煤炭是中國的第一能源,煤炭生產在中國國民經濟中具有舉足輕重的地位。中國東部許多老礦區的開採深度均在-800m以下,一些新建礦井的覆蓋層厚度便達 600m,開採深度爲-1000m左右。因此,中國東部煤礦已經進入深部開採階段。深部開採礦井均爲高產高效礦井,對煤田地質工作提出了更高的要求,包括查明煤層中落差5m左右的斷層、幅度5m左右的褶曲、陷落柱和採空區的空間分佈形態,同時查明與水文地質條件與瓦斯突出條件密切相關的煤層頂、底板巖性。
目前,煤礦深部開採中的地質勘探技術是以地球物理方法爲先導,其它基礎地質手段加以配合,依託計算機技術實現地質工作的動態管理是煤礦深部開採地質勘探的特點。其工作模式可分爲三個層面:1)井田範圍主要可採煤層開採地質條件評價;2)採區地質條件勘查;3)綜採工作面地質條件超前探測。
而從現今的發展方向來看,煤礦深部開採地質勘探技術的發展方向是將地球物理方法、基礎地質勘探手段與地理資訊系統技術進行有機結合。利用三維地震、瞬變電磁、礦井物探、地面鑽探和井巷工程等多元數據,查明採區內斷層分佈、煤層埋藏深度與厚度、岩溶裂隙發育帶的分佈和隔水層厚度等。利用地理資訊系統作爲平臺建立礦井多元資訊集成系統,把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構造地質、水文地質等多元資訊進行復合、綜合分析後建立預測與評價模型,實現地質資料的資訊化、數字化和可視化,爲開採地質條件的快速評價、生產地質工作的動態管理、突發性地質災害應變對策的制定提供技術支撐。
煤礦由於受礦井地質條件差、斷層發育、煤厚變化大等地質因素的影響,造成生產接續緊張,單靠一種勘探手段很難摸清煤層賦存狀況及構造發育規律,採用綜合勘探方法,多種勘探手段結合並用,地面採用三維物探手段,井下先期施工多用途探巷,配合鑽探及井下物探等手段,針對影響生產的地質因素開展各項專題研究,不斷進行資料的動態綜合分析,取得了較好的地質效果,爲礦井的安全高效生產提供了有利的地質保障。
合理選擇勘探目的層,充分利用井下巷道,以大流量、大降深的井下放水試驗爲主,鑽探與物探相結合,多種方法相互驗證、相互補充的綜合水文地質勘探方法,是查清類似礦井水文地質條件,解放受水害威脅的下組煤的有效技術途徑。
1 傳統水文地質勘探
1.1 方法
受岩溶承壓水威脅的礦井,底板突水是各類因素綜合作用的結果,突水機理主要包括:1)岩溶裂隙水網絡的發育情況,是發生底板突水的物質基礎;2)隔水層的厚度及巖性特徵,是突水的制約因素;3)採礦活動造成底板的破壞,是底板突水的.誘導因素;4)斷裂構造及原生構造裂隙的發育程度,是導致底板突水的關鍵因素;5)水壓與礦壓的偶合作用也是導致底板突水的重要因素。因此,水文地質條件的探查範圍包括了岩溶裂隙水網絡發育規律、隔水層的厚度及巖性變化、斷裂構造及底板裂隙的發育規律及發育程度、含水層水位變化規律等。
1.2 傳統方法的侷限性
而任何一種單一的勘探方法,只能大致探明某一種突水因素,如:採用傳統的地面鑽探、抽水及注水試驗,只能探明某一點的岩溶發育及富水情況,對於整個開採範圍的富水規律難以有效的探明。另外,礦井突水是一個十分複雜的問題,不可能用一個統一的規律進行描述,也就是說,隨着空間的變化,水文地質條件發生變化, 各類突水因素在突水過程中的作用相互交替變化,如:斷層導水型突水,構造的突水機理起到了主導作用,而底板破壞型突水,採礦動壓是突水的關鍵因素。因此, 要防止底板突水,就必須對各類突水因素進行全面探查,有針對性的實施綜合治理,纔能有效的防止水害事故的發生。對水文地質條件的探查,採用單一的探查方法顯然是不夠的。
