隔水層，厚度約為20. 3m ;基本頂為粗砂巖、砂質(zhì)泥巖，裂隙較發(fā)育，富含較豐富的裂隙水， 厚度約為28. 7m?；卷斏戏劫x存有幾層穩(wěn)定含水層，富含較豐富的裂隙水，各含水層間為 砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，阻斷了含水層之間的水力聯(lián)系。工作面傾斜長(zhǎng)度為158. 6m，走向長(zhǎng) 度為1285m，采用綜放開采方法，采高為3m，放煤高度為6. 8m。
[0044] 為了探測(cè)覆巖含水層之間的裂隙導(dǎo)通性，采用基于同位素標(biāo)識(shí)的覆巖裂隙導(dǎo)通性 探測(cè)方法，包括以下步驟：
[0045] 第一步：探測(cè)范圍的確定
[0046] 根據(jù)工作面的累計(jì)采高ΣΜ，確定探測(cè)的最小高度HN，Hn按下式計(jì)算
[0047] Hn= 3ΣΜ = 3X9. 8 = 29. 4m
[0048] 根據(jù)工作面覆巖巖性及抗壓強(qiáng)度，確定探測(cè)的最大高度HM，由于工作面覆巖以粗 砂巖、砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖為主，巖性中硬，且單軸抗壓強(qiáng)度為20~40MPa，H m按下列公式計(jì)算：
[0049]
[0050] 第二步：覆巖中各含水層的層數(shù)、位置及標(biāo)識(shí)物的確定
[0051] 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，確定H N~H M米范圍內(nèi)含水層的層數(shù)η ;
[0052] 如圖1所示，通過鉆孔勘探獲得工作面上方29. 4~112. 86m范圍內(nèi)共有4層含 水層。其中，第一含水層位于煤層上方20. 3~49m，巖性以粗砂巖、砂質(zhì)泥巖為主；第二含 水層位于煤層上方60. 5~73. 8m，巖性以細(xì)砂巖、中砂巖為主；第三含水層位于煤層上方 84. 1~99. 6m，巖性以粗砂巖、頁(yè)巖為主；第四含水層位于煤層上方105. 8~117. 3m，巖性 以石樂巖為主。
[0053] 采集各含水層的水樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，由于探測(cè)范圍內(nèi)的覆巖中僅含有四層含水層， 因此，選取咕〇1 20)、180〇120)、~_〇丨「)和％(50丨- ）4種同位素，并對(duì)其特征進(jìn)行考察。分別采 用同位素比質(zhì)譜儀測(cè)定咕〇120)、180〇1 20)、％'(〔'()丨）、％(8(\)的千分偏差值，結(jié)果為：第一 含水層：5· 8%。、12%。、18. 3%。、38. 5%。；第二含水層：5· 6%。、12. 2%。、18. 3%。、39. 1%。；第三含 水層：5· 8%。、12· 5%。、18· 2%。、38· 7%。;第四含水層：5· 5%。、11· 8%。、18· 3%。、38· 2%。。結(jié)果表 明：上述各含水層中2H(H20)、ls0(H 20)、i:C(C〇:: )、v4SPtT)的同位素特征基本相同。由此，分 另Ij選用重水、1H2 18O J3Na213C16O3溶液和 23Na234S16O4溶液作為標(biāo)識(shí)物，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上述4層含水 層的有效標(biāo)識(shí)。
[0054] 第三步：對(duì)各含水層進(jìn)行標(biāo)識(shí)
[0055] 在工作面前方200~260m范圍布置注水站，其中，第一含水層布置三個(gè)直徑為 58mm、孔深21m的注水孔，分別位于工作面前方200、220和240m ;第二含水層布置三對(duì)鉆 孔，分別位于工作面前方205、225和245m，每對(duì)鉆孔包括一個(gè)直徑為89mm、孔深49m的注 漿孔和一個(gè)直徑為58mm、孔深61m的注水孔；第三含水層也布置三對(duì)鉆孔，分別位于工作 面前方210、230和250m，每對(duì)鉆孔包括一個(gè)直徑為89mm、孔深73. 8m的注漿孔和一個(gè)直徑 為58mm、孔深84. 5m的注水孔；第四含水層同樣布置三對(duì)鉆孔，分別位于工作面前方215、 235和255m，每對(duì)鉆孔包括一個(gè)直徑為89mm、孔深99. 6m的注漿孔和三個(gè)直徑為58mm、孔深 106m的注水孔。
[0056] 對(duì)于第一含水層，直接采用三個(gè)注水孔注入重水后注漿封堵鉆孔。對(duì)于第二含水 層，先在工作面前方205m處打一個(gè)注漿孔封堵鉆孔附近圍巖，再在有效封堵的圍巖內(nèi)打一 個(gè)注水孔，注入 1H218O后注漿封堵鉆孔；在工作面前方225和245m處分別重復(fù)上述過程。對(duì) 于第三含水層和第四含水層，其標(biāo)識(shí)方法與第二含水層相同，標(biāo)識(shí)物分別為 2~&213(：1603溶液 和 23Na234S16O4溶液。
[0057] 第四步：工作面排水檢測(cè)
[0058] 待工作面推進(jìn)至距注水站約50m左右時(shí)，開始對(duì)工作面排水進(jìn)行取樣，每4~ 6小時(shí)取樣一次，連續(xù)取樣直至工作面推過注水站約100m，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定所取排水水樣 中 2H (H2O)、18O (H2O)、i ;α〔?〗）、:'1 S(SOf )的千分偏差值。檢測(cè)結(jié)果為：水樣中2H (H2O)、 1S0(H20)、r'〔'(C(:0、.'(SO;)的千分偏差值最大分別為 226.5 %。、106.8%。、63.4%〇、 38. 9%〇。
[0059] 第五步：覆巖裂隙導(dǎo)通性評(píng)價(jià)
