水文地质勘探对煤矿水害防治工作中的应用

水文地质勘探对煤矿水害防治工作中的应用

周遵勇

云南省昭通市 镇雄县能源 局林口片区能源 管理所 657204

[内容摘要]：1、当前煤矿水文地质勘探中存在的突出问题，给煤矿开采带来了非常不利的影响，近期已多次发生因水文地质及工程地质不清酿成的重大水害事故，选择合适的水文地质勘探技术，能够在煤矿具体开采过程中能够发挥应有的作用；2、煤矿水文地质勘探工作始终贯穿煤矿生产建设全过程，对矿井建设、煤炭开采过程中的均起关键作用容；3、分析研究煤矿水文地质勘探技术与手段，可以为煤矿各项工作的开展提供有效的技术支撑，从矿井的建设初期到井下的整个开采施工完毕都需要有水文勘探工作进行全程支持。

[关键词]：水文地质勘工作对采煤安全的影响；水文地质勘技术应用。

镇雄县是云南省的产煤大县，煤炭资源储量丰富。但现有煤矿生产能力普遍较小，水文地质勘探精度及应用程度较低，办矿理念相对落后，与当前煤炭行业稳定、可持续、高产高效发展的形势存在一定差距。水文地质勘探工作的准确性也是直接影响煤矿井下开采效率与安全的一个重要因素，水文地质勘探技术发展和应用，有利煤矿在施工之前制定出安全合理的设计方案，保证煤炭开采安全顺利的进行，同时也能掌握煤矿开采过程水患发生的基本概率，极大提高煤炭开采效率。

一、水文地质和工程地质勘探对采煤安全的影响

水文地质是指自然界中地下水的各种变化和运动现象，是研究地下水的科学，是研究地下水的分布和形成规律、地下水的物理性质、化学成分和水资源利用，是研究地下水对煤矿工程建设和矿山开采的不利影响及其预防等。工程地质研究的是确定岩土组分、岩土组织结构、物理化学与力学性质及其对矿建工程稳定性的影响，进行岩土工程地质分类。地下水即使岩土体的组成部分，水文地质和工程地质二者直接影响岩土体工程特性，影响井下巷道工程的稳定性和耐久性。

1、水文地质：当前，由于在煤矿建设项目勘察过程中对煤矿水文地质研究不深入，设计中忽视了水文地质问题，经常发生由地下水引发的各种岩土工程危害事故或问题。由于煤矿水文地质勘探工作中存在的突出问题，给煤矿开采带来了非常不利的影响。2021年7月15日，陕西省榆林市郝家梁煤矿综采工作面冒顶后引发溃水溃砂事故造成5人死亡事故；2021年8月14日，青海省海北州刚察县柴达尔煤矿综采工作面发生冒顶印发溃水溃砂事故20人遇难。因此，煤矿水文地质勘探对于煤矿开采安全有着至关重要的意义，需要煤矿企业加强对勘探技术的研究和创新，结合煤矿生产实际选择合适的水文地质勘探技术，确保水文地质勘探技术在煤矿开采工作中发挥应有的作用，为煤矿开采提供必要的参考和指导，推动煤矿企业可持续发展。煤矿水文地质勘探是防范安全事故，提高开采效益的有力举措，需要煤矿企业高度重视。煤炭企业应采用当前最新的技术手段，加强对勘探质量的控制，保证煤矿水文地质勘探的准确性和科学性，促进煤矿开采效率和开采质量的进一步提升，创造出更多的经济效益和社会效益。

2、工程地质：工程地质是研究煤矿开采中地质构造、煤层厚度变化、矿井瓦斯、矿井水的预测与防治、瓦斯地质等各类地质问题，矿井一切采掘活动必须以工程地质为依据。首先，煤矿井下巷道在施工前，必须对开采煤层围岩的性质进行勘探评估、分析，根据围岩的性质决定采取最为实用、经济的支护方式（砌碹支护、锚杆支护、锚网支柱、锚喷支护、钢架支护等）。另外，煤矿开采煤层的上覆岩层性质，决定了煤矿开采过程中顶板离层状态、离层高度等是否导通强含水层或富水性强的含水层，然后采取相应的安全技术措施。否则，开采后形成的漏斗沉降结构将会令地下强含水层形成朝向采空区的汇流聚集，井下涌水量会显著增加，甚至造成顶板冒落后涌水量突然增加造成溃水事故。

