[发明专利]一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法

说明书

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∑M，确定探测的最小高度H_N，H_N按下式计算

H_N＝3∑M

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，

(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，