一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法.pdf

本发明公开了一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法，它是通过添加不同的同位素标识物实现对覆岩中不同含水层水的有效标识，通过对比各含水层及工作面排水中标识同位素的千分偏差值确定各含水层的水是否导入工作面，根据覆岩中各含水层中的水是否导入工作面确定覆岩裂隙导通性。本发明克服了传统的间接探测方法的不足，从理论上消除了此类误差，能为工作面进行水害防治提供更准确的依据。

1.  一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法，其特征在于，它是通过添加不同的同位素标识物实现对覆岩中不同含水层水的有效标识，通过对比各含水层及工作面排水中标识同位素的千分偏差值确定各含水层的水是否导入工作面，根据覆岩中各含水层中的水是否导入工作面确定覆岩裂隙导通性；具体包括以下步骤：
第一步：探测范围的确定
根据工作面的累计采高ΣM，确定探测的最小高度H_N，H_N按下式计算
H_N＝3ΣM
根据工作面覆岩岩性及抗压强度，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出了导水裂隙带发育高度的近似预测公式，由于覆岩裂隙的发育还受地质构造因素的影响，为保证探测结果的准确性，确定探测的最大高度H_M按照预测高度的两倍进行计算，具体公式为：
(1)当工作面覆岩以石英砂岩、石灰岩、砂质页岩、砾岩为主，且单轴抗压强度大于40MPa时，
HM=200ΣM1.2ΣM+2.0+17.8]]>
(2)当工作面覆岩以砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩为主，且单轴抗压强度为20～40MPa时，
HM=200ΣM1.6ΣM+3.6+11.2]]>
(3)当工作面覆岩以泥岩、泥质砂岩为主，且单轴抗压强度小于20MPa时，则
HM=200ΣM3.1ΣM+5+8.0]]>
因此，覆岩需探测的高度范围为工作面上方H_N-H_M，单位m.
第二步：覆岩中各含水层的层数、位置及标识物的确定
通过钻孔勘探获得工作面上方0～H_M米范围内不同含水层的位置，获取各含水层的水样并运回实验室；
根据H_N～H_M米范围内含水层的层数n，在稳定同位素中选取至少n种同位素，分别测定其在各含水层中的千分偏差值；测定时，首先将选取的同位素转化为气体或固体源，然后采用同位素比质谱仪进行测定；上述稳定同位素指的是制取方便、成本低，对人和环境无害的且便于监测的稳定同位素；
根据各含水层中选取同位素的特征，确定n种标识同位素，并选取合适的标识物；可选的标识物包括重水、¹H₂¹⁸O，以及²³Na₂¹³C¹⁶O₃、²³Na₂³⁴S¹⁶O₄、²³Na³⁷Cl和⁸⁷Sr³⁵Cl₂溶液；
第三步：对各含水层进行标识
工作面开采覆岩未受到采动影响之前，在距工作面前方200-260米的位置布置注水站；首先在注水站采用较大直径钻头钻注浆孔，钻进至某待标志含水层下方的隔水层底部时，对该注浆孔进行高压注浆，实现对揭露含水层的封堵，以保证后面注入同位素时，不会注入到下面的含水层中；然后采用小直径钻头在注浆孔有效封堵的围岩内钻注水孔，钻进至某待标志含水层时，在该含水层中注入标志物，再注入取自该含水层的水，确保标识物全部注入待标志含水层中，最后注入浆液封堵钻孔；
重复上述过程，完成对探测范围内所有含水层的标识；
第四步：工作面排水检测
待工作面推进至距注水站45-55米时，开始对工作面排水进行，每4-6小时 取样一次，在实验室检测所取样品中n种标识同位素的千分偏差值；连续取样直至工作面推过注水站100米，取样结束，获得全部所取样品中n种标识同位素的千分偏差值；
第五步：覆岩裂隙导通性评价
将各含水层中标识同位素的千分偏差值，与工作面排水中标识同位素的最大千分偏差值进行对比，若工作面排水中某标识同位素的最大千分偏差值增大20％以上，说明用该同位素标识的含水层的水导入工作面中，反之，含水层的水不导入工作面；由此即可确定覆岩裂隙的导通性。

一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下覆岩裂隙探测技术领域。
背景技术
煤矿井下开采引起周围岩体的应力场、变形场等重新分布，导致上覆岩层出现不同程度的破坏，由下到上依次出现垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带，其中垮落带和导水裂隙带是水的良好通道。当煤层上方具有富含水层时，覆岩裂隙是否贯通该含水层直接决定着工作面的安全。因此，准确掌握覆岩裂隙导通性是判断矿井突水发生条件、进行矿井突水预测和制订矿井水害防治对策的重要理论基础。
