CN105137488A - 基于人工注液的地下水流场描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工注液的地下水流场描述方法，涉及煤矿作业区域地下水流场测量方法技术领域。所述方法包括如下步骤：确定注液钻孔位置，利用井下巷道构建井下微震监测系统；施工注液钻孔，通过注液钻孔对目标矿区主含水层实施人工注液，引起微震事件；在注液的过程中分阶段通过井下微震监测系统对监测区域内所有微震事件进行全空间、实时、连续监测；根据微震事件，描述地下水流场。所述方法可以准确确定地下水强径流带位置及含水层储水结构形态、浆液扩散范围等信息，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理、水资源保护提供依据。

Description

基于人工注液的地下水流场描述方法

技术领域

本发明涉及煤矿作业区域地下水流场测量方法技术领域，尤其涉及一种基于人工注液的地下水流场描述方法。

背景技术

地下水流场特征及注浆浆液扩散范围描述，是预防和避免煤矿重特大突水事故、确保突水快速注浆治理的一项重要技术。常规技术包括物探、钻探、注水（注浆）试验、示踪试验、连通试验等技术。物探技术受地表地形条件、井下巷道条件影响较大；钻探成本高、控制范围小；各种水文地质试验，工程浩大、操作复杂，需要很多辅助条件，而且上述技术均不能实现地下水流场全空间、实时、连续监测评价，容易漏掉关键技术信息。微震监测技术是近年来发展起来的一种新的物探技术，通过在煤矿井下提前埋设的高灵敏度检波器监测、接收岩石破裂产生的微小震动信号，采用专业软件将这些信息解码为有效的微震信号，对这些微震事件发生的时间、位置、频度、密度、能量等进行分析，可解决一系列地质、水文地质问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于人工注液的地下水流场描述方法，所述方法可以准确确定地下水强径流带位置及含水层储水结构形态、浆液扩散范围等信息，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理、水资源保护提供依据。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于包括如下步骤：

1）确定注液钻孔位置，以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，利用井下巷道构建井下微震监测系统；

2）施工注液钻孔，通过注液钻孔对目标矿区主含水层实施人工注液，高压液体进入含水层裂隙内，产生驱水、劈裂、破岩作用，诱发岩层崩塌，引起微震事件；

3）在注液的过程中分阶段通过井下微震监测系统对监测区域内所有微震事件进行全空间、实时、连续监测；

4）根据注液过程中各阶段钻孔吃液量以及注液压力变化，按照主含水层内微震事件平面及垂向分布情况进行描述，绘制各个注液阶段含水层内微震事件平面及剖面图，对微震事件发生时间、位置、密度、频度进行综合分析，确定地下水强径流带位置，对含水层储水结构及注浆浆液扩散顺序、路径、范围进行描述。

进一步的技术方案在于：构建井下微震监测系统的方法如下：根据井下巷道环境条件布置微震检波器，微震检波器采用全包围或半包围方式布置，所有检波器底端要求朝向监测区域埋设，埋设深度要求大于巷道松动圈，根据巷道埋深、所处层位、围岩应力情况、支护方式、成巷时间不同，相邻检波器水平间距控制在150m以内，检波器铅垂方向高差要求大于2m。

进一步的技术方案在于：所述松动圈的厚度为2-6m。

进一步的技术方案在于：微震检波器采用全包围的方式是指以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈矩形或不规则形状进行四周封闭式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

进一步的技术方案在于：微震检波器采用半包围的方式是指以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈半圆形或不规则形状进行一侧封闭、一侧敞开式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

进一步的技术方案在于：步骤2）中注入的液体包括水和水泥浆，注入过程分为四个阶段，第一阶段：注水期，属于注浆工作准备阶段，用于对地下水过水通道进行冲扩，注水量大小与注浆量成正比，反映地下水径流条件；第二阶段：注浆初期，表现为钻孔吃浆量大、孔口压力小，注浆浆液扩散通道顺畅；第三阶段：注浆中期，表现为钻孔吃浆量大、孔口压力大，表明浆液在局部地段开始凝固、遇阻，部分裂隙、通道已被封堵；第四阶段：注浆后期，表现为钻孔吃浆量逐渐减小、孔口压力不断增大，注浆效果显现，大部分过水通道已被封堵。

