煤層斷層透水風險的物探超前預報

摘 要：當地表水和地下水通過斷層等地質構造涌入礦井，而涌水量超過礦井的正常排水能力時，會造成煤礦嚴重的透水事故。文章從斷層構造的特點及類型發出，介紹了煤層斷層透水超前物探設備及方法，就如何防止煤礦透水事故的發生，提出了三種不同的斷層超前探水技術。

關鍵詞：煤層斷層；透水；物探

在漫長的地質發展過程中，地殼在內、外力地質作用下，不斷運動演變，所遺留下不同的地質構造，地質構造規模各有不同，復雜大型的地質構造也是由一些基本構造形態組合而成的，如褶曲和斷層。斷層構造作為地質構造中的一類，是地殼運動、變化的具體表現。斷層構造的形成，是由于受地應力的作用，使地殼發生劇烈的運動而導致地層發生斷裂、錯位的結果。斷層一直是干擾正常煤礦生產活動的危險因素，嚴重制約著煤炭企業產出，也給礦工的生命安全造成極大地隱患。因此，如何降低斷層構造對煤礦安全生產的影響，并合理利用斷層為生產服務，是一項具有重要意義的工作。

1 斷層構造的特點及類型

走向、傾向和傾角是用來描述地質構造在空間的位置。巖體受地殼運動的作用，受力變形達到一定程度后，在其內部產生了許多斷裂面，使巖石喪失了原有的連續完整性，稱為斷裂構造。斷裂構造可分為兩種類型：節理和斷層。巖體受力斷裂后，如斷裂面兩側的巖塊發生了顯著位移，則這種構造現象稱為斷層。斷層規模大小不一，相對位移也不相同。

1.1 斷層要素

1.1.1 兩側的巖體發生相對位移的斷裂面，稱為斷層面。地殼中的斷裂變動，往往不是局限在一個斷層面上進行的，而是沿著許多破裂面運動，因此，斷層面不是一個面，而是一個帶（即斷層帶）。斷層規模越大，這個帶就越寬，破壞性質越復雜，破壞程度也越嚴重。大斷層帶有時可寬達數十米至數百米，它的長度差別也很大，長者可達數公里至數千公里。在斷層面上常可找到一些斷裂錯動的證據，例如斷層擦痕、斷層泥、斷層角礫巖、糜棱巖等。

1.1.2 斷層線是斷層面與地面的交線，表示斷層的延伸方向。

1.1.3 斷層面兩側的兩個斷塊，其中位于斷層面之上的稱為上盤，位于斷層面之下的稱為下盤。

1.1.4 斷距是斷層兩盤沿斷層面相對移動開的距離。

1.2 斷層的基本類型

斷層的分類方法很多。根據斷層兩盤相對錯動的情況，可以分成以下三種：

1.2.1 正斷層，即上盤沿斷層面相對下降，下盤相對上升的斷層。正斷層一般是由于巖體受到水平張應力及重力作用而成，斷層面傾角較陡，常大于45°。

1.2.2 逆斷層，即上盤沿斷層面相對上升，下盤相對下降的斷層。逆斷層一般是由于巖體受到水平方向強烈擠壓力作用而成。

1.2.3 平推斷層，是由于巖體受水平扭應力作用，使兩盤沿斷層面發生相對水平位移的斷層。平推斷層的傾角很大，斷層面近于直立。

2 煤層斷層透水超前物探設備及方法

煤層斷層構造已經給煤炭資源的開采帶來極大地不便，如果斷層構造中富含水，則會給煤礦的安全生產造成更大的危害。因此，進行煤層透水超前預報意義重大。

2.1 地質雷達

地質雷達簡稱GPR，是一種對地下的或物體內不可見的目標或界面進行定位的電磁技術。其工作原理為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式，通過發射天線被定向送入地下，經過存在介電常數電性差異的地下地層或目標體反射后返回地面，由接收天線接收。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁特性和幾何形態而變化，所以對接收信號進行分析處理，可判斷地下的結構或理藏物等。地質雷達技術優點是無損探測、精度較高，在淺層地質勘探中效果顯著，廣泛應用于地面以下采空區和斷層等的探測。在煤礦下斷層或溶洞水體的勘探中也有使用，但由于受雷達數據采集接收天線接收能力和抗干擾能力所限，在深埋礦井中應用效果并不明顯。

2.2 紅外線探水儀

紅外探水是利用地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強變化的原理，使用紅外線探水儀接收巖體紅外輻射場強，根據圍巖紅外輻射場強的變化幅值來確定巷道前方或四周是否有隱伏的含水體，有效探測距離達20～30m。該方法對與隧道軸線呈大角度相交的面狀軟弱帶、斷層帶以及地層的分界面等探測效果較好，缺點不能判斷或定量分析含水構造的確切距離、賦存形態、出水量、出水壓力等。

2.3 高密度電法探測儀

高密度電阻率法就其基本原理而言，與傳統的電阻率法完全相同，是以巖（礦）石的導電性差異為基礎的一類電探方法，研究在施加電場作用下，地中傳導電流的發布規律，從而達到勘測地質體的目的。高密度電阻率法工作時，是將電極一次性布設完畢，每根電極既是供電電極，又是測量電極。通過程控式多路電極轉換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數據的快速采集。對某一極距而言，其結果相當于電阻率剖面法；而對同一記錄點處不同極距的觀測又相當于一個測深點；所以高密度電阻率法實際上就是電阻率剖面法和電阻率測深法的綜合。

2.4 電磁感應法探測儀

電磁感應法是以巖（礦）石的導電性、導磁性和介電性的差異為物質基礎，應用電磁感應原理，通過觀測和研究人工或天然源形成的電磁場的空間分布和時間（或頻率）的變化規律，從而尋找良導礦床或解決有關的各類地質問題的一組電法勘查的重要分支方法。人們在所要探測的區域內，由發射線圈供應脈沖電流，在斷電時，一次場突然消失，如果地下存在著良導體，則感應出二次電流，產生二次磁場。常用的設備主要是EH4電磁成像系統。

3 斷層超前探水技術

3.1 超前淺孔探水

巖性破碎或較軟的地區不宜布置淺孔超前探水工程。其主要目的是在含水層極不均勻或經中深孔探水后仍有突水可能時，利用淺探水孔對每個掘進面進行加密控制。其孔深為5-40m，孔徑要求為46-73m，有時由于取芯或其他要求孔徑也可以適當加大，但通過含水層段的孔徑不宜大于91mm。

3.2 超前中深孔探水

中深超前探水主要目的為：（1）控制采掘工作面的安全邊界范圍；（2）對工作面進行降壓或疏干排水。

工程布置的原則為：（1）所有情況均應布置；（2）保證工作面空間上與水體存在安全距離。孔的深度一般為40-80m；孔徑為45-73mm：孔數為3-5個。

3.3 超前深孔探水

進行深孔超前探水主要是為了探明地下水體的位置分布規律，以掌握生產區域內各種水文地質的邊界線，并以此來確定發生透水事故的風險程度。

工程布置的原則為：（1）水體分布規律不明確的區域；（2）凈水壓力較高的地區。孔的深度要求為80-120m，孔徑為46-120mm，孔數為1-2個。

4 結束語

水害是煤礦開采的五大危害之一，尤其是斷層包含富水層，因此，利用先進的物探手段進行透水風險超前預報，對于保證煤礦的正常生產和礦工的生命安全都具有極其重要的意義。

參考文獻

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