区域地质构造探测技术在煤矿开采中的应用研究
时间：2023-02-08 11:40:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
高雪红
（晋城中联翔矿山设计服务有限公司，山西 晋城 048400）
煤炭作为我国基础能源，其重要地位不可动摇，而煤炭工业也历经百年发展，现在已经步入智能化时代。随着老矿资源的枯竭，新矿大多开始对一些资源禀赋较差的区域进行开采作业，由此带来的是瓦斯、水害等风险的增加，为保障开展矿井地质探测工作的安全性，在技术工艺、理论实践方面都将面临着更高的要求及挑战[1]。
某矿位于沁水煤田腹地，矿井井田面积43.509 9 km2，批准开采3号煤层，矿井核定年生产能力500万t。井田内区域地质构造多发，探明的地质构造有褶曲、断层、陷落柱，其中尤以现在开采的五、六盘区地质构造较多，据不完全统计，每平方公里发育有断距在3 m以上的断层就有3~5个，单个面积在3 000 m2以上的陷落柱有2~3个，对煤矿开采造成很大影响。
在4322工作面圈定过程中，充分运用钻探、物探及槽波坑头等多种方法，实现了对采面的精细化探测，保障了后期的顺利回采。4322工作面位于四盘区西部，工作面东部为4321工作面（已回采），南部为保护煤柱，北部为盘区大巷，西部为4326工作面（尚未布置）。
工作面整体东高西低，北高南低。工作面内煤层底板标高在472~498 m之间，低于奥灰水位线标高，属于不带压回采[2]。采面内煤层为3号煤层，煤层倾角3°～14°，平均煤厚5.35 m，采用放顶煤一次采全高的方法进行回采。
2.1 三维物理勘探技术
利用三维物探、地面微震勘探等新工艺对井田内发育的断距＞3.5 m的断层进行超前预报。在布置采面时，合理避开大型地质构造，减少后期其对回采造成的影响。此项工作应在建井期间完成，为后期采面设计提供参考，以保证开切眼、顺槽巷时可尽量避开大的地质构造带。经在4322工作面圈定中发现，三维物探精度较高，凡是物探推测的陷落柱或断层异常区，均在后期掘进及回采时得到了验证。
2.2 物探技术
物探技术使用的物探仪器是瞬变电磁仪，其可探测巷道前方的富水异常区[3]。多次将巷道物探结果与实际掘进过程中的出水情况进行对比分析，可以得出如下结论：瞬变电磁仪对于巷道前方100 m范围内的富水异常区有一定的探测能力，可以发现前方的富水异常情况。
但是由于物探理论的限制，仪器探测前方有30 m的物探“盲区”，其次仪器不能准确地探测出前方岩层的具体含水量大小，并且在探测过程中，周围的大型金属对仪器有一定的干扰。
综合分析可以得出，瞬变电磁仪具有很高的实用性。通过对钻探与物探的合理布置，可消除盲区对巷道掘进安全的影响，巷道的瞬变电磁探测可以作为钻探工作的前期内容。
2.3 钻探技术
2.3.1 设备
钻探设备一般采用ZDY—4200L型钻机及相配套的Φ73 mm钻杆、Φ94 mm钻头。
2.3.2 钻孔布置
钻孔布置分为两种。
方案一：巷道掘进100 m为一个循环，平面上布置5个钻孔，剖面上布置3个钻孔。平面上的5个钻孔为长短孔相结合，长孔控制长距离的侧帮，以确保有足够的保护煤柱，短孔则在长孔的基础上进行合理布置，保证短距离的侧帮安全。
方案二：同样以巷道掘进100 m为一个循环，平面上布置5个钻孔，剖面上布置3个钻孔。平面上的5个钻孔全部为长孔，其中3个长孔按规定控制长距离的侧帮，以保护安全煤柱，另2个长孔为探测孔，探测孔在长孔的基础上结合巷道实际的煤层变化，在长孔的内部合理分布，以探测长孔间隙有无含水异常。
这两种较为成熟的方案虽然在实际应用中取得了较好的效果，但是其缺点也是显而易见的。这两种方案都无法解决钻孔终孔的间隙问题，其实无论钻孔如何布置，其钻孔在平面与剖面都会有一定距离的间隙。