3、为煤矿防治水工作提供科学依据。煤矿建设项目水文地质资料的勘查情况对于矿井工作面的布置，巷道的布置有着决定性的影响，甚至对矿井巷道和采区的设计有着重要的影响。水文预报工作和水文地质勘查有着异曲同工的作用，加强采区范围内的水文地质勘查和水文地质预测对于降低采区内透水等灾难性事故的发生有重要的意义，能够有效的保障煤矿的安全生产。在煤矿开采之前，要做好水文地质勘探工作，用以检查煤矿安全环境和排查安全隐患，预测可能引起的环境水文地质和工程地质问题，对采区周围的水质观察也是水文地质勘查的重点工作之一。检查矿区周围的水质情况观察记录，并立体的展示水文情况，对于矿区的安全生产具有重大的意义。

4、水文地质勘探现状分析

我县乃至我省小型煤矿占比较大，水文地质及工程地质勘探水平落后，同我国其它起步较早的省份相比，现有的水文地质勘探水平难以适应煤矿大量开采的现实要求。再者，煤矿水文地质勘探工作需要投入大量的人力、物力和财力，小型煤矿对矿井水文地质勘探工作不重视，造成一些小型煤矿井下采用不正确的支护方式，巷道动压逐步增大，巷道返修率高，维修成本翻倍；井下涌水量加大，增加排水难度，甚至造成涌水量突然增加的淹井事故。

安全是煤炭行业永恒的主题，是实现煤矿稳定发展的基础，煤矿是普遍认为的高危行业，应该引起管理者的高度重视。煤矿普遍发生的灾难性事故中就有煤矿水害事故。水文地质勘探对于煤矿的安全生产有着至关重要的作用。我国许多煤矿区受煤层上部含水层和下部岩溶水的威胁，突水和淹井事故时有发生，其主要原因就是与矿区水文地质条件不清，水文地质勘探程度低有关。因此，水文地质勘探工作是煤矿防治水的基础，是保障煤矿安全生产的前提。

5. 水文地质勘探应用现状

1. 相对于煤矿勘探技术的飞速发展，使用的设备和工艺相对落后，无法适应井下自动化、集成化、现代化的飞速发展。这主要是设备的更新和技术培训不到位，而水文地质勘探设备的操作和使用对人员的专业性要求非常高，技术人员必须有测量、绘图以及煤炭开采方面的丰富经验，才能得到良好的地质勘探结果，这方面相关技术人员的培养出现了断层，而导致企业地层勘探水平停滞不前。

（2）随着煤炭开采技术的不断发展，煤炭开采深度和开采环境的复杂性给地质勘探工作带来新的挑战，这就避免不了出现一些新方法、新工艺和新问题，水文地质勘探的难度也越来越大。
二、新型水文地质勘探技术应用

1、瞬变电磁法在煤矿中的应用

电磁波瞬变技术主要就是在地表布设线框，向地表中输入阶跃电流，如果电流突然中断，则就会产生感应电场，进而达到维持通电磁场的效果，此种感应磁场会在时间的变化中而不断的衰竭，利用观察感应磁场能量变化的方式可以了解煤层结构的具体位置。在一般状况之下，煤层结构中的岩石湿度会直接影响电阻率，如果含煤地层中含水量越高，其电阻率则就会越小。根据此种感应磁场的变化曲线可以直接地、精准地判断岩层中的富水性以及岩层的具体破碎程度等等，进而了解水文地质的具体状况。

瞬变电磁法对水文地质情况的勘探，需要将测线框铺设到需要进行水文地质勘探的地标中，再将跃阶电流输入到线框中，然后断开回线电流，有电时产生的磁场将保存到线框下部空间中产生的感应场中，并将随着时间会持续的向下传播和扩散，遵循能量不断递减的规律转播和扩散，就能够通过感应场能量变化的观测获得构造情况，从而实现对水文地质情况的勘探。

利用瞬变电磁法在矿井水文地质勘探过程中具有很多优点，（1）不会受到矿井周边复杂地形地质情况的影响，依然会有强大的感应场穿透力，灵敏度也非常高，能够很好的应用在各种复杂的地质构造环境的水文地质勘探中。（2）勘测出来的数据情况更加真实可靠，在实操期间，瞬变电磁法会采集成千上万个样本，而测量所得出的结果就是建立在成千上万个数据基础上的，样本数量大，反映出的事实具有更强的准确性。（3）一次场的测量目前在瞬变电磁法测量中已经不存在，所以利用瞬变电磁法能够更加真实准确地放映地层结构，精度更高。

