一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法

1.本发明涉及采矿工程和水力测试技术领域，尤其时一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法。


背景技术：

2.煤炭是重要的战略能源，在干旱半干旱区生态脆弱的矿区具有明显的“富煤缺水”特征，矿区水资源供需矛盾十分尖锐。因此，在生态脆弱矿区对矿井水进行保护和利用显得尤为重要。为解决这一问题，有学者提出并应用了矿井地下水库理论与技术体系，成为该地区解决“水
‑
煤”矛盾的重要途径，其中相邻采空区水力连通性关系到矿井水净化、存储、利用系统的科学设计，是煤矿地下水库建设过程中必不可少的环节。因此，有必要开展采空区水力连通性现场试验，为生态脆弱矿区地下水库建设提供科学依据。
3.现有的水力连通是测试方法多为示踪法，且示踪剂多为同位素示踪剂，然而同位素示踪剂使用要求必须是专业人员，使用专用设备，对地下水影响大，限制了其在大范围的应用。针对这个问题，现有技术包括：中国专利(cn104808258b)公开了利用糖作为示踪剂测定岩溶地下水运移路径的方法，采用葡萄糖、果糖、半乳糖等有机物作为示踪剂；然而对于矿井水特殊环境，在其流动过程中，有机物容易与其它溶质发生反应，出现变质，降低了测试结果的准确性；中国专利(cn109212254a)公开了一种利用示踪剂测定地下水运移路径的方法，采用荧光素钠作为示踪剂，该示踪剂取样要求较高，操作复杂。另外论文《化学示踪连通试验在矿井充水条件探查中的应用》(煤炭学报，2014，39(1):129
‑
134)利用氯化钠作为示踪剂，然而示踪剂投放量根据工程类比或经验公式确定，对于煤矿采空区特殊储水空间并不适用，降低了测试结果的准确性。除此之外，以上示踪剂测试方法只有一个判别指标，可靠性相对多个指标方法低。
4.因此，有必要对现有示踪试验方法和技术进行改进和发展，以适应煤矿井下采空区水力连通性的准确试验测试，从而为现场工程提供准确依据。


技术实现要素：

5.为了合理的确定示踪剂的投放量，对采空区的水力连通性进行了定量评价，为井下水库建设和污水处理提供指导，本发明提供了一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法，具体的技术方案如下。
6.一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法，该方法步骤包括：
7.s1.根据采空区煤层底板等高线选择注水点和出水点，并设置注水孔和出水孔的孔径、倾角和深度；
8.s2.配制示踪剂，并根据采空区静水压力、采空区水位高度、矸石储水系数和显著性系数确定示踪剂的投放量；
9.s3.从注水孔注入示踪剂，示踪剂全部注入后，持续注入清水，打开出水孔持续排水保持注水流量大于出水流量；
10.s4.设定取样间隔时间，持续监测示踪剂和采空区水压变化；
11.s5.根据取样中的示踪剂浓度和采空区水压情况，判别采空区的水流连通性。
12.优选的是，注水点处布置注水孔，出水点处布置出水孔；确定的注水点巷道层位高大于出水点的巷道层位高度。
13.优选的是，注水孔和出水孔的钻孔直径为90
‑
110mm；出水孔布置在巷道采空区一侧，仰角θ2为5
°
；注水孔布置在巷道内采空区一侧的肩角位置，仰角θ1为10
‑
15
°
。
14.优选的是，注水孔的钻孔深度l1和出水孔的钻孔深度l2根据巷道与采空区间煤柱的宽度确定，具体的是：
15.l1＝(l1+l
11
