試論煤礦超前預測地質構造技術的探索和實踐

云南地方礦山安全評價院

摘要：煤礦超前預測地質構造技術的有效應用可以提高煤礦開采的安全性、可靠性。煤礦開采是一項危險性較高的工作，尤其是煤層中存在斷層。在有斷層的煤層中進行煤礦開采，如若開采不慎，可能會導致煤層被破壞，致使正常煤礦開采受到影響，甚至是發生安全事故。所以，在進行具體的煤礦開采工作之前，進行煤礦超前預測地質構造預測是非常必要的。對此，本文就煤礦超前預測地質構造技術進行分析，并對其實踐應用進行探討。

關鍵詞：煤礦開采；煤礦超前預測地質構造技術；應用

引言

目前，我國已經成為世界上最大的產煤國，每年產煤量超出10億噸，全世界四分之一的煤出產于中國地下。但由于我國能源結構中煤的占比最多，使得我國過分依賴煤礦的生產活動不僅對能源的可持續供應造成很大影響，而且由于我國煤礦開采技術并不是非常先進、管理制度并不是非常完善，使得煤礦開采引發了大量的煤礦災害，造成一定程度的人員傷亡和財產損失。在進行煤礦開采的過程中，如若遇到斷層又沒有有效的開采方案，將會增加煤礦開采風險。所以，煤礦超前預測地質構造技術的有效應用是非常必要的。煤礦超前預測地質構造技術的應用可以預測煤礦開采區域地質結構，了解地質斷層結構，為后續安全、有序的進行煤礦開采工作創造條件。

一、斷層構造的概述

斷層是地殼巖層因受力達到一定強度而發生破裂，并沿破裂面有明顯相對移動的構造。斷層包括斷層面和斷盤。斷層面即為被錯開的兩部分巖石沿著滑動的破裂面。而斷層面兩側相對移動的巖即為斷盤。由于斷層面可以是水平的、傾斜的、直立的，斷盤分為上盤、下盤、上升盤、下降盤，這使的斷層有多種類型。斷層最基本的類型是按斷層兩盤相對運動特點分為的正斷層、逆斷層以及評議斷層。

（1）正斷層為上盤相對下降、下盤相對上升的斷層。它的斷層面是傾斜的，并且傾斜度在45°以上。

（2）逆斷層為上盤相對上升。下盤相對下降的斷層。它的斷層面也是傾斜的，但其傾斜度小于45°。所以，可以稱逆斷層為沖斷層。

（3）平斷層為兩盤沿斷層面走向相對水平錯動的斷層。

總體來說，斷層構造比較復雜，大中小斷層構造存在較大差異，容易誤導煤礦開采人員，使煤礦開采人員判斷錯誤。一旦判斷錯誤，可能會導致煤礦掘進巷道作廢甚至是產生嚴重的安全事故。所以，在煤礦開采之前應當對煤礦區域斷層構造進行預測，進而制定有效的煤礦開采方案。

二、煤礦超前預測地質構造技術

隨著我國經濟、科技的蓬勃發展，目前我國煤礦超前預測地質構造技術有多種，可以有效的預測巷道掘進過程中可能遇到的斷層，以便煤礦開采人員能夠預防斷層，降低煤礦開采風險。目前，應用效果較好的煤礦超前預測地質構造技術主要有：

1.瑞利波探測技術

瑞利波探測技術分為穩態瑞利波探測和瞬態瑞利波探測。應用于煤礦井下的是瞬態瑞利波探測技術。瞬態瑞利波探測技術是在介面上產生一瞬時沖擊力，產生一定頻率范圍的瑞利波，不同頻率的瑞利波疊加在一起，以脈沖的形式向前傳播，運用頻譜分析、相位譜分析的方法進行分析。瞬態瑞利波探測技術進行煤礦井下斷層預測，利用瑞利波在斷層中傳播程度，在通過頻譜分析來分析瑞利波傳播，進而確定煤礦井下斷層情況。瞬間瑞利波探測技術的應用可以就煤礦井下斷層、裂縫、破碎陷落柱等情況進行探測，得到煤礦地質構造，為制定安全的、合理的煤礦開采方案提供重要依據。

2.直流電法探測

直流點法探測也是當前探測煤礦地質構造的一種有效的探測技術。目前，我國直流電法探測技術有多種方法，如三為直流電探測技術、巖土體電阻率探測技術等。對于煤礦斷層地質構造的探測，應用比較廣泛的是三維直流電法探測。三維直流電法探測是將直流電法儀器和勘探方法結合在一起，對煤礦斷層進行探測。三維直流電法探測的原理是假設恒穩點電源的電流強度為I，在距離電源為R的地面P點處的電位為，那么，三維直流電電阻率為：

而在非均勻介質中，電位的Poisson積分為：

注：j為電流的密度；表示為介質的真電阻率。

通過電位的Poisson積分可以求得非均勻介質中三維直流電的電阻率。

在三維直流電法探測中利用直流電法儀器和勘探方法對煤礦斷層進行勘測，根據實際探測需要，計算三維直流電的電阻率，進而合理的進行斷層探測，得到探測數據。將所得數據進行三維化處理，得到的三維立體圖像，通過三維立體圖像可以對煤礦斷層地質構造進行預測，為后續煤礦開采提供信息。所以說，三維直流電法探測技術的有效應用，也可以預測出煤礦斷層地質構造。

