一種基于同位素標(biāo)識的覆巖裂隙導(dǎo)通性探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤礦井下覆巖裂隙探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦井下開采引起周圍巖體的應(yīng)力場、變形場等重新分布，導(dǎo)致上覆巖層出現(xiàn)不 同程度的破壞，由下到上依次出現(xiàn)垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶，其中垮落帶和導(dǎo)水裂 隙帶是水的良好通道。當(dāng)煤層上方具有富含水層時，覆巖裂隙是否貫通該含水層直接決定 著工作面的安全。因此，準(zhǔn)確掌握覆巖裂隙導(dǎo)通性是判斷礦井突水發(fā)生條件、進(jìn)行礦井突水 預(yù)測和制訂礦井水害防治對策的重要理論基礎(chǔ)。
[0003] 現(xiàn)場實(shí)測覆巖裂隙導(dǎo)通性的方法主要有鉆孔沖洗液法、雙端堵水器法和地球物理 探測方法。鉆孔沖洗液法是在采空區(qū)上方地面或上層煤巷道內(nèi)布置觀測孔，通過測定鉆進(jìn) 過程中鉆孔內(nèi)沖洗液的漏失量和水位的變化，確定導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度及破壞特征。這 種方法施工工程量大、時間長、費(fèi)用高、工藝復(fù)雜、受煤層和地面條件的限制，當(dāng)?shù)谒南祹r層 較松散或煤層上方無合適巷道時鉆孔將無法施工，對地質(zhì)條件的適應(yīng)性差；而且其觀測結(jié) 果的準(zhǔn)確性和可靠性也不高，在地面施工時存在征用土地和青苗賠償?shù)嚷闊﹩栴}，經(jīng)濟(jì)效 益差。
[0004] 雙端堵水器法是在鉆孔中分段封堵注水監(jiān)測漏水量，通過對比工作面開采前后不 同孔段漏水量的變化來確定覆巖裂隙的發(fā)育高度。這種方法探測設(shè)備簡單，觀測資料直觀 易懂，且不存在征地、青苗賠償?shù)葐栴}。但在現(xiàn)場應(yīng)用時，需要設(shè)置專門的硐室，硐室位置較 遠(yuǎn)時造成鉆孔工程量大；高壓風(fēng)管與孔壁、鉆桿之間相互摩擦易斷裂，封孔膠囊易漲破，封 孔效果難以保證，影響探測精度；一旦高壓風(fēng)管斷裂或封孔膠囊漲破，將使探測工作無法正 常進(jìn)行，極大地降低探測效率。
[0005] 而且，上述兩種方法均為點(diǎn)觀測，即通過某一點(diǎn)或幾個點(diǎn)的觀測結(jié)果來反映整個 覆巖裂隙發(fā)育情況。這種方法在覆巖地質(zhì)條件簡單，無斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的條件下，能 獲得較滿意的結(jié)果。然而，受長期構(gòu)造運(yùn)動的影響，很多礦井的煤系地層中均含有多種斷 層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，對覆巖裂隙導(dǎo)通性產(chǎn)生重要影響，采用點(diǎn)觀測的方法難以對這類覆巖 裂隙的導(dǎo)通性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地探測，造成較大的探測誤差。
[0006] 地球物理探測方法主要有電法CT成像技術(shù)、震波動態(tài)監(jiān)測技術(shù)、瞬變電磁法等。 這類方法利用完整巖石與裂隙巖石的電阻率、波速等信號的不同，通過監(jiān)測覆巖中不同位 置處電阻率、波速等信號的變化規(guī)律來反推覆巖裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而獲得覆巖裂隙的導(dǎo)通 性。這種方法能夠探測較大范圍覆巖裂隙導(dǎo)通性，克服了點(diǎn)觀測方法的局限性，消除了這部 分誤差。然而，地球物理探測方法的工程量大、費(fèi)用高，要求特殊的電源及特殊的鉆孔施工， 資料的解釋十分復(fù)雜，需要專業(yè)技術(shù)人員才能解釋，并易受工作面開采、井下設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、礦 井水等多種因素的影響，探測精度不尚。
[0007] 另外，上述現(xiàn)場探測方法均為間接探測方法，它們首先通過直接或間接的手段獲 得覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，然后根據(jù)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律評價裂隙的導(dǎo)通性。由于導(dǎo)通性不僅與 覆巖裂隙發(fā)育程度有關(guān)，還受巖層性質(zhì)的影響，特別是覆巖中含有多種不同巖性的巖石，單 純根據(jù)覆巖裂隙發(fā)育程度評價其導(dǎo)通性難免存在一定的誤差。
