煤礦采空區勘查設計技術研究

雷志國

(霍州煤電集團 豐峪煤業有限責任公司，山西 霍州 031400)

隨著煤礦逐漸向深部開采，形成了大量的采空區，對煤礦的安全開采產生了嚴重的影響，為了解決采空區探測的問題，國內學者對此進行了一定研究。文獻[1]采用地表勘探、物探、鉆探等手段，對采空區進行綜合勘查，掌握了煤礦采空區的位置、范圍，在采空區勘查基礎上，全面分析了采空區的隱患類型，為研究采空區進行綜合治理提供了技術支持；文獻[2]采用層析成像法，分析了煤礦采空區地球物理特征，反演結果與實際鉆孔資料進行對比分析，表明該方法能夠較好地預測采空區的位置；文獻[3]采用高密度電法、瞬變電磁法、高密度二維地震法和三維地震綜合法對煤礦進行了探測，得出三維綜合探測結果和二維探測結果在空間上異常區域具有較高的吻合關系，表明了綜合物探法對煤礦采空區的探測是有效的。鑒于此，本文研究了煤礦采空區勘查設計，主要包括收集資料、井下實測、瞬變電磁法、鉆探、地球物理測井等工程方法。研究為類似工程條件煤礦采空區勘探提供了借鑒。

1 礦區地質概況

1.1 地層

霍州煤電集團紫晟煤業有限責任公司井田位于霍西煤田霍州礦區東南部，礦區內大部分被第四系地層所覆蓋。根據地表出露及生產礦井和鉆孔揭露，區域地層由老至新為：中太古界霍縣群；元古界長城系；古生界寒武系下統、中統、上統；奧陶系下統、中統；石炭系上統；二疊系下統、中統、上統；新生界新近系、第四系。

(1)奧陶系(O)。井田位于霍西煤田霍州礦區辛置精查勘探區的西側、北益昌普查區南部。峰峰組(O2f)為煤系地層基底，據區域資料厚度大于100 m，巖性一般以灰色厚層狀致密石灰巖為主，其次有角礫泥灰巖、白云質灰巖、泥巖，中上部局部有一石膏層，地層中裂隙多為方解石脈充填。辛置勘探區以往118號鉆孔揭露厚度51.07 m；井田內以往511號鉆孔揭露厚度2.89 m。

(2)石炭系。①本溪組(C2b)平行不整合于峰峰組之上，厚度15.30 m，為海陸交互相，底部為山西式鐵礦及鋁土礦，其上為灰色砂質泥巖、砂巖，其中含不穩定灰巖1～3層，厚度多在1 m以下，局部有不穩定薄煤層。②太原組(C2-P1t)與下伏本溪組整合接觸，是區內主要的含煤地層之一，全層厚度為78.86～98.39 m，平均厚91.60 m，為海陸交互相沉積，巖性主要由灰黑色泥巖、灰巖、薄層砂巖及煤層組成，沉積穩定，標志層明顯，含煤4～6層，可采煤層有5號、6號、9號、10號、11號煤。

(3)二疊系。①山西組(P1s)。該組為一套陸相碎屑巖含煤建造，為井田主要含煤地層之一，厚度38.95～44.90 m，平均厚43.54 m。主要由深灰—灰黑色泥巖、粉砂質泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、粉砂巖間夾灰色中細粒砂巖煤組成。該組含2號煤層，為井田主要可采煤層，泥質巖中富含植物化石。底部K7為灰色中粒砂巖，成分以石英為主，長石次之，分選性、磨圓度較差，斜層理發育，局部相變為粉砂巖，厚度1.25～10.11 m，平均厚3.85 m。②下石盒子組(P2x)。與山西組地層整合接觸，全厚85.06～112.91 m，平均厚95.18 m，屬陸相沉積，按巖性特征可分為2段：下段主要為灰色、黃綠色泥巖、砂質泥巖、砂巖互層，有時含不穩定的薄煤層，底部以灰白色中粒K8砂巖與山西組分界，K8砂巖多為細粒結構，成分以石英、長石為主，風化后明顯的氧化鐵圈，底部常含小礫，厚0～4.70 m，平均厚1.87 m。上段多為黃綠色薄層砂巖與砂質泥巖互層，風化后多呈陡崖，其頂部常有不穩定的紫斑泥巖發育，俗稱“桃花泥巖”，底部K9細粒砂巖厚0～11.82 m，平均3.08 m，常相變為粉砂巖。③上石盒子組(P2s)。該井田該組地層賦存不全，其上部地層多被風化，僅殘留其下部地層。本組底部以中粗粒石英砂巖K10與下石盒子組整合接觸，其下部地層為杏黃色、黃綠色、紫色泥巖、砂質泥巖、薄層砂巖組成互層，上部地層為藍灰色、紫色泥巖夾薄層砂巖，質軟易風化，該區殘留厚度177 m左右。

(4)上第三系上新統(N2)。該區最大殘留厚度176.26 m，一般厚80 m，與下伏地層呈角度不整合接觸。井田內溝谷處有零星出露。主要巖性：底部一般由礫石層組成，其上為灰色、淺灰色泥質灰巖，“淡水灰巖”，中上部為紅色黏土，具水平層理。

