一種基于同位素標識的覆巖裂隙導通性探測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及煤礦井下覆巖裂隙探測技術領域。
【背景技術】
[0002] 煤礦井下開采引起周圍巖體的應力場、變形場等重新分布，導致上覆巖層出現不 同程度的破壞，由下到上依次出現垮落帶、導水裂隙帶和彎曲下沉帶，其中垮落帶和導水裂 隙帶是水的良好通道。當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，準確掌握覆巖裂隙導通性是判斷礦井突水發生條件、進行礦井突水 預測和制訂礦井水害防治對策的重要理論基礎。
[0003] 現場實測覆巖裂隙導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上方地面或上層煤巷道內布置觀測孔，通過測定鉆進 過程中鉆孔內沖洗液的漏失量和水位的變化，確定導水裂縫帶的發育高度及破壞特征。這 種方法施工工程量大、時間長、費用高、工藝復雜、受煤層和地面條件的限制，當第四系巖層 較松散或煤層上方無合適巷道時鉆孔將無法施工，對地質條件的適應性差；而且其觀測結 果的準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等麻煩問題，經濟效 益差。
[0004] 雙端堵水器法是在鉆孔中分段封堵注水監測漏水量，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育高度。這種方法探測設備簡單，觀測資料直觀 易懂，且不存在征地、青苗賠償等問題。但在現場應用時，需要設置專門的硐室，硐室位置較 遠時造成鉆孔工程量大；高壓風管與孔壁、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；一旦高壓風管斷裂或封孔膠囊漲破，將使探測工作無法正 常進行，極大地降低探測效率。
[0005] 而且，上述兩種方法均為點觀測，即通過某一點或幾個點的觀測結果來反映整個 覆巖裂隙發育情況。這種方法在覆巖地質條件簡單，無斷層、褶皺等地質構造的條件下，能 獲得較滿意的結果。然而，受長期構造運動的影響，很多礦井的煤系地層中均含有多種斷 層、褶曲等地質構造，對覆巖裂隙導通性產生重要影響，采用點觀測的方法難以對這類覆巖 裂隙的導通性進行全面、準確地探測，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、震波動態監測技術、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，通過監測覆巖中不同位 置處電阻率、波速等信號的變化規律來反推覆巖裂隙發育情況，進而獲得覆巖裂隙的導通 性。這種方法能夠探測較大范圍覆巖裂隙導通性，克服了點觀測方法的局限性，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， 資料的解釋十分復雜，需要專業技術人員才能解釋，并易受工作面開采、井下設備運轉、礦 井水等多種因素的影響，探測精度不尚。
[0007] 另外，上述現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 得覆巖裂隙發育規律，然后根據覆巖裂隙發育規律評價裂隙的導通性。由于導通性不僅與 覆巖裂隙發育程度有關，還受巖層性質的影響，特別是覆巖中含有多種不同巖性的巖石，單 純根據覆巖裂隙發育程度評價其導通性難免存在一定的誤差。
[0008] 因此，現有煤礦覆巖裂隙導通性的探測方法有待于進一步的改進和發展。

【發明內容】

[0009] 為了克服現有點觀測方法不能全面、準確地探測覆巖裂隙導通性的局限性，同時 解決地球物理探測方法存在的資料解釋復雜、探測精度低、施工要求高等不足，本發明提供 一種基于同位素標識的覆巖裂隙導通性探測方法。
[0010] 本發明的技術方案是：
[0011] -種基于同位素標識的覆巖裂隙導通性探測方法，其特征在于，通過添加不同的 同位素標識物實現對覆巖中不同含水層水的有效標識，通過對比各含水層及工作面排水中 標識同位素的千分偏差值確定各含水層的水是否導入工作面，根據覆巖中各含水層中的水 是否導入工作面確定覆巖裂隙導通性。具體包括以下步驟：
[0012] 第一步：探測范圍的確定
[0013] 根據工作面的累計采高ΣΜ，確定探測的最小高度HN，Hn按下式計算
[0014] Hn= 3ΣΜ
[0015] 根據工作面覆巖巖性及抗壓強度，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓 煤開采規程》中給出了導水裂隙帶發育高度的近似預測公式，由于覆巖裂隙的發育還受地 質構造等因素的影響，為保證探測結果的準確性，確定探測的最大高度H m按照預測高度的 兩倍進行計算，具體公式為：
[0016] (1)當工作面覆巖以石英砂巖、石灰巖、砂質頁巖、礫巖為主，且單軸抗壓強度大于 40MPa 時.