进一步的技术方案在于：注液压力为主含水层水压的1.5倍-5倍。

进一步的技术方案在于：步骤4）时间上按照先后顺序描述，分别绘制不同时段内含水层内微震事件空间分布平面图、剖面图。

进一步的技术方案在于：步骤4）中对注液时，各个阶段内主含水层微震事件空间分布规律做平面投影，含水层内微震事件平面集密发育带指示地下水强径流带位置及水泥浆液扩散范围；根据微震事件在剖面上的发育情况，剖面中微震密集发育带指示地下水垂向导水通道位置；微震事件发生的时间顺序指示地下水径流方向、过水通道扩充及浆液扩散过程。

进一步的技术方案在于：根据矿区条件及工作需要，注液钻孔为地面钻孔或井下钻孔，注液钻孔为水平孔、铅直孔或斜孔。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过钻孔注液（水和水泥浆），对地下水流场实施人工干扰，打破地下水流场原有平衡，高压水及水泥浆在含水层原有裂隙内产生冲扩、劈裂、破岩等作用，人工诱发一系列微震事件发生，监测、分析这些微震事件的时空变化规律，可以确定地下水强径流带位置及含水层储水结构形态、浆液扩散范围等，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理、注浆工程效果评价、水资源保护提供技术依据。

附图说明

图1是本发明中井下微震检波器全包围式布置图；

图2是本发明中井下微震检波器半包围式布置图；

图3是本发明中微震事件平面分布图；

图4是本发明中微震事件剖面分布图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明公开了一种基于人工注液的地下水流场描述方法，包括如下步骤：

1）根据矿区条件及工作需要，确定注液钻孔位置，注液钻孔可以为地面钻孔或井下钻孔，为水平孔、铅直孔或斜孔；以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，利用井下巷道构建井下微震监测系统。

具体的，构建井下微震监测系统的方法如下：根据井下巷道环境条件布置微震检波器，微震检波器采用全包围或半包围方式布置，所有检波器底端要求朝向监测区域埋设，埋设深度要求大于巷道松动圈，一般情况下，所述松动圈的厚度为2m-6m，根据巷道埋深、所处层位、围岩应力情况、支护方式、成巷时间不同，相邻检波器水平间距控制在150m以内，检波器铅垂方向高差要求大于2m。

更进一步的，请参考图1，微震检波器采用全包围的方式是指以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈矩形或不规则形状进行四周封闭式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

更进一步的，请参考图2，微震检波器采用半包围的方式是指以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈半圆形或不规则形状进行一侧封闭、一侧敞开式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

2）施工注液钻孔，通过注液钻孔对目标矿区主含水层实施人工注液，高压液体进入含水层裂隙内，产生驱水、劈裂、破岩作用，诱发岩层崩塌，引起微震事件。

步骤2）中注入的液体包括水和水泥浆，注入的液体压力一般为主含水层水压的1.5-2.5倍，最高不超过地下水水压的3-5倍，避免压力过大造成对主含水层储水结构的破坏；

注入过程被分为四个阶段，第一阶段：注水期，属于注浆工作准备阶段，用于对地下水过水通道进行冲扩，注水量大小与注浆量成正比，反映地下水径流条件；第二阶段：注浆初期，表现为钻孔吃浆量大、孔口压力小，注浆浆液扩散通道顺畅；第三阶段：注浆中期，表现为钻孔吃浆量大、孔口压力大，表明浆液在局部地段开始凝固、遇阻，部分裂隙、通道已被封堵；第四阶段：注浆后期，表现为钻孔吃浆量逐渐减小、孔口压力不断增大，注浆效果显现，大部分过水通道已被封堵。

3）在注液的过程中分阶段通过井下微震监测系统对监测区域内所有微震事件进行全空间、实时、连续监测；

4）根据注液过程中各阶段钻孔吃液量以及注液压力变化，按照主含水层内微震事件平面及垂向分布情况进行描述，绘制各个注液阶段含水层内微震事件平面及剖面图，对微震事件发生时间、位置、密度、频度进行综合分析，确定地下水强径流带位置，对含水层储水结构及注浆浆液扩散顺序、路径、范围进行描述。

步骤4）中，时间上按照先后顺序描述，分别绘制不同时段内含水层内微震事件空间分布平面图、剖面图。对注液时，各个阶段内主含水层微震事件空间分布规律做平面（平面是指水平面或顺岩层层面）投影，如图3所示，含水层内微震事件平面集密发育带指示地下水强径流带位置及水泥浆液扩散范围；根据微震事件在剖面（剖面是指铅垂剖面或垂直岩层层面剖面）上的发育情况，如图4所示，剖面中微震密集发育带指示地下水垂向导水通道位置；微震事件发生的时间顺序指示地下水径流方向及过水通道扩充及浆液扩散过程。

