Question

水文地质补充勘探

Answer 1

由于受市场经济的影响，郑煤集团各矿井水文地质勘探程度较低，水文地质资料不健全，致使矿区水文地质资料不能满足防治水工作的要求，需要进行水文地质补充勘探，查明矿区水文地质条件，包括老窑的位置、顶板砂岩含水层富水程度和补给通道、煤层顶板砂岩力学性质和水化学特征、地表水（包括沟谷及古河床）在采动下进入矿井的通道等。

水文地质补充勘探包括水文地质钻探和水文地质物探。勘探的目的层应该是对煤层开采威胁最严重的充水含水层。对于郑煤集团各矿井主要是顶板砂岩含水层及煤层底板的太原组（或山西组）薄层灰岩和奥陶系（或寒武系）灰岩含水层。补充勘探的目的是：

1）完善和建立矿区地下水动态观测网；

2）探查顶板砂岩的富水性及控水特征，确定采动顶板三带高度；

3）探查薄层灰岩含水层厚度、裂隙、岩溶发育程度、水头高度、富水性等；

4）确定薄层灰岩含水层的流场及其与奥陶系灰岩含水层的水力联系；

5）探查煤层和下伏主要充水含水层之间隔水层岩性、厚度、稳定性、隔水性能、构造破碎带对隔水层的破坏程度等。

6）确定薄层灰岩含水层水文地质参数和分区；

7）控制和探索某些特殊构造（如断层和裂隙密集带等）；

8）预测评价矿井涌水量。

（一）水文地质钻探

水文地质钻探是取得直观水文地质资料的重要手段，是指抽水试验孔、水位观测孔的施工。通过详细钻孔编录和描述，积累含水层和隔水层岩性、厚度、裂隙发育程度及其富水性等资料。

水文地质钻探孔均应进行简易水文地质观测。对煤层顶板按岩性取样进行力学试验，为下一步分析和计算顶板导水裂隙带高度提供参数。在水文地质钻探孔施工中和施工完成后进行常规测井，有条件时进行流量测井和盐化测井。

水文地质钻孔的布置应遵循一孔多用的原则，把大多数钻孔布置在矿区内的主要充水含水层中。在整体控制采区、构造部位、边界重点监控地段的基础上可以在矿区外围的顶板砂岩、奥陶系和其他相邻含水层中布置少量钻孔，以查明它们之间的水力联系，控制降落漏斗的范围，形成观测孔动态观测网。

水文地质孔可分地面和井下两种，地面水文地质孔深度大、费用高，易受破坏，但水位测量精度高。井下钻孔孔深小，节省费用，利于保护，但水位测量精度差。

在郑煤集团各矿井建立地下水动态观测网的目的是：掌握地下水动态变化规律，采集动态资料，编制不同时期顶板砂岩及奥陶系灰岩含水层地下水位等值线图，进一步查明井田水文地质条件，为矿井防治水方法研究，特别是顶板砂岩涌水量及带压开采计算提供资料和依据。

地下水动态观测孔布置的原则是：

1）尽量利用保留下来的水文地质孔作为新观测孔，以减少钻探工作量；

2）观测孔分布大致均匀，便于绘制地下水等水位线图；

3）观测孔布局应顾及已有等水位线图；

4）进一步查明顶板砂岩及奥陶系灰岩含水层的水文地质条件。

（二）水文地质物探

针对矿区的地质和水文地质条件，并根据各种物探方法在水文地质勘探中的应用效果，选用三维三分量地震勘探法、瞬变电磁法探测和确定断层和裂隙密集带等地质异常体的位置、大小、分布范围和赋水情况。

1.三维三分量地震勘探法

三维三分量地震勘探法探查地质异常体效果好，对控制煤层厚度效果较好，近年来在许多大型煤矿已将该方法用于整个井田的勘探。该方法主要在地面进行，勘探费用和勘探效果与地形起伏关系密切。要求探查清楚本井田内落差5m以上的断层。

2.瞬变电磁法

瞬变电磁法属于电磁感应类探测法，该方法通过观测和研究二次场的空间特性，推测地质目标的几何和物理特征。由于该方法对低阻体异常敏感，因此能较好地确定与低阻异常有关的地质问题，归纳起来主要是：