2.4 物探与钻探相结合的探测技术
2.4.1 钻孔布置
通过物探可测得巷道前方的相对富水异常区[4]。在此基础上，钻孔可进行如下布置：针对物探“盲区”，先利用小型钻机在平面上施工2个短距离钻孔，确保巷道前方“盲区”内左右帮安全；
其次在平面上布置3个长距离钻孔，保证巷道前方及侧帮的安全；
根据获得的物探最新资料，有针对性地对巷道前方某一区域进行验证性的补孔探测。若探测未见异常，巷道可正常掘进；
若探测有出水异常，按照《水害预警管理办法》进行探放水。
2.4.2 物探与钻探施工次序
日常工作中，采用钻探与物探相结合的方式，每次可在准掘距离还剩30 m左右或超前钻探的前1天进行物探工作，并及时对物探结果进行分析，从而保证后续的钻探工作顺利进行。
2.5 探测结果分析
2.5.1 物探探测的结果分析
在井下探测回采工作面应用比较成熟的仪器有直流电法仪、坑透仪[5]。本次在对工作面内部构造进行探测时，采用重庆煤炭科学院生产的WKT-E型无线电波坑道透视仪，选用频率为0.5 MHz。
坑透仪的工作原理：电磁波在穿过煤层途中遭到断层、陷落柱或其他构造时，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号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常（又称阴影异常）。
本次工作面探测采用了定点法，就是发射机相对固定，接收机在另一条对应巷道的一定范围内，逐点接收其场强值的一种工作方法。即43223巷发射、43221巷接收，反过来43221巷发射、43223巷再进行接收。
经过对现场物探资料的分析，工作面内SX87陷落柱、SF282正断层的探测结果为：工作面内部距第二停采线往南50~102 m处为2号坑透异常区。
坑透示意图中代表的数值越小，颜色越深，表示工作面内部越不可穿透，结合物探资料可确定两个构造对工作面有影响，且在采面靠近43221巷一侧异常较明显。
2.5.2 钻探探测结果的分析与推断
在43221巷、43223巷对2号异常区及断层进行钻探，原DX213（三维推断）陷落柱的范围为长轴48 m、短轴32 m，而钻探验证实际控制范围为长轴170 m、短轴98 m，在采面最大影响范围有140 m，对后期回采有很大影响。综合考虑，采取施工二切眼，以减少后期回采对煤产量及采掘设备造成的影响，同时为采掘接替留足了准备时间。
地质构造预测预报准确率有待提高。受地面三维勘探资料精度原因影响，部分构造在实际揭露时，位置发生偏移或实际揭露影响范围较大，严重影响了正常的采面布置，造成工程量加大，衔接紧张[6]。而利用物探及坑头等方法在后期进行分析时，对人员的理论实践经验要求较高，需要辅以钻探验证，而目前的钻探手段在精度控制方面，对操作人员的经验、责任心要求较高。
针对此类问题，一方面要求地测相关人员及时深入现场，收集地质资料，跟踪构造全过程，对预测预报资料进行验证、总结，提高自身业务水平；
另一方面，及时收集底抽巷穿层钻孔资料，结合已有地质资料，每周对抽放钻孔资料进行分析总结，提前预报底抽巷掩护过的煤巷构造赋存情况，提高地质构造预测预报准确率，杜绝无计划揭露构造事故发生。
通过进行三维地震勘探精细化分析，提高了三维地震勘探预测预报准确率，辅助以异常区域钻探验证，构建矿井可视化三维地质瓦斯模型，同时依托地理信息系统（GIS）平台，结合地面三维地震勘探、瞬变电磁法勘探、井下槽波物探成果，地质勘探基础数据，水文勘探及现场基础数据等资料，构建一张可视化三维地质模型，可实现煤层构造、富水区、瓦斯、地应力等信息的可视化和区块透明化，为煤矿智能化开采提供技术支撑。
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