现场实测覆岩裂隙导通性的方法主要有钻孔冲洗液法、双端堵水器法和地球物理探测方法。钻孔冲洗液法是在采空区上方地面或上层煤巷道内布置观测孔，通过测定钻进过程中钻孔内冲洗液的漏失量和水位的变化，确定导水裂缝带的发育高度及破坏特征。这种方法施工工程量大、时间长、费用高、工艺复杂、受煤层和地面条件的限制，当第四系岩层较松散或煤层上方无合适巷道时钻孔将无法施工，对地质条件的适应性差；而且其观测结果的准确性和可靠性也不高，在地面施工时存在征用土地和青苗赔偿等麻烦问题，经济效益差。
双端堵水器法是在钻孔中分段封堵注水监测漏水量，通过对比工作面开采前后不同孔段漏水量的变化来确定覆岩裂隙的发育高度。这种方法探测设备简单，观测资料直观易懂，且不存在征地、青苗赔偿等问题。但在现场应用时，需要设置专门的硐室，硐室位置较远时造成钻孔工程量大；高压风管与孔壁、钻杆之间相互摩擦易断裂，封孔胶囊易涨破，封孔效果难以保证，影响探测精度； 一旦高压风管断裂或封孔胶囊涨破，将使探测工作无法正常进行，极大地降低探测效率。
而且，上述两种方法均为点观测，即通过某一点或几个点的观测结果来反映整个覆岩裂隙发育情况。这种方法在覆岩地质条件简单，无断层、褶皱等地质构造的条件下，能获得较满意的结果。然而，受长期构造运动的影响，很多矿井的煤系地层中均含有多种断层、褶曲等地质构造，对覆岩裂隙导通性产生重要影响，采用点观测的方法难以对这类覆岩裂隙的导通性进行全面、准确地探测，造成较大的探测误差。
地球物理探测方法主要有电法CT成像技术、震波动态监测技术、瞬变电磁法等。这类方法利用完整岩石与裂隙岩石的电阻率、波速等信号的不同，通过监测覆岩中不同位置处电阻率、波速等信号的变化规律来反推覆岩裂隙发育情况，进而获得覆岩裂隙的导通性。这种方法能够探测较大范围覆岩裂隙导通性，克服了点观测方法的局限性，消除了这部分误差。然而，地球物理探测方法的工程量大、费用高，要求特殊的电源及特殊的钻孔施工，资料的解释十分复杂，需要专业技术人员才能解释，并易受工作面开采、井下设备运转、矿井水等多种因素的影响，探测精度不高。
另外，上述现场探测方法均为间接探测方法，它们首先通过直接或间接的手段获得覆岩裂隙发育规律，然后根据覆岩裂隙发育规律评价裂隙的导通性。由于导通性不仅与覆岩裂隙发育程度有关，还受岩层性质的影响，特别是覆岩中含有多种不同岩性的岩石，单纯根据覆岩裂隙发育程度评价其导通性难免存在一定的误差。
因此，现有煤矿覆岩裂隙导通性的探测方法有待于进一步的改进和发展。
发明内容
为了克服现有点观测方法不能全面、准确地探测覆岩裂隙导通性的局限性，同时解决地球物理探测方法存在的资料解释复杂、探测精度低、施工要求高等不足，本发明提供一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法。
本发明的技术方案是：
一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法，其特征在于，通过添加不同的同位素标识物实现对覆岩中不同含水层水的有效标识，通过对比各含水层及工作面排水中标识同位素的千分偏差值确定各含水层的水是否导入工作面，根据覆岩中各含水层中的水是否导入工作面确定覆岩裂隙导通性。具体包括以下步骤：
第一步：探测范围的确定
根据工作面的累计采高ΣM，确定探测的最小高度H_N，H_N按下式计算
H_N＝3ΣM
根据工作面覆岩岩性及抗压强度，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出了导水裂隙带发育高度的近似预测公式，由于覆岩裂隙的发育还受地质构造等因素的影响，为保证探测结果的准确性，确定探测的最大高度H_M按照预测高度的两倍进行计算，具体公式为：
(1)当工作面覆岩以石英砂岩、石灰岩、砂质页岩、砾岩为主，且单轴抗压强度大于40MPa时，
HM=200ΣM1.2ΣM+2.0+17.8]]>
(2)当工作面覆岩以砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩为主，且单轴抗压强度为20～40MPa时，
HM=200ΣM1.6ΣM+3.6+11.2]]>
(3)当工作面覆岩以泥岩、泥质砂岩为主，且单轴抗压强度小于20MPa时，则
HM=200ΣM3.1ΣM+5+8.0]]>
因此，覆岩需探测的高度范围为工作面上方H_N-H_M，单位m.
