富含地下水导致的；而4—6 号异常区的异常赋值较弱。南测区发现了2 个低阻异常区，均表现出异常幅值较强的特点，推测与邻近位置有断层有关，并且存在导通奥灰水的可能。

2.3 钻孔探查

2.3.1 钻孔布置原则

在水文地质钻探中，钻孔布置应遵循以下原则：①一孔多用原则，钻孔既可以作为水文地质勘探孔，同时还能充当水文观测孔和水文地质试验孔，减小了钻孔勘探的工作量，减小了对原有地质结构的破坏。②安全优先原则，在进行深入、全面的现场勘查后，依据煤田的地形条件、钻孔保护要求等，在不影响煤田生产安全的前提下确定钻孔的位置和参数。③钻孔布置还应满足矿井用水量计算要求和水文地质监测要求[1]。

基于上述原则确定钻孔的数量、间距、排距、位置、深度与孔径等具体参数，然后根据钻孔布置方案进行地面钻孔。在钻孔区域附近布置1 个奥灰长期观测孔G2，孔深为500 m，在整个勘探作业期间满足长期观测需要。沿垂直煤层方向布设G3、G4、G5 3 个控制孔，分别位于煤层的西部、中部和东部。G2～G5 均属于地面钻孔，除此之外还设计了F1 和F2 2 个井下钻孔，其目的是更加准确、便捷地获取含水层水文地质参数，可根据钻孔内的实际出水量进行调节。7 个勘察钻孔的基本参数见表1。

表1 探查钻孔的基本参数m

2.3.2 目的层位

结合前期的水文地质勘察资料可知，奥灰是威胁煤层开采的主要充水水源，同时也被作为下一步抽水试验的目的层位，设计钻探总工程量约为2 800 m。

2.3.3 钻孔施工

井下奥灰孔随井下施工情况进行微调，如果钻进至一定深度后发现孔内有积水，并且经过彻底洗孔后水量仍然超过50 m3/h，可停止钻孔。地面钻孔所用设备主要有YX2000 型钻机、BW-1200 型泥浆泵、NJ600型泥浆搅拌机等；井下钻孔所用设备主要有ZDY1900型坑道液压钻机、φ40×6.0 mm 地质钻杆，以及GTZ-60型双液注浆泵等[2]。井下钻孔结构如图2 所示。

图2 井下钻孔结构示意图

为保证作业安全和成孔效果，在现场施工时应当先钻井下放水孔。利用放水孔探明奥灰见水深度，并确定其他孔的终孔深度；然后钻井下观测孔，最后进行地面观测孔的施工。无论是井下钻孔还是地面钻孔，都要做好各止水层段的止水处理，防止相邻的2 个含水层之间产生水力联系。结合前期的水文地质勘察资料可知，该煤田所在区域的奥灰顶面凹凸不平，布置套管时应当以奥灰顶面的最低点为参照，套管要进入奥灰层至少4.8 m，并且奥灰段套管与上部套管的搭接长度不得低于3.0 m。水泥止水段要做到完全封闭，在水泥固结后向套管内注入适量清水，持续观察约6 h。如果套管内水液面的下降速度不超过20 mm/min，即为合格；否则需要检查渗漏位置并做相应处理，确保止水效果良好。

钻孔期间全程进行简易水文观测，并如实做好观测记录。每个回次提钻后，以及下钻前分别观测1 次孔内水位；钻进过程中每隔30 min 检查一次冲洗液的剩余量，将前后两次的剩余量作差求出冲洗液的消耗量。如果消耗量突然增加或大幅减少，可能出现了涌水、涌砂或者是漏水、掉钻等问题，需要立即停止钻进并查明原因，在处理完毕后继续钻孔至设计深度。当钻孔深度位于煤层至奥灰地层之间时，采取间断取芯的方式获取岩芯，如果是地面孔要求取芯率不低于70%，如果是井下孔要求取芯率不低于60%[3]。取出的岩芯需要用清洗冲洗干净，然后按照取芯位置和取芯顺序依次编号、妥善保管，以便于下一步开展岩芯成分和构造分析。

2.3.4 井下钻孔特殊处理

相比于地面钻孔，井下钻孔遇到的地质条件更加复杂，对钻孔技术和成孔质量都提出了更高的要求。在本次煤田井下钻孔施工中，从以下3 个方面做特殊处理：第一，孔口管的特殊处理。井下钻孔必须要设置孔口管，孔口管的设计长度为9.5 m，孔口管采用螺栓连接的方式进行固定。为了保证管外间隙中浆液能够均匀充填，要求孔口管周围的基岩必须完整，无明显的开裂、松动等问题。孔口管安装完毕后，还要进行安装质量检查。将泵压设定为8 MPa，注水泵与孔口管连接后注水，注满水后静置1 h，孔口管内水位下降值不超过20 mm 即为合格。第二，采取钻探防护措施。由于本工程中井下钻孔属于超深孔，水压较大，为防止出现“井喷”情况对现场施工人员的健康造成伤害，需要采取防护措施避免射流伤人[4]。第三，及时进行钻探排水。当井下钻孔深度达到一定程度后，钻孔底部的标高低于地下水位，在重力作用下岩层中的地下水可能会通过岩层孔隙渗透到钻孔内，因此当钻孔内积水超过20 cm后就要及时排水。

