基于地面直流电法的煤矿开采中综合防治水技术.pdf
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1、收稿日期:2022 11 17作者简介:任瑞强(1990-),男,山西晋中人,助理工程师,从事煤矿地质工程工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.022基于地面直流电法的煤矿开采中综合防治水技术任瑞强(山西寿阳段王煤业集团有限公司,山西 晋中 045499)摘 要:为避免煤矿开采过程中出现渗水、漏水的情况,针对基于地面直流电法的煤矿开采中综合防治水技术展开研究。利用采集到的多电极数据样本,求解带电系数取值范围,建立地面直流电法的基本应用模型。分析某煤矿工程的水文及地质条件,并针对该区域进行实验,以验证地面直流电法在煤矿开采防治水工程中的应用能力。根据具体
2、实验结果,研究矿井充水的具体因素,从而实现对煤矿渗水、漏水问题的有效防治。关键词:地面直流电法;煤矿开采;防治水;多电极数据中图分类号:TD745 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)09 0079 04 煤矿开采中,综合防治水就是指为应对或预防重大水害事故而制定的安全施工方案。综合防治水的核心任务就是在评价矿井充水条件的同时,找到良好的导水通路,从而最大化保障煤矿矿井的开采安全性。由于含水层的结构体系较为复杂,且大多数水源通路的展布范围都较为广泛,所以在进行防水治理时,应控制实际施工面积,使得已暴露矿床下部灰岩含水层的水介质属性不会与未暴露部分产生较大差异1。近年来,随着
3、煤矿开采面积的不断扩大,如何在保障施工质量的同时,避免渗水、漏水情况的发生,已成为一项亟待解决的问题。文献1研究了地面多分支定向钻孔技术在煤层底板区域防治水中的应用,应用地面定向钻探注浆技术改善采煤工作面底板状况,消除了煤炭开采时底板突水水害威胁。文献2提出了浅埋藏超大工作面工作过地表沟流防治水技术,通过井下探放含水层等关键技术,解除了含水层涌水威胁,通过增大工作面及巷道的排水能力,有效解决了工作面涌水问题。但是上述两种技术的煤矿水流实际渗透量与非外力干扰条件下的渗透量数值相比却并没有明显差异,致使渗水、漏水问题没有得到有效治理。而地面直流电法的实施以勘探煤矿岩层导电性能的主要差异为基础,通过
4、人工注入的方式,向地面提供稳定的传输电流,从而通过观测大地电流场基本变化规律的方式,确定矿区内部岩体的具体构造特征。该项技术手段的应用,要求接地端电极的带电水平必须高于岩石电阻率的平均电位数值。作为电法勘探的主要应用方法,地面直流电法能够直接确定煤矿矿区内的成矿规律,且这种场源分布特性可以同时满足人工煤矿与天然煤矿的开采需求。为保证开采结果的准确性,在实施勘探的过程中,要求所选矿石的电阻率水平不得高于该区域内岩石电阻率的平均数值。为此,针对上述情况,提出基于地面直流电法的煤矿开采中综合防治水技术。1 地面直流电法分析煤矿开采中综合防治水方法的设计需要以地面直流电法为基础,在采集多电极数据信息的
5、同时,针对带电系数取值范围进行精准求解。1.1 多电极数据采集多电极数据就是指利用地面直流电法所采集到的煤矿导水信息,一般来说,煤矿开采区域的施工面积越大,单位时间内所能采集到的多电极数据样本总量也就越多3。利用地面直流电法采集煤矿导水信息时,为避免多电极数据测量结果与预期结果出现偏差,要求导电量指标取值必须属于(0.1的数值区间。对于导电量指标的求解满足公式(1)。A=(s-1)2 (1)式中:A 为导电量指标;s 为直流信号标记系数;s为直流信号的单位带电量;为电极区域内的电信号导通系数。在公式(1)的基础上,可将基于地面直流电法的多电极数据采集表达式定义为:G=A G/f|H|d1d2d
6、n (2)式中:d1、d2、dn为 n 个不相等的电极信号传输强度参数;H 为带电信号在直流传输情况下的单位累积量;f 为直流电感参数;G为电信号感应特征。实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月若电极信号传输强度参数的取值方向不一致,则应对其进行绝对值求解处理。1.2 带电系数带电系数决定了地面直流电法对于煤矿导水信息的采集能力4。进行综合防治水处理时,若多电极数据采集结果保持不变,则带电系数的取值大于自然数“1”;若多电极数据采集结果保持连续波动变化状态,则带电系数的取值小于“-1”;若多电极数据采集结果保持先增大、再减小
7、或是先减小、再增大的变化状态,则带电系数的取值小于自然数“1”且大于“-1”5。在上述物理量的支持下,联立公式(2),推导带电系数求解结果为:L=G k2 (3)式中:k为多电极数据的方向性带电参数;为直流电信号在地面环境中的传导系数;为电感强度。与 的乘积若小于零,则表示利用地面直流电法采集多电极数据的过程中,煤矿导水信息的实际传输行为可能与预期传输情况存在偏差;反之,则默认不存在偏差传输行为。1.3 地面直流电法的应用地面直流电法在岩石电性差异的基础上,根据不同岩性物质电阻率的不同,判断测线断面岩层的实际富水性。为实现煤矿开采中的综合防治水,直流电法首先选择不同的电极组合方式,来满足不同的
8、极距间隔测量需求;然后将多个供应电机放置在不同区域内,从而改变该区域岩石的电阻率水平,而随着电阻率的改变,岩石的透水特性也会发生变化;最后根据供应电机之间的电势差数值,求解电阻率参数,并根据该参数指标的取值,来判断煤矿岩石的具体透水特性,从而达到综合防治水的目的,如图 1所示。图 1 地面直流电法的防治水流程2 工程实例为验证地面直流电法在煤矿开采施工中的实用性价值,针对某煤矿工程的具体水文及地质条件,进行防治水实验。2.1 工程概况本次实验所选煤矿工程施工区域位于华北西南部,完整的井田界定范围为:F9断层以南、F26断层以北、F8断层以东、2 号煤层-900 m 等高线以西,矿区东西倾斜宽度
9、超过 2.0 km、南北走向长度接近8 km,整个施工区域面积约为 20 km2.1)水文条件。某煤矿开采区域大致呈现由西南到东北的条带状分布形式,由于矿床成矿部分岩层裂缝的含水层均为厚层含水层结构,且矿石间距较大,所以上下两部分含水层会因断裂构造影响而发生水力联系。外部河流及山区沟谷渗漏行为是煤矿开采区域地下水补给的唯一来源,所以即便是在绵延近 20 km2的地下成矿区域内,含水层组织也不会出现水系分布不均的情况。河谷渗漏弥补了溶河水系流速较慢的不足,为矿床成型提供了足量的泥沙石料供应;山区沟谷渗漏段则主要存在于河床属性为灰岩的河段区域,两种水系补给行为的发生区域不同,故而其对于矿床的冲刷作
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