[0008] 因此，現(xiàn)有煤礦覆巖裂隙導(dǎo)通性的探測方法有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有點(diǎn)觀測方法不能全面、準(zhǔn)確地探測覆巖裂隙導(dǎo)通性的局限性，同時 解決地球物理探測方法存在的資料解釋復(fù)雜、探測精度低、施工要求高等不足，本發(fā)明提供 一種基于同位素標(biāo)識的覆巖裂隙導(dǎo)通性探測方法。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0011] -種基于同位素標(biāo)識的覆巖裂隙導(dǎo)通性探測方法，其特征在于，通過添加不同的 同位素標(biāo)識物實(shí)現(xiàn)對覆巖中不同含水層水的有效標(biāo)識，通過對比各含水層及工作面排水中 標(biāo)識同位素的千分偏差值確定各含水層的水是否導(dǎo)入工作面，根據(jù)覆巖中各含水層中的水 是否導(dǎo)入工作面確定覆巖裂隙導(dǎo)通性。具體包括以下步驟：
[0012] 第一步：探測范圍的確定
[0013] 根據(jù)工作面的累計采高ΣΜ，確定探測的最小高度HN，Hn按下式計算
[0014] Hn= 3ΣΜ
[0015] 根據(jù)工作面覆巖巖性及抗壓強(qiáng)度，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓 煤開采規(guī)程》中給出了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的近似預(yù)測公式，由于覆巖裂隙的發(fā)育還受地 質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，為保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定探測的最大高度H m按照預(yù)測高度的 兩倍進(jìn)行計算，具體公式為：
[0016] (1)當(dāng)工作面覆巖以石英砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、礫巖為主，且單軸抗壓強(qiáng)度大于 40MPa 時.
[0017]
[0018] (2)當(dāng)工作面覆巖以砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、頁巖為主，且單軸抗壓強(qiáng)度為 20 ~40MPa 時，
[0019]
[0020] (3)當(dāng)工作面覆巖以泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，且單軸抗壓強(qiáng)度小于20MPa時，則
[0021]
[0022] 因此，覆巖需探測的高度范圍為工作面上方Hn-Hm,單位m.
[0023] 第二步：覆巖中各含水層的層數(shù)、位置及標(biāo)識物的確定
[0024] 通過鉆孔勘探獲得工作面上方0~Hm米范圍內(nèi)不同含水層的位置，獲取各含水層 的水樣并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室；
[0025] 根據(jù)HN~Hm米范圍內(nèi)含水層的層數(shù)n，在穩(wěn)定同位素中選取至少η種同位素，分 別測定其在各含水層中的千分偏差值；測定時，首先將選取的同位素轉(zhuǎn)化為氣體或固體源， 然后采用同位素比質(zhì)譜儀進(jìn)行測定；上述穩(wěn)定同位素指的是制取方便、成本低，對人和環(huán) 境無害的且便于監(jiān)測的穩(wěn)定同位素，比如2H(H2O)、18O (H2O)、I3('(C〇_; )、)、37Cl \ rT(CT).: )、S7Sr2+等等；
[0026] 根據(jù)各含水層中選取同位素的特征，確定η種標(biāo)識同位素，并選取合適的標(biāo)識物； 可選的標(biāo)識物包括重水、 1H218O,以及 23Na213C1603、 23Na234S1604、 23Na37Cl 和 87Sr35Cl2溶液，一般情 況下，這些標(biāo)識物可以滿足對探測范圍內(nèi)各含水層的有效標(biāo)識；
[0027] 第三步：對各含水層進(jìn)行標(biāo)識