云南省大部分煤矿、镇雄县绝大多数煤矿矿区范围都在大深山中，且山体起伏较大，大型钻探设备无法进入施工，采用瞬变电磁法（电磁波瞬变技术）施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感。瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响。采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强。因此，瞬变电磁法对矿井水文地质勘探，在当前云南省区域煤矿水文地质勘探中成为首选。

瞬变电磁法装置及原理：瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量，以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量，利用接收线圈测量接收到的感应电动势V₂。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段（一维反演，视电阻率等）得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收V₂，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。在测量过程中，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造。同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准（类似于重力或磁法测量的基点校正和仪器一致性试验），以确保测量的准确性。

2. γ射线水探测技术应用

γ射线水探测技术就是通过对特定区域中进行扫描，通过γ射线水探测技术的方式了解横向的分布状况，进而精准判断含水层的位置，了解其具体的含水量，也可以了解其各项信息，进而达到勘探的目的。此种方式在勘探过程中主要就是通过分析断裂构造的方式对其进行含量测算分析。在工作中主要就是在表层覆盖地段中应用，其中射线的频率以及煤层的深度之间有着较为密切的关系。在水文地质探勘中要分析周边地质环境特征，将含水量的结果作为信息参考依据，并不会将其计算在理论中。γ射线水探测技术是一种辅助性的勘探技术，在我国应用较为广泛，不仅仅可以在破碎地层中进行裂缝地层发育水的勘探分析，也可以精准的分析地形以及地质图条件等因素，操作简单便捷。

γ射线水探测技术在我国70年代初开始应用到水文地质辅助勘探中，先后在多地取得良好的应用效果。这种方法在探寻破碎地层或裂隙发育地层中的地下水探测有显著效果，而且设备仪器简便、探测精度较高、不易受地形因素影响等诸多优点，适应在我省我县复杂地形中应用。

γ射线找水法原理是通过测定指定区域γ射线横纵向分布情况，判定基岩断裂位置，从而实现找水的目的。
3、流量测井技术应用

流量测井技术是通过不同深度界面上断面方面的流量不同，可以掌握不同深度水层的厚度、水位以及渗透性系数，从而对煤层的含水层和隔水层有精确的判断，确定勘探地区的水文地质状况。这种探勘技术的应用也是较广泛的技术手段之一，在煤层勘察中测量数据方便简洁，有效节省了测量资源，并且测量结构能够精确反映煤层的水文动力特性，在前期找水和后期的水灾防控中有很好的应用效果。但是对于测量采集的模拟曲线，要综合考虑可能存在的影响因素，需要对测量数据进行参数矫正，因此其无法作为精确测量手段应用，不能获取测量精度较高的水文地质数据，也无法将数据输入到计算机中进行参数模拟。

流量测井作为矿井水文地质勘探的新技术，在我国80年代初开始应用，它以混合流理论为基础，动用流量测井仪，在钻孔抽（注）水条件下，通过测量钻孔不同截面上的水流流速及流量分析计算含水层的位置、厚度、渗透系数、导水系数等水文地质参数。确定在天然状态各含水层通过钻孔的相互补给关系及补给量大小和抽（注）水状态下各含水层的水动力学。天然状态下各含水层静止水位和抽（注）水状态下的动水位。对于一个揭露多个含水层的钻孔，利用流量测井技术只要进行一次抽水试验可以求取各含水层水文地质参数，大大缩短了勘探周期，也相应减少了勘探费用。

三、水文地质勘探技术应用案例

镇雄县大石包煤矿区属构造侵蚀低中山地貌，区内最高点位于西部的小山头，海拔+2150.0m；最低点海拔约+1800.0m，相对高差350m。矿区南部和北部地形坡度在7～15°左右相对较缓；矿区西部和中部地形陡峭，坡度一般为35～45°，局部地段近于直立。由于矿区地面山地起伏较大，地质钻探工程量大，矿区范围内无钻孔资料，地质勘探程度较低。2014年矿井转型升级之前，矿井地质勘探技术资料仅靠地形地质测量、施工井下探巷及巷道地质编录、水工环境综合调查、老窑调查、采样化验以及收集以往地质资料等综合手段，仅做了概略研究，井田范围内水文地质资料和工程地质资料可信度低。