根据不同注液阶段含水层内微震事件平面分布情况，如图3所示，可追踪注浆浆液扩散范围及扩散顺序，并对注浆效果作出评价。图3中注浆初期，浆液顺流而下、主要向下游扩散，中期浆液溯流而上、开始向上游扩散，注浆末期浆液扩散仅局限在一个椭圆形狭小范围内，表明注浆效果良好，且该椭圆区很可能就是含水层向上部补给的垂向导水通道位置。对注液层内微震事件时、空分布规律进一步分析，可确定注浆层内岩溶、裂隙优势发育方向，计算浆液扩散半径，对注浆效果做出评价，为提高煤矿工作面底板注浆加固效果及突水事故的快速治理提供技术依据，对减少和避免突水事故发生及保护水资源，具有重要的现实意义。

Claims (10)

1.一种基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于包括如下步骤：

1）确定注液钻孔位置，以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，利用井下巷道构建井下微震监测系统；

2）施工注液钻孔，通过注液钻孔对目标矿区主含水层实施人工注液，高压液体进入含水层裂隙内，产生驱水、劈裂、破岩作用，诱发岩层崩塌，引起微震事件；

3）在注液的过程中分阶段通过井下微震监测系统对监测区域内所有微震事件进行全空间、实时、连续监测；

4）根据注液过程中各阶段钻孔吃液量以及注液压力变化，按照主含水层内微震事件平面及垂向分布情况进行描述，绘制各个注液阶段含水层内微震事件平面及剖面图，对微震事件发生时间、位置、密度、频度进行综合分析，确定地下水强径流带位置，对含水层储水结构及注浆浆液扩散顺序、路径、范围进行描述。

2.如权利要求1所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于构建井下微震监测系统的方法如下：根据井下巷道环境条件布置微震检波器，微震检波器采用全包围或半包围方式布置，所有检波器底端要求朝向监测区域埋设，埋设深度要求大于巷道松动圈，根据巷道埋深、所处层位、围岩应力情况、支护方式、成巷时间不同，相邻检波器水平间距控制在150m以内，检波器铅垂方向高差要求大于2m。

3.如权利要求2所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：所述松动圈的厚度为2m-6m。

4.如权利要求2所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：微震检波器采用全包围的方式是指以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈矩形或不规则形状进行四周封闭式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

5.如权利要求2所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：微震检波器采用半包围的方式是指以注液钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈半圆形或不规则形状进行一侧封闭、一侧敞开式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

6.如权利要求1所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：步骤2）中注入的液体包括水和水泥浆，注入过程分为四个阶段，第一阶段：注水期，属于注浆工作准备阶段，用于对地下水过水通道进行冲扩，注水量大小与注浆量成正比，反映地下水径流条件；第二阶段：注浆初期，表现为钻孔吃浆量大、孔口压力小，注浆浆液扩散通道顺畅；第三阶段：注浆中期，表现为钻孔吃浆量大、孔口压力大，表明浆液在局部地段开始凝固、遇阻，部分裂隙、通道已被封堵；第四阶段：注浆后期，表现为钻孔吃浆量逐渐减小、孔口压力不断增大，注浆效果显现，大部分过水通道已被封堵。

7.如权利要求1所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：注液压力为主含水层水压的1.5-5倍。

8.如权利要求1所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：

步骤4）时间上按照先后顺序描述，分别绘制不同时段内含水层内微震事件空间分布平面图、剖面图。

9.如权利要求1所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：步骤4）中对注液时，各个阶段内主含水层微震事件空间分布规律做平面投影，含水层内微震事件平面集密发育带指示地下水强径流带位置及水泥浆液扩散范围；根据微震事件在剖面上的发育情况，剖面中微震密集发育带指示地下水垂向导水通道位置；微震事件发生的时间顺序指示地下水径流方向、过水通道扩充及浆液扩散过程。

10.如权利要求1所述的基于人工注液的地下水流场描述方法，其特征在于：根据矿区条件及工作需要，注液钻孔为地面钻孔或井下钻孔，注液钻孔为水平孔、铅直孔或斜孔。