)/cosθ116.l2＝l2/cosθ217.其中注水钻孔处巷道与采空区间煤柱的宽度为l1，出水钻孔处巷道与采空区间的煤柱宽度为l2，l
11
为直接顶悬臂长度。
18.还优选的是，注水孔的孔口处安装有阀门和流量表，所述出水孔的位置设置有阀门、压力表和流量表。
19.还优选的是，示踪剂为碘化钾，确定示踪剂的投放量的过程包括：
20.s21.使用碘化钾示踪剂时，在出水点取样，检测碘离子的浓度，确定采空区矿井水的碘离子浓度背景值ω1；
21.s22.关闭出水孔阀门，水压表读数稳定后记录采空区静水压力p0,并确定水位高度h；
22.s23.确定碘化钾示踪剂的投放量q
碘化钾
：
[0023][0024]
其中s为采空区面积，h为采空区水位高度，r为采空区矸石储水系数，取23％，a为测试值与背景值的明显性系数，取4
‑
8。
[0025]
还优选的是，碘化钾示踪剂分多次溶解后注入注水池，利用水泵将示踪剂注入采空区，示踪剂注入完成后开始注入清水。
[0026]
还优选的是，取样间隔时间设定为1天，取样时，先关闭阀门，待压力表读数稳定后记录采空区水压p1；再打开阀门取水样，检测碘离子浓度ω2。
[0027]
进一步优选的是，当取样的水中碘离子浓度ω2/ω1≥a，且p1＞p0时，确定相邻采空区的水力连通性好；当取样的水中碘离子浓度ω2≤1.5ω1，且p1＜p0时，确定相邻采空区水力连通性差。
[0028]
进一步优选的是，示踪剂为氯化钠，确定示踪剂的投放量的过程包括：
[0029]
s21.使用氯化钠示踪剂时，在出水点取样，检测氯离子的浓度，确定采空区矿井水的氯离子浓度背景值ω1；
[0030]
s22.关闭出水孔阀门，水压表读数稳定后记录采空区静水压力p0,并确定水位高度h；
[0031]
s23.确定氯化钠示踪剂的投放量q
氯化钠
：
[0032]
[0033]
其中s为采空区面积，h为采空区水位高度，r为采空区矸石储水系数，取23％，a为测试值与背景值的明显性系数，取4
‑
8。
[0034]
本发明提供的一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法有益效果包括：
[0035]
(1)测试中通过现场测试确定采空区的水压值和示踪剂的离子浓度背景值，从而可以合理的确定示踪剂的投放量计算公式，克服了示踪剂投放仅依据经验法确定的量，难以实现采空区水力连通的定量评价，从而为地下水库建设和矿井污水的净化设计提供依据。
[0036]
(2)该方法中示踪剂浓度的变化和水压的变化两个指标综合评价确定采空区的水力连通特性，两个检测指标相互验证，克服了单一评价指标稳定性不高的问题，保证了检测结果的准确性；另外该方法还考虑了采空区矸石的空隙储水特性，引入了矸石储水系数，从而使检测结果更加符合实际。
附图说明
[0037]
图1是注水孔和出水孔位置布置示意图；
[0038]
图2是注水孔的剖视图；
[0039]
图3是出水孔的剖视图；
[0040]
图4是实施例2中采空区水压随时间变化的曲线图；
[0041]
图5是实施例2中采空区取样水中碘离子浓度随时间变化的曲线图；
[0042]
图中：1
‑
注水孔；2
‑
出水孔；3
‑
巷道与采空区间煤柱；4
‑
采空区；5
‑
巷道。
具体实施方式
[0043]
结合图1至图5所示，对本发明提供的一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法具体实施方式进行说明。
[0044]
实施例1
[0045]
一种用于确定采空区水力连通性的示踪试验方法，该方法步骤包括：
[0046]
s1.根据采空区煤层底板等高线选择注水点和出水点，并设置注水孔和出水孔的孔径、倾角和深度。