[0017]
[0018] (2)當工作面覆巖以砂巖、泥質灰巖、砂質頁巖、頁巖為主，且單軸抗壓強度為 20 ~40MPa 時，
[0019]
[0020] (3)當工作面覆巖以泥巖、泥質砂巖為主，且單軸抗壓強度小于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、位置及標識物的確定
[0024] 通過鉆孔勘探獲得工作面上方0~Hm米范圍內不同含水層的位置，獲取各含水層 的水樣并運回實驗室；
[0025] 根據HN~Hm米范圍內含水層的層數n，在穩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化為氣體或固體源， 然后采用同位素比質譜儀進行測定；上述穩定同位素指的是制取方便、成本低，對人和環 境無害的且便于監測的穩定同位素，比如2H(H2O)、18O (H2O)、I3('(C〇_; )、)、37Cl \ rT(CT).: )、S7Sr2+等等；
[0026] 根據各含水層中選取同位素的特征，確定η種標識同位素，并選取合適的標識物； 可選的標識物包括重水、 1H218O,以及 23Na213C1603、 23Na234S1604、 23Na37Cl 和 87Sr35Cl2溶液，一般情 況下，這些標識物可以滿足對探測范圍內各含水層的有效標識；
[0027] 第三步：對各含水層進行標識
[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，鉆進至某待標志含水層下方的隔水層底 部時，對該注漿孔進行高壓注漿，實現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鉆注水孔，鉆 進至某待標志含水層時，在該含水層中注入標志物，再注入取自該含水層的水，確保標識物 全部注入待標志含水層中，最后注入漿液封堵鉆孔；
[0029] 重復上述過程，完成對探測范圍內所有含水層的標識。
[0030] 第四步：工作面排水檢測
[0031] 待工作面推進至距注水站45-55米時，開始對工作面排水進行，每4-6小時取樣一 次，在實驗室檢測所取樣品中η種標識同位素的千分偏差值；連續取樣直至工作面推過注 水站100米，取樣結束，獲得全部所取樣品中η種標識同位素的千分偏差值；
[0032] 第五步：覆巖裂隙導通性評價
[0033] 將各含水層中標識同位素的千分偏差值，與工作面排水中標識同位素的最大千分 偏差值進行對比，若工作面排水中某標識同位素的最大千分偏差值增大20%以上，說明用 該同位素標識的含水層的水導入工作面中，反之，含水層的水不導入工作面；由此即可確定 覆巖裂隙的導通性。
[0034] 本發明的優點是：
[0035] 1、本發明通過添加不同的同位素標識物實現對覆巖中不同含水層水的有效標識， 通過對比各含水層及工作面排水中標識同位素的千分偏差值確定各含水層的水是否導入 工作面，根據覆巖中各含水層中的水是否導入工作面確定覆巖裂隙導通性。這種以覆巖含 水層中的水是否導入工作面為判定依據確定覆巖裂隙導通性，是一種直接探測方法，克服 了傳統的間接探測方法的不足，從理論上消除了此類誤差，能為工作面進行水害防治提供 更準確的依據。
[0036] 2、與鉆孔沖洗液、雙端堵水器等點觀測方法相比，本發明能直接探測較大范圍內 覆巖裂隙導通性，克服了點觀測方法的局限性，特別是能夠對斷層、褶曲等地質構造帶附近 的裂隙導通性進行有效探測，顯著提高了探測結果的準確性。
[0037] 3、與地球物理探測方法相比，本發明基于同位素進行檢測，數據采集工作簡單，不 受工作面開采、井下設備運轉等的干擾，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，總體費用較低。
[0038] 4、同時，本發明無需復雜的現場探測儀器，現場施工工藝也較簡單，整個探測過程 不易出現問題，探測可靠性高；所采用的標識物便于檢測、精度高、成本低、無放射性；對各 類地質條件的適應性強，便于推廣應用。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明實施例中工作面覆巖含水層、隔水層分布示意圖；
[0040] 圖2為本發明實施例中注水站鉆孔布置及含水層標識示意圖；
[0041] 圖3為本發明實施例中覆巖含水層中標識物流動示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面參照附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[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，為穩定