區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)在煤礦開采中的應(yīng)用研究

高雪紅

（晉城中聯(lián)翔礦山設(shè)計(jì)服務(wù)有限公司，山西 晉城 048400）

煤炭作為我國基礎(chǔ)能源，其重要地位不可動(dòng)搖，而煤炭工業(yè)也歷經(jīng)百年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)步入智能化時(shí)代。隨著老礦資源的枯竭，新礦大多開始對(duì)一些資源稟賦較差的區(qū)域進(jìn)行開采作業(yè)，由此帶來的是瓦斯、水害等風(fēng)險(xiǎn)的增加，為保障開展礦井地質(zhì)探測(cè)工作的安全性，在技術(shù)工藝、理論實(shí)踐方面都將面臨著更高的要求及挑戰(zhàn)[1]。

1 工作面地質(zhì)構(gòu)造簡介

某礦位于沁水煤田腹地，礦井井田面積43.509 9 km2，批準(zhǔn)開采3號(hào)煤層，礦井核定年生產(chǎn)能力500萬t。井田內(nèi)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造多發(fā)，探明的地質(zhì)構(gòu)造有褶曲、斷層、陷落柱，其中尤以現(xiàn)在開采的五、六盤區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每平方公里發(fā)育有斷距在3 m以上的斷層就有3~5個(gè)，單個(gè)面積在3 000 m2以上的陷落柱有2~3個(gè)，對(duì)煤礦開采造成很大影響。

在4322工作面圈定過程中，充分運(yùn)用鉆探、物探及槽波坑頭等多種方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采面的精細(xì)化探測(cè)，保障了后期的順利回采。4322工作面位于四盤區(qū)西部，工作面東部為4321工作面（已回采），南部為保護(hù)煤柱，北部為盤區(qū)大巷，西部為4326工作面（尚未布置）。

工作面整體東高西低，北高南低。工作面內(nèi)煤層底板標(biāo)高在472~498 m之間，低于奧灰水位線標(biāo)高，屬于不帶壓回采[2]。采面內(nèi)煤層為3號(hào)煤層，煤層傾角3°～14°，平均煤厚5.35 m，采用放頂煤一次采全高的方法進(jìn)行回采。

2 采面圈定期間的探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 三維物理勘探技術(shù)

利用三維物探、地面微震勘探等新工藝對(duì)井田內(nèi)發(fā)育的斷距＞3.5 m的斷層進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。在布置采面時(shí)，合理避開大型地質(zhì)構(gòu)造，減少后期其對(duì)回采造成的影響。此項(xiàng)工作應(yīng)在建井期間完成，為后期采面設(shè)計(jì)提供參考，以保證開切眼、順槽巷時(shí)可盡量避開大的地質(zhì)構(gòu)造帶。經(jīng)在4322工作面圈定中發(fā)現(xiàn)，三維物探精度較高，凡是物探推測(cè)的陷落柱或斷層異常區(qū)，均在后期掘進(jìn)及回采時(shí)得到了驗(yàn)證。

2.2 物探技術(shù)

物探技術(shù)使用的物探儀器是瞬變電磁儀，其可探測(cè)巷道前方的富水異常區(qū)[3]。多次將巷道物探結(jié)果與實(shí)際掘進(jìn)過程中的出水情況進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論：瞬變電磁儀對(duì)于巷道前方100 m范圍內(nèi)的富水異常區(qū)有一定的探測(cè)能力，可以發(fā)現(xiàn)前方的富水異常情況。

但是由于物探理論的限制，儀器探測(cè)前方有30 m的物探“盲區(qū)”，其次儀器不能準(zhǔn)確地探測(cè)出前方巖層的具體含水量大小，并且在探測(cè)過程中，周圍的大型金屬對(duì)儀器有一定的干擾。

綜合分析可以得出，瞬變電磁儀具有很高的實(shí)用性。通過對(duì)鉆探與物探的合理布置，可消除盲區(qū)對(duì)巷道掘進(jìn)安全的影響，巷道的瞬變電磁探測(cè)可以作為鉆探工作的前期內(nèi)容。

2.3 鉆探技術(shù)

2.3.1 設(shè)備

鉆探設(shè)備一般采用ZDY—4200L型鉆機(jī)及相配套的Φ73 mm鉆桿、Φ94 mm鉆頭。

2.3.2 鉆孔布置

鉆孔布置分為兩種。

方案一：巷道掘進(jìn)100 m為一個(gè)循環(huán)，平面上布置5個(gè)鉆孔，剖面上布置3個(gè)鉆孔。平面上的5個(gè)鉆孔為長短孔相結(jié)合，長孔控制長距離的側(cè)幫，以確保有足夠的保護(hù)煤柱，短孔則在長孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理布置，保證短距離的側(cè)幫安全。

方案二：同樣以巷道掘進(jìn)100 m為一個(gè)循環(huán)，平面上布置5個(gè)鉆孔，剖面上布置3個(gè)鉆孔。平面上的5個(gè)鉆孔全部為長孔，其中3個(gè)長孔按規(guī)定控制長距離的側(cè)幫，以保護(hù)安全煤柱，另2個(gè)長孔為探測(cè)孔，探測(cè)孔在長孔的基礎(chǔ)上結(jié)合巷道實(shí)際的煤層變化，在長孔的內(nèi)部合理分布，以探測(cè)長孔間隙有無含水異常。

這兩種較為成熟的方案雖然在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，但是其缺點(diǎn)也是顯而易見的。這兩種方案都無法解決鉆孔終孔的間隙問題，其實(shí)無論鉆孔如何布置，其鉆孔在平面與剖面都會(huì)有一定距離的間隙。

