钾离子示踪试验在煤矿防治水中的应用

摘要： 2010年，邢东矿采深最大的210工作面发生底板突水事故，为验证20041奥灰观测孔水和邢东矿210工作面出水存在联通关系，使用稳定无害的钾离子作为示踪离子进行了示踪试验。通过试验观测，证明了其联通关系，为进一步的突水机理研究提供了依据，为210工作面的安全回采奠定了基础。

Abstract： Floor water inrush accidents occurred in the deepest 210 working face of Xingtai East mine in 2010. In order to test the allied relationship between ash water of 20041 aperture and effluent of Xingtai East mine 210 face， tracer tests using the stable and harmless potassium as tracer ions have been carried out. Experimental observation proved the allied relationship， and provided basis for the further water-inrush mechanism research， and laid a solid foundation for the safety mining in 210 working face.

关键词： 示踪试验；钾离子；煤矿防治水；应用

Key words： tracer test；potassium；control of coal mine water；application

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）13-0323-02

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作者简介：申宝国（1984-），男，河北沙河人，助理工程师，冀中能源股份有限公司邢东矿技术部主管。

1 概述

邢东矿是2001年11月18日投产的一座新型现代化高产高效矿井，位于太行山东麓平原，水文地质类型为中等型，属“百泉汇水单元”，井田内分布有11个含水层（组）。矿井采深达1200m，呈现出高地压、高水压的特征。

邢东矿210工作面位于F19断层和主暗延伸皮带下山之间，工作面运输巷紧靠近井田边界线，该工作面周围无采动情况，是邢东矿目前采深最大的工作面。走向长541m，采宽141m。工作面标高-1140～-1213m。工作面煤层厚度稳定（平均4.1m），结构简单。煤层走向150°～180°，倾向60°～90°，倾角12°～15°。2煤下距奥灰含水层175米，工作面仰采角度为4°，采线倾角14°。工作面于2011年4月13日累计推进到切眼向外300米时下巷采空区向外出水，后逐渐发展到整个采面底板出水。20041钻孔为邢东矿地面奥灰水位观测孔，该孔与210工作面4.13采线位置平距约为800米，4月13日出水当日，20041水文观测孔奥灰水位出现较明显下降，最大日降幅达4.01米，明显大于区域奥灰水位正常下降幅度（日降幅0.2m左右）。工作面出水后连续取样化验，从水质看均为典型的砂岩水类型，水质类型为SO4-·HCO3-K+·Na+。随后5月5日和9日两次水量增大前，20041钻孔水位均出现大幅度下降，而工作面出水水质类型仍然为典型的砂岩水。为验证20041钻孔水和邢东矿210工作面出水存在联通关系，设计进行水化学示踪试验。

2 示踪剂的选择

目前在实际工作中使用的示踪剂主要有以下4 类：①固形漂浮物；②化学染料示踪类；③放射性同位素类；④化学检测示踪类。示踪剂的选择原则为无毒、自然本底值低，化学性能稳定，不受围岩干扰，不改变地下水的运移方向，易检测，灵敏度高且成本相对低。210工作面突水形式表现为底板裂隙突水，另外考虑到210工作面距20041钻孔达800m，20041钻孔位于邢台市东郊，还要考虑水源污染问题。本地区地下水中钾离子相对含量较低，且非常稳定，含量变化反映比较灵敏，所以最终选择氯化钾作为示踪剂。

3 试验过程

3.1 准备工作 邢东矿20041钻孔由河北省煤田地质局第二地质队于2004年4月19日至10月24日施工，孔深1268.64米，进入奥灰80.75米。钻孔内径：？准245×7.92mm（0～293.26m），？准139.7×7.72mm（293.26～972.24m），？准108×4.5mm（972.24～1193.09m），？准110mm（1193.09～1268.64m），孔内容积为22.7m3。2011年5月18日20041钻孔水位埋深为81.6m，为检测钻孔自然下水速度，动用11吨装的消防车进行预注水试验，孔内注满水后，第一个小时水位下降34.297m，水量为1.616m3，预计注满钻孔22.7m3需约14小时。

分别于5月12日22：00、5月17日22：00和5月18日6：00在210工作面采取水样作为化验钾离子的背景值水样。

3.2 示踪剂投放 2011年5月19日上午8：45消防水车到位，9：00，将30公斤氯化钾在水中溶解后倒入钻孔内，9：10开始向孔内注水，注水过程中技术人员控制水量，使孔内水位始终接近孔口。16：30，第一车水基本注完，注水量约10m3，5月20日5：00注完第二车水，15：30第三车水注完，共计注水约30m3，历时31小时。（图1）

3.3 取样及检测 在投放示踪剂6小时后，即5月19日15：00开始连续取样，取样时间间隔为1小时。井下取样后，分批次送往“河北省地矿局邢台实验室”化验。5月19日至5月28日，共取样128个。

化验结果中，K+背景值为4.12～4.94mg/L，自5月19日15：00连续取样开始，K+含量一直在3.71～5.18mg/L范围内波动，至5月23日19：00，K+含量升至5.45mg/L，并于5月24日0：00达到峰值7.92mg/L，后逐渐降低，5月28日6：00，K+含量恢复至4.98mg/L，试验结束。（图2）

4 结论

4.1 证明了20041钻孔水与210工作面出水存在联通关系。

4.2 从注完水至检测K+含量达到峰值时间约为81小时，可大致计算出该段奥灰水平均流速为9.88m/h。

此次示踪试验为进一步研究该工作面突水机理提供了依据，也为210工作面的安全回采奠定了基础。

参考文献：

[1]李世明.井下安全爆破的几个关键问题探讨[J].煤矿爆破，2006（02）.

[2]胡建军.浅析铁路运费调整对陕西煤炭市场的影响[J].陕西煤炭，2004（01）.

[3]李彩萍，张英梅，张振国.煤层底板突水监控系统的设计[J]. 工矿自动化，2013（01）.