[0047]
其中注水点处布置注水孔，出水点处布置出水孔，确定的注水点巷道层位高大于出水点的巷道层位高度。注水孔的孔口处安装有阀门和流量表，出水孔的位置设置有阀门、压力表和流量表。注水孔和出水孔的钻孔直径为90
‑
110mm；出水孔布置在巷道采空区一侧，仰角θ2为5
°
；注水孔布置在巷道内采空区一侧的肩角位置，仰角θ1为10
‑
15
°
。注水孔的钻孔深度l1和出水孔的钻孔深度l2根据巷道与采空区间煤柱的宽度确定，具体的是：
[0048]
l1＝(l1+l
11
)/cosθ1[0049]
l2＝l2/cosθ2[0050]
其中注水钻孔处巷道与采空区间煤柱的宽度为l1，出水钻孔处巷道与采空区间的煤柱宽度为l2，l
11
为直接顶悬臂长度。
[0051]
s2.配制示踪剂，并根据采空区静水压力、采空区水位高度、矸石储水系数和显著性系数确定示踪剂的投放量。
[0052]
示踪剂为碘化钾，确定示踪剂的投放量的过程包括：
[0053]
s21.使用碘化钾示踪剂时，在出水点取样，检测碘离子的浓度，确定采空区矿井水的碘离子浓度背景值ω1；
[0054]
s22.关闭出水孔阀门，水压表读数稳定后记录采空区静水压力p0,并确定水位高度h；
[0055]
s23.确定碘化钾示踪剂的投放量q
碘化钾
：
[0056][0057]
其中s为采空区面积，h为采空区水位高度，r为采空区矸石储水系数，取23％，a为测试值与背景值的明显性系数，取4
‑
8。
[0058]
该方法通过现场测试确定采空区的水压值和示踪剂的离子浓度背景值，从而可以合理的确定示踪剂的投放量计算公式，克服了示踪剂投放仅依据经验法确定的量，难以实现采空区水力连通的定量评价，从而为地下水库建设和矿井污水的净化设计提供依据。
[0059]
s3.从注水孔注入示踪剂，示踪剂全部注入后，持续注入清水，打开出水孔持续排水保持注水流量大于出水流量。
[0060]
持续注入清水，流量为q
注
，打开出水孔，持续排出采空区水，流量为q
出
，调节孔口处的阀门，保持注水和储水的流量：
[0061]
q
注
＞q
出
[0062]
碘化钾作为示踪剂，示踪剂分多次溶解后注入注水池，利用水泵将示踪剂注入采空区，示踪剂注入完成后开始注入清水。
[0063]
s4.设定取样间隔时间，持续监测示踪剂和采空区水压变化。
[0064]
其中间隔时间可以是每隔一天至出水点，关闭阀门，待水压表读数稳定后记下采空区水压p1；打开阀门取水样进行碘离子浓度ω2检测，其中，间隔时间可根据采空区面积大小确定，当采空区宽度大于100m时，取样间隔时间可为2～3天，监测总时间为60天。
[0065]
s5.根据取样中的示踪剂浓度和采空区水压情况，判别采空区的水流连通性。
[0066]
当取样的水中碘离子浓度ω2/ω1≥a，且p1＞p0时，确定相邻采空区的水力连通性好；当取样的水中碘离子浓度ω2≤1.5ω1，且p1＜p0时，确定相邻采空区水力连通性差。
[0067]
实施例2
[0068]
在实施例1的基础上，本实施例选择示踪剂为氯化钠，确定示踪剂的投放量的过程包括：
[0069]
s21.使用氯化钠示踪剂时，在出水点取样，检测氯离子的浓度，确定采空区矿井水的氯离子浓度背景值ω1；
[0070]
s22.关闭出水孔阀门，水压表读数稳定后记录采空区静水压力p0,并确定水位高度h；
[0071]
s23.确定氯化钠示踪剂的投放量q
氯化钠
：
[0072][0073]
其中s为采空区面积，h为采空区水位高度，r为采空区矸石储水系数，取23％，a为测试值与背景值的明显性系数，取4
‑
8。
[0074]