1）煤矿区含水层、富水区探测；

2）构造富水性探测，包括断层和陷落柱赋水性探测；

3）充水老窑探测，确定充水老窑边界；

4）地下岩溶探测，确定地下溶洞、岩溶裂隙和暗河分布特征；

5）水源地富水区探测。

与其他物探方法比较，该方法具有以下优点：

1）因为该方法观测和研究的是二次场，不存在一次场的干扰，不同于常规电法，使异常简化；

2）有穿透高阻覆盖层的能力，不存在接地困难；

3）采用同点组合进行观测，可与探测目标体达到最佳耦合，异常响应强，形态简单，对高阻围岩中的低阻反应敏感；

4）地形影响小，测地简单，工作效率高，成本低。

该方法曾于2002年在郑州煤电集团告成煤矿13采区（北部）探测出二₁煤顶板富水区，地质效果良好，有井下出水点验证；2003年在陕西蒲白矿务局马村煤矿南盘区小煤窑及导水通道地面探测时，圈出了富水异常区，评价了断层的富水性和导水性，地质效果良好。

选用地面瞬变电磁法主要是进一步确定断层和垂向导水裂隙带的平面位置，并对它们的富水性进行解释。

（三）放水试验

为了查明煤层底板灰岩的富水性，需进行放水试验。为节省钻探工程，在井下进行放水试验，用井下奥陶系灰岩孔进行放水及观测。放水试验的目的在于：

1）探查主要充水含水层（一般是底板薄层灰岩）富水性，地下水补、径、排条件和流场形态；

2）查明水文地质边界条件，确定主要充水含水层与奥陶系灰岩含水层或其他含水层之间的水力联系；

3）探查断层或垂向裂隙带的阻水与导水性能的存在（主要是高水位区的存在）；

4）求取分区水文地质参数（包括渗透系数、储水系数、越导系数等），为计算矿井涌水量作准备；

5）通过放水试验对煤层底板薄层灰岩疏干的可能性进行论证。

放水试验必须遵守《矿井水文地质规程》的有关规定。

（四）水化学与环境同位素研究

利用水化学来研究含水层中水的交替条件是一种常规手段，依此可以判断含水层的富水性以及地下水补给来源。地下水的水化学成分及不同离子含量的多少，与其赋存条件有着十分密切的关系，是研究水文地质条件的重要资料。因此有计划地采取各含水层的水样，进行分析研究，并根据本矿不同含水层水质的资料建立判别函数。在采掘过程中，如果发现出水，即可采取水样，从水化学成分上来判定出水水源，以便采取适当措施。

水中环境同位素的测试对分析水文地质条件，尤其对判断地下水水源和赋存时间及其演化过程更为重要。目前，我国大水矿井已广泛开展了此工作，效果良好。主要测试项目为δT（氚）、δD（氘）和δ¹⁸O（氧）3种。在地下水的研究中，环境同位素δT（氚）、δD（氘）、δ¹⁸O（氧）值是被研究的主要对象，因为它们属于水的分子组成，在地下水中作为水体自身参与循环，不同于因地下水溶解而进入的其他物质，由于这些环境同位素具有质量守恒特征，使其成为天然水循环过程最理想的示踪原子，不受围岩化学成分的干扰，通过对地下水中环境同位素丰度（比值或强度）的测定，可以提供地下水成因、补给高程、地下水形成的环境温度、不同水源的混合等信息。

此法主要用在放水试验期间，从放水孔中取放水前、中、后3个阶段的水样，依据δT值确定含水量的变化状态，并依此判断地下水的居留年龄，帮助分析含水层的径流情况。而δD和δ¹⁸O值主要解决水的补给来源，即大气降水直接补给，还是集中地表水的渗透补给等一系列问题。

水化学与环境同位素研究主要解决：

1）地下水补给来源和矿井充水水源问题；

2）地下水年龄及其径流条件等问题。

采集与测试方法应遵守“煤炭资源地质勘探地表水、地下水长期观测及水样采取规程”的规定。

（五）水文地质数值计算

依据放水试验结果及钻探资料，计算含水层渗透系数，进行矿坑涌水量计算，依据矿区水文地质条件和勘探结果，选择计算方法，分别计算正常涌水量和最大涌水量。