3.瞬變電磁探測

瞬變電磁法的有效應用也可以有效的探測出煤礦斷層地質構造。因為，瞬變電磁閥是利用磁源和電流源來構建電磁場，對煤礦斷層進行探測，進而得到煤礦斷層的地質構造。瞬變電磁法的激勵場源主要有兩種，即回線形式的磁源和接地電極形式的電流源。通過回線和接地點電極形成的磁場和電流場結合在一起，可以瞬間產生強大的電磁場，利用煙圈效應可以檢測到斷層的地質構造。需要注意的是瞬間電磁探測技術應用過程中所探測的時間和探測的深度都取決電阻率。所以，再利用瞬間電磁探測技術進行煤礦斷層地質構造探測的過程中，一定要注意地面發送線圈電阻的控制，盡量保證瞬間電磁場能夠就整個煤礦斷層進行完整的、全面的探測，進而更為詳細的、全面的了解煤礦斷層地質構造。

三、煤礦超強預測地質構造技術的應用

對于煤礦超前預測地質構造技術的應用，筆者結合某煤礦開采實例進行分析。

1.煤礦開采概述

某煤礦開采的煤田屬于多煤層聯合開采，自上而下先后開采的煤層為12煤、14煤、16煤、17煤。目前已經完成12煤的開采工作，收集了一些煤礦相關資料。在12煤開采過程中未發現煤礦斷層，但為了更加安全、可靠的進行煤礦開采工作，需要對14煤、16煤、17煤層進行地質構造預測，以避免煤礦開采中遇到煤礦斷層，不僅無法正常進行煤礦開采，還可能導致安全事故發生。

2.煤礦斷層超前綜合預測

對于14煤、16煤、17煤層斷層情況的預測，應當根據相關資料的分析，并運用適合的預測方法，才能夠準確的探測出14煤、16煤、17煤層是否存在斷層；若存在，斷層地質構造又是什么形態。煤礦開采中14煤、16煤、17煤層超前預測內容為：

2.1相關資料分析

假設巖層沒有受到地質構造破壞的情況下，煤巖層之間的水平層理分布的等高線之間的距離是相等的。也就是說，理想情況下統一煤層以及不同煤層等高線應是一組均勻分布的曲線。但結合12煤層開采過程中所得的相關資料來看，煤層的等高線水平間距發生變化，并且等高線的走向變化越來越劇烈。這也就說明，在14煤、16煤、17煤層可能會存在大眾落差的較大斷層。

2.2煤層斷層的確定

對于14煤、16煤、17煤層的是否存在斷層的預測是利用瑞利波探測技術。運用瞬態瑞利波探測技術分別對14煤、16煤、17煤層進行探測。對于14煤層的探測是在探測現場布置觀測系統，再根據探測地點的地質條件選擇適合的三個探測點。利用瑞利波探測系統就三個探測點進行瑞利波探測，瑞利波傳輸到14煤層下。若如瑞利波在傳播過程中速度加快，說明14煤層存在斷層。通過瑞利波探測技術的探測，可以確定14煤層存在斷層。利用此種方式就16煤、17煤層進行探測，確定16煤、17煤層存在斷層。

2.3煤礦斷層地質構造的探測

對于14煤、16煤、17煤層斷層地質構造的探測主要運用三維直流電法探測。

利用三維直流電法探測技術進行14煤層斷層地質構造的探測，利用電極轉換器。測量主機、控制軟件，電極陣列和電纜系統進行煤層斷層地質構造探測，可以在整個探測程序控制內就14煤層進行4道測探，進而得到14煤層的等高線，再利用三維繪畫方式來進行14煤層等高線走向繪畫。得到的14煤層等高線走向圖，通過這個等高線走向圖可以預測出14煤層地質構造圖。利用此種方式進行16煤、17煤層斷層地質構造預測。

2.4煤礦煤層開采方案的規劃

對于14煤、16煤、17煤層煤礦的開采，應當重新的規劃。由于14煤、16煤、17煤層不同于12煤層，14煤、16煤、17煤層中有斷層。在對14煤、16煤、17煤層進行具體的開采工作之前，依據14煤、16煤、17煤層斷層地質構造預測信息，制定合理的煤礦開采方案，更加安全的進行煤礦開采。

結束語：

在現代化的今天，我國煤礦資源越來越規范、安全、合理，使得我國這幾年煤礦事故發生率大幅下降。盡管我國煤礦開采逐漸向科學化、規范化、正規化的方向發展，但我國煤礦開采依舊存在很多不足。就以煤礦斷層地質構造預測來說，現階段煤礦斷層地質構造預測并不是非常準確。究其原因主要在于煤礦超前地質構造預測技術應用效果不佳。本文筆者在文中就瑞利波探測技術、直流電法探測、瞬變電磁探測這三種探測技術進行了分析，并結合煤礦開采實例對煤礦超前地質構造探測技術應用進行了探究，確定煤礦超前地質構造探測技術的有效應用應當結合煤礦井下實際情況，選用適合的探測技術合理的進行煤礦地質構造探測，可以提高煤礦地質構造探測的準確性，為更加安全、可靠的進行煤礦開采創造條件。

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