2 採用綜合方式進行地質勘探
2.1 採區地面地震勘探
採區設計前,透過採用地面地震勘探手段,查明採區構造形態和斷層發育規律,查明煤層賦存狀況及底板起伏形態,對影響開採的含水層富水性進行評價,並提出水害防治措施,爲採區設計提供可靠的地質資料。
同時本階段的主要工作也是進一步查明採區範圍內的小構造,包括落差5m左右的斷層、陷落柱和採空區的空間分佈形態,根據採區銜接的要求,應提前佈置實施。現已成熟的探測技術包括三維地震勘探、瞬變電磁法、礦井直流電法和鑽探。地面物探方法較礦井物探方法施工簡單,探測效率也高,但受到地表條件的限制。因此,在地表條件允許的前提下,三維高分辨率地震勘探技術是首選方法。
2.2 微動測深勘查
微動是一種在時間域和空間域都極不規則的震動現象。根據波動理論,微動記錄既包含有體波也包含有面波。由於在大多數情況下,微動的震源是在地表面或海底面,在微動中的面波成分相對於體波成分來說佔絕對優勢,微動測深勘查方法就是利用這一佔絕對優勢的面波來反演地下地質結構的方法。同時,依據觀測形式的不同微動測深探查主要分爲一下幾種形式:1)單點勘查。單點勘查方式觀測臺陣,一般由兩個不同半徑的同心圓(內接正三角形)組成,在圓心和圓周上內接正三角形頂點處各設定一套微動觀測儀。這種觀測方式勘查深度與臺陣的大小成正比。根據勘查深度的要求,可採用由3個或3個以上不同半徑的同心圓組成觀測臺陣;2)測線勘查。
在煤田勘查這種大面積勘探中,單點勘查已經不能滿足生產要求。可採用測線(剖面)觀測系統,獲得S波速度剖面成果圖。在測區內按一定間距佈置這樣的測線, 可實現二維微動測深勘探,並反演測區三維S波速度結構,結合鑽孔及其它地質資料,可進一步解釋速度異常區域的地質意義;3)平面探查。在礦區或者要求更精細的勘探,在儀器數量足夠多的情況下可採用平面觀測,並反演測區三維S波速度體,從而圈出速度異常體或者面。
2.3 井下鑽探及綜合物探
在放水試驗對主要含水層的富水性達到宏觀控制(礦井、採區)的基礎上,對富水區的每一工作面,針對不同的條件,採用各種物探手段,探明局部導水構造、隔水層變薄帶及局部富水帶,再用少量的鑽探手段進一步驗證,有針對性的重點佈置注漿改造、疏水降壓等治水工程。
1)井下直流電法透視:從大的範疇來說,井下直流電法透視仍屬於礦井直流電法。其目的是探測採煤工作面內部的導水構造、底板含水層的集中富水帶。許多礦區的研究和試驗證明,井下直流電法透視是探測水文地質異常區最爲有效的物探方法之一。2)TEM探測:瞬變電磁法(簡稱TEM),它是利用大功率的發射裝置向鋪設在地面的矩形線圈(或稱發射框)發送雙極性大電流,在電流開啓和關斷時,由於電磁感應作用產生電壓脈衝,電壓脈衝的衰減產生感應磁場(即一次磁場)。一次磁場隨着時間的推移,在地下介質中產生渦流。地下渦流的變化又生產二次磁場,由於不同地質體其電性特徵存在差異,其二次場的衰減亦存在差異。因此,透過研究二次場的衰減規律,可達到推測、分析地下地質異常體的目的。TEM探測可以探測不同高程的相對富水區,以便有針對性的採取防治水措施。3)彈性波CT:即地震層析成相技術,可以推測主要構造的發育情況,但由於該項技術起步比較晚,還有待於進一步完善提高。4)瑞利波:利用瑞利波探測技術可以對掘進巷道前方的地質異常體,特別是斷裂構造進行超前探查,預防突遇斷層出水。該項技術對於探測前方構造效果較好。