2.3.5 钻探结果

结合岩石的力学性质、水理性质和煤田防治水工作要求，对煤层底板隔水层和奥陶系地层岩石进行了取样分析。在钻探中分别从6 个钻孔中采集了25 份岩芯，分析结果如下。

F1 孔采集样品4 份，中粒砂岩（2 份）、石英砂岩（1份）、石灰岩（1 份）。

F2 孔采集样品5 份，细粒砂岩（1 份）、石灰岩（1份）、砂质泥岩（2 份）和石英砂岩（1 份）。

G1 孔采集样品4 份，石英砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩和石灰岩各1 份。

G2 孔采集样品4 份，细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和石灰岩各1 份。

G3 孔采集样品4 份，中粒砂岩、粉砂岩、粗粒砂岩和细粒砂岩各1 份。

G4 孔采集样品4 份，粉砂岩、细砂岩、粗粒砂岩和砂质泥岩各1 份。

对样品的力学性质评价如下：中粒砂岩抗压强度在68.5～71.7 MPa 之间，为坚硬岩层；粉砂岩抗压强度在23.4～40.5 MPa 之间，为中硬岩层；粗粒砂岩抗压强度在32.0～77.7 MPa 之间，为中硬至坚硬岩层；石英砂岩抗压强度在38.4～80.8 MPa 之间，为坚硬岩层；砂质泥岩抗压强度在27.5～77.1 MPa 之间，为中硬至坚硬岩层；细粒砂岩抗压强度在57.9～79.7 MPa 之间，为坚硬岩层；石灰岩抗压强度在28.5～78.2 MPa 之间，属于中硬至坚硬岩层。

综上，该煤田煤层至奥灰顶界面的岩石属于中硬至坚硬，整体强度较高，岩石的抗压、抗拉、抗剪等外力抵抗能力较强；加上岩体完整性较好，裂隙不发育，具备较好的阻水压性能。

2.4 抽水试验

抽水试验的目的是探明奥灰含水层的水文地质特征，并初步求出矿井用水量，较为准确的评估含水层的富水性。抽水试验方案如下：在地面观测孔和井下观测孔施工完毕后，工作人员进行单孔最大降深稳定流抽水试验，大约需要24～36 h 抽水完毕，然后留出72 h 的恢复时间。在抽水试验中，注意检查井下排水设施（如水泵、排水沟等）是否通畅，如果有堵塞的情况要及时疏通，保证抽水和排水顺利。同时，为保证作业安全还要严格执行《煤矿安全规程》中的相关要求，例如密切观测压力表、流量表，每隔45～60 min 需要打开放矸阀排放矸石等[5]。

这里以G3 和G4 2 孔为例，单孔抽水试验结果如下：2 孔含水层段为奥灰顶界面至以下130.6 m（实际埋深为375.0～516.6 m）。本次抽水试验用时3 d，静水位埋深284.7 m，动水位最大埋深285.3 m，最大降深35.7 m，稳定抽水量2.4 m3/h，奥灰水温24.0 ℃。水文地质参数中影响半径（R）和渗透系数（K）的计算公式如下

式中：Q表示钻孔用水量，单位为m3/h；S表示水位降深，单位为m；M表示含水层厚度，单位为m；r表示钻孔半径，单位为m。最终抽水试验结果总结见表2。

表2 抽水试验结果

2.5 水化学探查

该操作的目的是通过地下水的水化学组分分析，探明煤田奥灰地下水的补给条件、运移规律。水化学探查需要从钻探期间和井下抽水试验期间采集地下水，然后进行物理性质的测定和化学成分的分析。其中，5个观测孔（G1～G5）各取1 份水样，2 个放水孔（F1、F2）各取2 份水样，水质分析结果表明地下水样中含有多种离子，其中含量较多的前5 种是Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+。对比各份样品可以发现，不同离子的含量会随着水文地质条件的变化而变化，从而使不同区域的地下水呈现出多样的水质特征。该区域地下水的矿化度在865.5～1 550.8 mg/L 之间，为淡水-微咸水；测得pH在7.7～8.2 之间，为弱碱性水。

3 结束语

煤田深层开采过程中容易发生涌水灾害，除了造成经济损失、影响正常作业，对井下作业人员的安全也会构成威胁。因此，在煤田开采作业前必须要探明该区域的水文地质信息。本文研究的煤田地下水主要来自于奥灰含水层，存在一定的水害威胁。在综合运用瞬变电磁法、钻探法、抽水试验和水文地球化学测试分析等多种技术的情况下，对奥灰含水层的水文地质信息有基本了解，为下一步有针对性地采取水害防治、确保煤田安全开采带来了有益帮助。