氯化钠作为示踪剂，示踪剂分多次溶解后注入注水池，利用水泵将示踪剂注入采
空区，示踪剂注入完成后开始注入清水。
[0075]
其中间隔时间可以是每隔一天至出水点，关闭阀门，待水压表读数稳定后记下采空区水压p1；打开阀门取水样进行氯离子浓度ω2检测，其中，间隔时间可根据采空区面积大小确定，当采空区宽度大于100m时，取样间隔时间可为2～3天，监测总时间为60天。
[0076]
根据取样中的示踪剂浓度和采空区水压情况，判别采空区的水流连通性。
[0077]
当取样的水中氯离子浓度ω2/ω1≥a，且p1＞p0时，确定相邻采空区的水力连通性好；当取样的水中氯离子浓度ω2≤1.5ω1，且p1＜p0时，确定相邻采空区水力连通性差。
[0078]
其中，示踪剂浓度的变化和水压的变化两个指标综合评价确定采空区的水力连通特性，两个检测指标相互验证，克服了单一评价指标稳定性不高的问题，保证了检测结果的准确性；另外该方法还考虑了采空区矸石的空隙储水特性，引入了矸石储水系数，从而使检测结果更加符合实际。
[0079]
实施例3
[0080]
在实施例1的基础上，以某矿为例对确定采空区水力连通性的示踪试验方法进行详细的说明。
[0081]
某矿31307和31305采空区宽度分别为260m、300m，工作面长度分别为828m、868m，煤层倾角1
°
，采空区面积47.57万m2,采空区储水系数为23％，示踪剂选择为碘化钾，测试值与背景值的明显性系数a取4。
[0082]
利用本发明进行31307采空区与31305采空区水力连通性试验。
[0083]
s1:根据煤层等高线，确定注水点、出水点分别位于a点、b点，且a点、b点与采空区间煤柱宽度l分别为40m、30m，直接顶悬顶长度为4m。注水孔布置在巷道肩角处，直径92mm，仰角θ1为15
°
，深度l1为：
[0084]
l1＝(l1+l
11
)/cosθ1＝44/cos15
°
＝45.6m
[0085]
出水孔布置在巷道中部，直径92mm，仰角θ1为5
°
，深度l2为：
[0086]
l2＝l2/cosθ1＝30/cos5
°
＝30.1m
[0087]
其中在注水孔1孔口处安装有阀门、流量表，用于监测注入采空区的水量q
注
，出水孔孔口处安装有阀门、压力表、流量表用于监测采空区静水压力p与出水量q
出
。
[0088]
s2：在出水点b取样，进行碘离子浓度检测，确定采空区出水碘离子浓度背景值ω1为27.52mg/m3；关闭出水孔阀门，待水压表读数稳定后记下采空区静水压力p0为0.0549mpa，进而确定水位高度h为5.19m。
[0089]
确定碘化钾示踪剂投放量q
碘化钾
，即
[0090][0091]
s3：将82kg碘化钾示踪剂分四次溶解后倒入注水池，并通过水泵注入采空区，待碘化钾示踪剂全部注入后，持续注入清水，调节孔口处的阀门，流量q
注
为40m3/h，打开出水孔，持续排出采空区储水，流量q
出
为26m3/h。
[0092]
s4：每隔一天至出水点b，关闭阀门，待水压表读数稳定后记下采空区水压p1；打开阀门取水样进行碘离子浓度ω2检测，获得采空区水压p1、水样碘离子浓度随时间变化曲线，见图4和图5，监测总时间为45天。
[0093]
其中碘化钾示踪剂投入12天后，采空区水压出现明显的持续上升，第45天时，p1为
0.075mpa，大于p0；碘化钾示踪剂投入20天后，水样中碘化钾浓度出现上升，并且在第30天出现浓度最大值，并且ω2/ω1＝4.91，大于a，因此判断31307和31305采空区具有良好的水力连通性。
[0094]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。