为满足煤矿转型升级要求，同时为矿井生产安全和办理采矿权延续等提供地质依据，大石包煤矿在采矿许可证规定的范围内开展生产地质勘探，主要对水文地质勘探、生产条件等进行勘探工作，结合对矿井现场的井上、井下的考察，分析研究矿井存在的隐蔽致灾因素，并根据各种隐蔽致灾因素的特点和致灾后果提出相应的防范措施。

2015年9月，煤矿采用查阅分析煤矿技术资料、调查访问、实地勘查和地球物理勘探等手段，对大石包煤矿生产地质进行勘探和隐蔽致灾因素的普查。其中地球物理勘探选用对含水体敏感、分辨率高的瞬变电磁法。主要依据如下：

1、瞬变电磁法观测纯二次场，对含、导水构造等低阻体反应敏感，体积效应小、分辨率高；本区地形较复杂，而瞬变电磁法受地形影响较小；

2、矿区内地层沉积序列清晰，地层相对稳定，正常地层组合条件下，在横向与纵向上都有固定的变化规律等地层电性特点，能取得较好的探测效果。

3、依据瞬变电磁勘探规范及勘探的目的任务，瞬变电磁勘探工程布置采用二维测网，测网密度为100m×50m，即线距100m，点距50m，布置测线28条。大石包煤矿共设计测点470个。

大石包煤矿这次生产地质勘探工作主要完成的工作量及成果

1、收集、分析研究该矿原有的地质资料及成果；

2、利用CUGTEM-8型瞬变电磁仪在全矿区范围探测积水范围及分布。

3、实地调查大石包煤矿的井下水害、瓦斯灾害、火灾及顶板灾害存在情况及防治情况；

4、实地勘探煤矿地质构造、煤矿含水体、导水裂隙带情况；

5、实地调查访问矿区采空区、废弃小窑（井筒）及封闭不良钻孔情况。

6、实地勘查调查古河床冲刷带、古隆起、天窗、陷落柱等不良地质体。

这次水文地质勘探工作基本查清了矿区范围及周边地质构造为镇雄向斜东南翼，其构造形态为一北北东向展布的单斜构造，地层倾向北西西，倾角4°-12°，一般4°-8°，次级褶皱不发育，区内未发现较大断层，地质构造对矿井充水影响不大。地层含、隔水层由新至老为：第四系（Q)孔隙含水层，对矿床充水一般无直接影响；飞仙关组第四段（T₁f ⁴）裂隙含水层，对矿井充水无影响；飞仙关组第三段（T₁f ³）裂隙含水层，对矿井充水无影响；飞仙关组第二段（T₁f ²）裂隙含水层，对矿井充水无影响；飞仙关组第一段（T₁f ¹）相对隔水层，对矿井充水无影响；卡以头组（T₁k）裂隙含水层，对矿井充水影响性较小；二叠系长兴组（P

_2C）裂隙含水层，对矿井充水影响较大；龙潭组（P₂l）泥砂岩弱裂隙含水层，对矿井充水影响较大；玄武岩组（P₂β）相对隔水层，对矿井充水影响甚微。

完成上述工作后，大石包煤矿基本掌握了矿区内存在的水害及动力致灾地质因素及其他隐蔽致灾因素，制定了具有针对性的安全技术措施，正确指导煤矿项目建设和安全生产。

四、结语

综上所述，随着经济社会的不断发展，煤炭作为经济建设的重要能源，在发展中越来越受到重视。我省煤炭资源储量较大，浅层煤炭资源的开发程度较大，镇雄县浅层煤炭资源的开发已经接近尾声，因此，要重视并做好深层煤炭资源的开发和利用，对煤炭水文地质进行全面的勘探了解。当前煤炭水文地质问题也会影响煤炭的安全生产，需要积极运用新的技术手段，加大新方法在煤炭水文地质勘探中的应用，提升我省煤炭开发技术，促进我国煤矿勘探和开采工作。

煤矿水文地质勘探对于煤矿煤炭开采有着至关重要的意义，本文介绍分析了3种水文地质勘探方法的先进性和不足。煤矿企业应结合煤矿实际选择合适的水文地质勘探技术，确保勘探技术在煤矿具体开采过程中能够发挥应有的作用，保证煤矿水文地质勘探的实效性，为煤矿开采提供必要的参考和指导，促进煤矿开采工作顺利、高效实施，提高煤矿开采综合效益，推动煤矿企业安全可持续发展。