[0060] 將各含水層中標(biāo)識(shí)同位素的千分偏差值，與工作面排水中標(biāo)識(shí)同位素的最大千分 偏差值進(jìn)行對(duì)比，由于排水水樣中 2H(H2O)、1S0(H2O)、13C(CCT)的最大千分偏差值，遠(yuǎn)超過第 一含水層1、第二含水層和第三含水層的相應(yīng)值，所以確定第一含水層1、第二含水層和第 三含水層中的水均導(dǎo)入工作面；由于排水水樣中 3lS(S〇_;)的千分偏差值最大為38. 9%。，與 第四含水層中的水樣基本相同，所以確定第四含水層中的水未導(dǎo)入工作面。由此可得，第三 含水層及其下部覆巖的裂隙全部導(dǎo)通，第三含水層上部的隔水層并未導(dǎo)通，仍具有較好的 隔水性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于同位素標(biāo)識(shí)的覆巖裂隙導(dǎo)通性探測(cè)方法，其特征在于，它是通過添加不同 的同位素標(biāo)識(shí)物實(shí)現(xiàn)對(duì)覆巖中不同含水層水的有效標(biāo)識(shí)，通過對(duì)比各含水層及工作面排水 中標(biāo)識(shí)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： 第一步：探測(cè)范圍的確定 根據(jù)工作面的累計(jì)采高SM，確定探測(cè)的最小高度HN，HN按下式計(jì)算 HN= 3XM 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(cè)公式，由于覆巖裂隙的發(fā)育還受地質(zhì)構(gòu) 造因素的影響，為保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定探測(cè)的最大高度HM按照預(yù)測(cè)高度的兩倍進(jìn) 行計(jì)算，具體公式為： (1) 當(dāng)工作面覆巖以石英砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖、礫巖為主，且單軸抗壓強(qiáng)度大于 40MPa時(shí)，(2) 當(dāng)工作面覆巖以砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖為主，且單軸抗壓強(qiáng)度為20~ 40MPa時(shí)，(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(shí)，則因此，覆巖需探測(cè)的高度范圍為工作面上方HN-HM，單位m. 第二步：覆巖中各含水層的層數(shù)、位置及標(biāo)識(shí)物的確定 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； 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n種同位素，分別測(cè) 定其在各含水層中的千分偏差值；測(cè)定時(shí)，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(cè)定；上述穩(wěn)定同位素指的是制取方便、成本低，對(duì)人和環(huán)境無害 的且便于監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定同位素； 根據(jù)各含水層中選取同位素的特征，確定n種標(biāo)識(shí)同位素，并選取合適的標(biāo)識(shí)物；可選 的標(biāo)識(shí)物包括重水、％180,以及 23Na213C1603、23Na234S1604、23Na37Cl和S7Sr35Cl2溶液； 第三步：對(duì)各含水層進(jìn)行標(biāo)識(shí) 工作面開采覆巖未受到采動(dòng)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(shí)，對(duì)該注漿孔進(jìn)行高壓注漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)揭露含水層的封堵，以保證后面注入同位素時(shí)，不會(huì) 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(shí)，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(shí)物全 部注入待標(biāo)志含水層中，最后注入漿液封堵鉆孔； 重復(fù)上述過程，完成對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)所有含水層的標(biāo)識(shí)； 第四步：工作面排水檢測(cè) 待工作面推進(jìn)至距注水站45-55米時(shí)，開始對(duì)工作面排水進(jìn)行，每4-6小時(shí)取樣一次， 在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)所取樣品中n種標(biāo)識(shí)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n種標(biāo)識(shí)同位素的千分偏差值； 第五步：覆巖裂隙導(dǎo)通性評(píng)價(jià) 將各含水層中標(biāo)識(shí)同位素的千分偏差值，與工作面排水中標(biāo)識(shí)同位素的最大千分偏差 值進(jìn)行對(duì)比，若工作面排水中某標(biāo)識(shí)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(shí)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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于同位素標(biāo)識(shí)的覆巖裂隙導(dǎo)通性探測(cè)方法，它是通過添加不同的同位素標(biāo)識(shí)物實(shí)現(xiàn)對(duì)覆巖中不同含水層水的有效標(biāo)識(shí)，通過對(duì)比各含水層及工作面排水中標(biāo)識(shí)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。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的間接探測(cè)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)。
【IPC分類】E21B47/11
【公開號(hào)】CN105019888
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510387226
【發(fā)明人】劉學(xué)生, 譚云亮, 寧建國(guó), 田成林, 顧清恒, 史新帥, 胡浩
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日