2.4 物探與鉆探相結(jié)合的探測(cè)技術(shù)

2.4.1 鉆孔布置

通過物探可測(cè)得巷道前方的相對(duì)富水異常區(qū)[4]。在此基礎(chǔ)上，鉆孔可進(jìn)行如下布置：針對(duì)物探“盲區(qū)”，先利用小型鉆機(jī)在平面上施工2個(gè)短距離鉆孔，確保巷道前方“盲區(qū)”內(nèi)左右?guī)桶踩?；其次在平面上布?個(gè)長距離鉆孔，保證巷道前方及側(cè)幫的安全；根據(jù)獲得的物探最新資料，有針對(duì)性地對(duì)巷道前方某一區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證性的補(bǔ)孔探測(cè)。若探測(cè)未見異常，巷道可正常掘進(jìn)；若探測(cè)有出水異常，按照《水害預(yù)警管理辦法》進(jìn)行探放水。

2.4.2 物探與鉆探施工次序

日常工作中，采用鉆探與物探相結(jié)合的方式，每次可在準(zhǔn)掘距離還剩30 m左右或超前鉆探的前1天進(jìn)行物探工作，并及時(shí)對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行分析，從而保證后續(xù)的鉆探工作順利進(jìn)行。

2.5 探測(cè)結(jié)果分析

2.5.1 物探探測(cè)的結(jié)果分析

在井下探測(cè)回采工作面應(yīng)用比較成熟的儀器有直流電法儀、坑透儀[5]。本次在對(duì)工作面內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)時(shí)，采用重慶煤炭科學(xué)院生產(chǎn)的WKT-E型無線電波坑道透視儀，選用頻率為0.5 MHz。

坑透儀的工作原理：電磁波在穿過煤層途中遭到斷層、陷落柱或其他構(gòu)造時(shí)，因波能量被吸收或完全被屏蔽，使得在接收巷道收到微弱信號(hào)或收不到透射信號(hào)，形成所謂的透視異常（又稱陰影異常）。

本次工作面探測(cè)采用了定點(diǎn)法，就是發(fā)射機(jī)相對(duì)固定，接收機(jī)在另一條對(duì)應(yīng)巷道的一定范圍內(nèi)，逐點(diǎn)接收其場強(qiáng)值的一種工作方法。即43223巷發(fā)射、43221巷接收，反過來43221巷發(fā)射、43223巷再進(jìn)行接收。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場物探資料的分析，工作面內(nèi)SX87陷落柱、SF282正斷層的探測(cè)結(jié)果為：工作面內(nèi)部距第二停采線往南50~102 m處為2號(hào)坑透異常區(qū)。

坑透示意圖中代表的數(shù)值越小，顏色越深，表示工作面內(nèi)部越不可穿透，結(jié)合物探資料可確定兩個(gè)構(gòu)造對(duì)工作面有影響，且在采面靠近43221巷一側(cè)異常較明顯。

2.5.2 鉆探探測(cè)結(jié)果的分析與推斷

在43221巷、43223巷對(duì)2號(hào)異常區(qū)及斷層進(jìn)行鉆探，原DX213（三維推斷）陷落柱的范圍為長軸48 m、短軸32 m，而鉆探驗(yàn)證實(shí)際控制范圍為長軸170 m、短軸98 m，在采面最大影響范圍有140 m，對(duì)后期回采有很大影響。綜合考慮，采取施工二切眼，以減少后期回采對(duì)煤產(chǎn)量及采掘設(shè)備造成的影響，同時(shí)為采掘接替留足了準(zhǔn)備時(shí)間。

3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)存在問題及建議

地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有待提高。受地面三維勘探資料精度原因影響，部分構(gòu)造在實(shí)際揭露時(shí)，位置發(fā)生偏移或?qū)嶋H揭露影響范圍較大，嚴(yán)重影響了正常的采面布置，造成工程量加大，銜接緊張[6]。而利用物探及坑頭等方法在后期進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)人員的理論實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)要求較高，需要輔以鉆探驗(yàn)證，而目前的鉆探手段在精度控制方面，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心要求較高。

針對(duì)此類問題，一方面要求地測(cè)相關(guān)人員及時(shí)深入現(xiàn)場，收集地質(zhì)資料，跟蹤構(gòu)造全過程，對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)資料進(jìn)行驗(yàn)證、總結(jié)，提高自身業(yè)務(wù)水平；另一方面，及時(shí)收集底抽巷穿層鉆孔資料，結(jié)合已有地質(zhì)資料，每周對(duì)抽放鉆孔資料進(jìn)行分析總結(jié)，提前預(yù)報(bào)底抽巷掩護(hù)過的煤巷構(gòu)造賦存情況，提高地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，杜絕無計(jì)劃揭露構(gòu)造事故發(fā)生。

4 結(jié)語

通過進(jìn)行三維地震勘探精細(xì)化分析，提高了三維地震勘探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，輔助以異常區(qū)域鉆探驗(yàn)證，構(gòu)建礦井可視化三維地質(zhì)瓦斯模型，同時(shí)依托地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺(tái)，結(jié)合地面三維地震勘探、瞬變電磁法勘探、井下槽波物探成果，地質(zhì)勘探基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，水文勘探及現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等資料，構(gòu)建一張可視化三維地質(zhì)模型，可實(shí)現(xiàn)煤層構(gòu)造、富水區(qū)、瓦斯、地應(yīng)力等信息的可視化和區(qū)塊透明化，為煤礦智能化開采提供技術(shù)支撐。