[0028] 工作面開采覆巖未受到采動影響之前，在距工作面前方200-260米的位置布置注 水站；首先在注水站采用較大直徑鉆頭鉆注漿孔，鉆進(jìn)至某待標(biāo)志含水層下方的隔水層底 部時，對該注漿孔進(jìn)行高壓注漿，實(shí)現(xiàn)對揭露含水層的封堵，以保證后面注入同位素時，不 會注入到下面的含水層中；然后采用小直徑鉆頭在注漿孔有效封堵的圍巖內(nèi)鉆注水孔，鉆 進(jìn)至某待標(biāo)志含水層時，在該含水層中注入標(biāo)志物，再注入取自該含水層的水，確保標(biāo)識物 全部注入待標(biāo)志含水層中，最后注入漿液封堵鉆孔；
[0029] 重復(fù)上述過程，完成對探測范圍內(nèi)所有含水層的標(biāo)識。
[0030] 第四步：工作面排水檢測
[0031] 待工作面推進(jìn)至距注水站45-55米時，開始對工作面排水進(jìn)行，每4-6小時取樣一 次，在實(shí)驗(yàn)室檢測所取樣品中η種標(biāo)識同位素的千分偏差值；連續(xù)取樣直至工作面推過注 水站100米，取樣結(jié)束，獲得全部所取樣品中η種標(biāo)識同位素的千分偏差值；
[0032] 第五步：覆巖裂隙導(dǎo)通性評價
[0033] 將各含水層中標(biāo)識同位素的千分偏差值，與工作面排水中標(biāo)識同位素的最大千分 偏差值進(jìn)行對比，若工作面排水中某標(biāo)識同位素的最大千分偏差值增大20%以上，說明用 該同位素標(biāo)識的含水層的水導(dǎo)入工作面中，反之，含水層的水不導(dǎo)入工作面；由此即可確定 覆巖裂隙的導(dǎo)通性。
[0034] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0035] 1、本發(fā)明通過添加不同的同位素標(biāo)識物實(shí)現(xiàn)對覆巖中不同含水層水的有效標(biāo)識， 通過對比各含水層及工作面排水中標(biāo)識同位素的千分偏差值確定各含水層的水是否導(dǎo)入 工作面，根據(jù)覆巖中各含水層中的水是否導(dǎo)入工作面確定覆巖裂隙導(dǎo)通性。這種以覆巖含 水層中的水是否導(dǎo)入工作面為判定依據(jù)確定覆巖裂隙導(dǎo)通性，是一種直接探測方法，克服 了傳統(tǒng)的間接探測方法的不足，從理論上消除了此類誤差，能為工作面進(jìn)行水害防治提供 更準(zhǔn)確的依據(jù)。
[0036] 2、與鉆孔沖洗液、雙端堵水器等點(diǎn)觀測方法相比，本發(fā)明能直接探測較大范圍內(nèi) 覆巖裂隙導(dǎo)通性，克服了點(diǎn)觀測方法的局限性，特別是能夠?qū)鄬?、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造帶附近 的裂隙導(dǎo)通性進(jìn)行有效探測，顯著提高了探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0037] 3、與地球物理探測方法相比，本發(fā)明基于同位素進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)采集工作簡單，不 受工作面開采、井下設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等的干擾，資料解釋也較簡單，探測精度高；而且施工方法簡 單、工程量較小，總體費(fèi)用較低。
[0038] 4、同時，本發(fā)明無需復(fù)雜的現(xiàn)場探測儀器，現(xiàn)場施工工藝也較簡單，整個探測過程 不易出現(xiàn)問題，探測可靠性高；所采用的標(biāo)識物便于檢測、精度高、成本低、無放射性；對各 類地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)，便于推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中工作面覆巖含水層、隔水層分布示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中注水站鉆孔布置及含水層標(biāo)識示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中覆巖含水層中標(biāo)識物流動示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面參照附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0043] 某礦11#煤層厚度為8. 5~12. 8m，平均10. 25m。直接頂為泥巖，透水性差，為穩(wěn)定