第二步：覆岩中各含水层的层数、位置及标识物的确定
通过钻孔勘探获得工作面上方0～H_M米范围内不同含水层的位置，获取各含水层的水样并运回实验室；
根据H_N～H_M米范围内含水层的层数n，在稳定同位素中选取至少n种同位素，分别测定其在各含水层中的千分偏差值；测定时，首先将选取的同位素转化为气体或固体源，然后采用同位素比质谱仪进行测定；上述稳定同位素指的是制取方便、成本低，对人和环境无害的且便于监测的稳定同位素，比如²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、³⁷Cl^-1、⁸⁷Sr²⁺等等；
根据各含水层中选取同位素的特征，确定n种标识同位素，并选取合适的标识物；可选的标识物包括重水、¹H₂¹⁸O，以及²³Na₂¹³C¹⁶O₃、²³Na₂³⁴S¹⁶O₄、²³Na³⁷Cl和⁸⁷Sr³⁵Cl₂溶液，一般情况下，这些标识物可以满足对探测范围内各含水层的有效标识；
第三步：对各含水层进行标识
工作面开采覆岩未受到采动影响之前，在距工作面前方200-260米的位置布置注水站；首先在注水站采用较大直径钻头钻注浆孔，钻进至某待标志含水层下方的隔水层底部时，对该注浆孔进行高压注浆，实现对揭露含水层的封堵，以保证后面注入同位素时，不会注入到下面的含水层中；然后采用小直径钻头 在注浆孔有效封堵的围岩内钻注水孔，钻进至某待标志含水层时，在该含水层中注入标志物，再注入取自该含水层的水，确保标识物全部注入待标志含水层中，最后注入浆液封堵钻孔；
重复上述过程，完成对探测范围内所有含水层的标识。
第四步：工作面排水检测
待工作面推进至距注水站45-55米时，开始对工作面排水进行，每4-6小时取样一次，在实验室检测所取样品中n种标识同位素的千分偏差值；连续取样直至工作面推过注水站100米，取样结束，获得全部所取样品中n种标识同位素的千分偏差值；
第五步：覆岩裂隙导通性评价
将各含水层中标识同位素的千分偏差值，与工作面排水中标识同位素的最大千分偏差值进行对比，若工作面排水中某标识同位素的最大千分偏差值增大20％以上，说明用该同位素标识的含水层的水导入工作面中，反之，含水层的水不导入工作面；由此即可确定覆岩裂隙的导通性。
本发明的优点是：
1、本发明通过添加不同的同位素标识物实现对覆岩中不同含水层水的有效标识，通过对比各含水层及工作面排水中标识同位素的千分偏差值确定各含水层的水是否导入工作面，根据覆岩中各含水层中的水是否导入工作面确定覆岩裂隙导通性。这种以覆岩含水层中的水是否导入工作面为判定依据确定覆岩裂隙导通性，是一种直接探测方法，克服了传统的间接探测方法的不足，从理论上消除了此类误差，能为工作面进行水害防治提供更准确的依据。
2、与钻孔冲洗液、双端堵水器等点观测方法相比，本发明能直接探测较大范围内覆岩裂隙导通性，克服了点观测方法的局限性，特别是能够对断层、褶 曲等地质构造带附近的裂隙导通性进行有效探测，显著提高了探测结果的准确性。
3、与地球物理探测方法相比，本发明基于同位素进行检测，数据采集工作简单，不受工作面开采、井下设备运转等的干扰，资料解释也较简单，探测精度高；而且施工方法简单、工程量较小，总体费用较低。
4、同时，本发明无需复杂的现场探测仪器，现场施工工艺也较简单，整个探测过程不易出现问题，探测可靠性高；所采用的标识物便于检测、精度高、成本低、无放射性；对各类地质条件的适应性强，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例中工作面覆岩含水层、隔水层分布示意图；
图2为本发明实施例中注水站钻孔布置及含水层标识示意图；
图3为本发明实施例中覆岩含水层中标识物流动示意图。
具体实施方式
下面参照附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
某矿11#煤层厚度为8.5～12.8m，平均10.25m。直接顶为泥岩，透水性差，为稳定隔水层，厚度约为20.3m；基本顶为粗砂岩、砂质泥岩，裂隙较发育，富含较丰富的裂隙水，厚度约为28.7m。基本顶上方赋存有几层稳定含水层，富含较丰富的裂隙水，各含水层间为砂质泥岩、泥质粉砂岩，阻断了含水层之间的水力联系。工作面倾斜长度为158.6m，走向长度为1285m，采用综放开采方法，采高为3m，放煤高度为6.8m。
为了探测覆岩含水层之间的裂隙导通性，采用基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法，包括以下步骤：
第一步：探测范围的确定
根据工作面的累计采高ΣM，确定探测的最小高度H_N，H_N按下式计算
H_N＝3ΣM＝3×9.8＝29.4m
根据工作面覆岩岩性及抗压强度，确定探测的最大高度H_M，由于工作面覆岩以粗砂岩、砂质泥岩、页岩为主，岩性中硬，且单轴抗压强度为20～40MPa，H_M按下列公式计算：
HM=200ΣM1.6ΣM+3.6+11.2=200×9.81.6×9.8+3.6+11.2=112.86m]]>
第二步：覆岩中各含水层的层数、位置及标识物的确定
通过钻孔勘探获得工作面上方0～H_M米范围内不同含水层的位置，获取各含水层的水样并运回实验室，确定H_N～H_M米范围内含水层的层数n；
如图1所示，通过钻孔勘探获得工作面上方29.4～112.86m范围内共有4层含水层。其中，第一含水层位于煤层上方20.3～49m，岩性以粗砂岩、砂质泥岩为主；第二含水层位于煤层上方60.5～73.8m，岩性以细砂岩、中砂岩为主；第三含水层位于煤层上方84.1～99.6m，岩性以粗砂岩、页岩为主；第四含水层位于煤层上方105.8～117.3m，岩性以砾岩为主。
采集各含水层的水样运回实验室，由于探测范围内的覆岩中仅含有四层含水层，因此，选取²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、和4种同位素，并对其特征进行考察。分别采用同位素比质谱仪测定²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、的千分偏差值，结果为：第一含水层：5.8‰、12‰、18.3‰、38.5‰；第二含水层：5.6‰、12.2‰、18.3‰、39.1‰；第三含水层：5.8‰、12.5‰、18.2‰、38.7‰；第四含水层：5.5‰、11.8‰、18.3‰、38.2‰。结果表明：上述各含水层中²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、的同位素特征基本相同。由此，分别选用重水、¹H₂¹⁸O、²³Na₂¹³C¹⁶O₃溶液和²³Na₂³⁴S¹⁶O₄溶液作为标识物，能够实现对上述4层含水层的有效标识。
第三步：对各含水层进行标识
在工作面前方200～260m范围布置注水站，其中，第一含水层布置三个直径为58mm、孔深21m的注水孔，分别位于工作面前方200、220和240m；第二含水层布置三对钻孔，分别位于工作面前方205、225和245m，每对钻孔包括一个直径为89mm、孔深49m的注浆孔和一个直径为58mm、孔深61m的注水孔；第三含水层也布置三对钻孔，分别位于工作面前方210、230和250m，每对钻孔包括一个直径为89mm、孔深73.8m的注浆孔和一个直径为58mm、孔深84.5m的注水孔；第四含水层同样布置三对钻孔，分别位于工作面前方215、235和255m，每对钻孔包括一个直径为89mm、孔深99.6m的注浆孔和三个直径为58mm、孔深106m的注水孔。
对于第一含水层，直接采用三个注水孔注入重水后注浆封堵钻孔。对于第二含水层，先在工作面前方205m处打一个注浆孔封堵钻孔附近围岩，再在有效封堵的围岩内打一个注水孔，注入¹H₂¹⁸O后注浆封堵钻孔；在工作面前方225和245m处分别重复上述过程。对于第三含水层和第四含水层，其标识方法与第二含水层相同，标识物分别为²³Na₂¹³C¹⁶O₃溶液和²³Na₂³⁴S¹⁶O₄溶液。
第四步：工作面排水检测
待工作面推进至距注水站约50m左右时，开始对工作面排水进行取样，每4～6小时取样一次，连续取样直至工作面推过注水站约100m，在实验室测定所取排水水样中²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、的千分偏差值。检测结果为：水样中²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、的千分偏差值最大分别为226.5‰、106.8‰、63.4‰、38.9‰。
第五步：覆岩裂隙导通性评价
将各含水层中标识同位素的千分偏差值，与工作面排水中标识同位素的最大千分偏差值进行对比，由于排水水样中²H(H₂O)、¹⁸O(H₂O)、的最大千分偏差值，远超过第一含水层1、第二含水层和第三含水层的相应值，所以确定第一含水层1、第二含水层和第三含水层中的水均导入工作面；由于排水水样中的千分偏差值最大为38.9‰，与第四含水层中的水样基本相同，所以确定第四含水层中的水未导入工作面。由此可得，第三含水层及其下部覆岩的裂隙全部导通，第三含水层上部的隔水层并未导通，仍具有较好的隔水性能。