(5)第四系(Q)。①中更新統(Q2)，厚0～30 m，平均厚10 m。與下伏地層呈角度不整合接觸。主要由黃灰色、淺紅色砂質黏土、黏土組成，常含鈣質結核，有時夾礫石。②上更新統(Q3)，厚0～20 m，平均厚10 m。主要巖性為淺黃色、褐黃色砂質黏土，上部為次生黃土和耕植土夾砂礫層。

1.2 構造

井田位于霍西煤田霍州礦區東部，據鉆探及井下開采資料證實，井田中的構造形態與區域構造密切相關，井田地層受區域構造影響，井田總體構造以軸向近南北的背斜構造為主，主要發育有70余條斷層，斷層發育受到褶皺控制，分布于褶皺軸部兩側。

(1)褶皺。北益昌背斜：總體為軸向近南北向S形背斜，背斜軸位于井田中部，兩翼地層不對稱，西南翼寬緩，地層傾角2°～5°，東北翼較陡，地層傾角10°左右，局部達23°。

(2)斷層。井田斷層發育，落差大于20 m的大、中型斷層6條，落差10～20 m的小型斷層7條，主要斷層特征：①F1正斷層，位于井田東南部邊緣，為赤峪斷層支叉，井田內延伸長度約0.43 km。走向N34°E，傾向NW，傾角70°，落差140 m。②F2正斷層，位于井田外東南部，為赤峪斷層支叉。走向N39°E，傾向SW，傾角70°，落差210 m。③F3正斷層，位于井田西北部，走向N32°E，傾向NW，傾角70°，落差30 m，井田內延伸長度約2.0 km，為井下巷道所揭露。④F50正斷層(推斷)，位于井田西南部，走向北東24°，傾向NW，傾角66°，落差90～120 m，井田內延伸長度約2.191 km，為井下巷道所揭露。⑤F74正斷層，位于井田南部，走向北東55°，傾向SE，傾角40°，落差20～25 m，井田內延伸長度約0.65 km，為井下巷道所揭露。

(3)陷落柱。井田內共揭露陷落柱9個，主要分布于井田中西部，空間形態為反漏斗型，其斷面為近圓形或半橢圓形，直徑20～60 m，為井下巷道所控制或鉆探探測所控制，構造綱要圖如圖1所示。

圖1 構造綱要Fig.1 Structural outline

2 采空區勘查設計

此次工作通過對各類資料的搜集整理和綜合研究基礎上對能進入的采空區及巷道均進行井下實測，井下實測工作不僅能直接測量出采空區范圍，還為下一步瞬變電磁法掃面工作提供參數依據，在瞬變電磁法成果的基礎上對無法進行井下實測的區域進行鉆探驗證，查明工作區內采空區的范圍及分布。

(1)資料收集。資料搜集與分析研究是這次工作的重點之一，該項工作從野外調查至成果報告編寫始終進行，要貫穿于項目實施的全過程。在井田范圍內勘查、開采積累了大量資料，此次工作主要收集1956年6月—1958年5月原華北煤田地質勘探局144勘探隊在辛置勘探區、北益昌勘探區進行的精查勘探，在提交的《霍西煤田辛置勘探區精查地質報告》《霍西煤田北益昌勘探區普查地質報告》的基礎上，求得2號煤層C級儲量為6 164.5萬t，并經原煤炭工業部華北煤田地質勘探局審查批準，可供參考利用。同時，收集整理霍州地區2019年以前的補勘資料，結合礦井采掘活動范圍進行詳細分析研究。

(2)井下實測。①采空區拐點、采掘巷道實測，選用TS-06型全站儀采用支導線法進行測量，利用井筒近井點坐標聯測。坐標系采用國家80坐標系。②采煤厚度采用鋼尺丈量配合氣動鉆機探煤的方式，對煤厚點進行部分驗證。③對已經密閉的以往生產巷道及采空區、礦井瓦斯涌出量、煤塵爆炸性、煤的自燃、水文地質條件、頂底板特征等開采技術條件以調查、訪問、搜集資料為主要手段，通過對資料的分析整理、繪制采掘工程平面圖、充水性圖等各種綜合性圖件，完成報告的編寫。

(3)瞬變電磁法工作。本次工作采用瞬變電磁法進行施工。瞬變電磁法方向性強，對導電體范圍和導電覆蓋層的分辨率較高，不易受高阻屏蔽及地形影響，在探測地下水的分布和空間位置精度較高，可根據地質結構、地下水的特征分析判斷礦井充水水源及范圍。正式開工前，在勘探區內2號煤層選XZ-2鉆孔布置試驗坐標點5個，進行勘探深度、參數選擇試驗[4-9]。

(4)鉆探工作。鉆探是此次工作最直接、最重要的勘探手段，其主要目的是驗證物探工作成果，探明采空范圍及分布。此次設計4個鉆孔，鉆探總進尺2 351 m。設計鉆孔根據測量和物探成果部署。

(5)地球物理測井工作。對所施工鉆孔需進行綜合測井，設計測井深度為2 301 m，旨在劃分地層，判定采空區的深度及厚度等參數，分析煤巖層的物性數據，確定含水層位置及其相互補給關系。測井方法采用視電阻率、放射性、井徑、密度等測量。

3 工作方法及技術要求

3.1 井下實測

測量工作采空區拐點實測選用TS-6型全站儀采用支導線法進行，坐標系采用國家80坐標系，不同的坐標系還需選擇合理參數進行轉換使用。利用已知的坐標點對井下巷道位置進行測量，對采空區范圍應多次復測，誤差應滿足《煤礦測量規程》(1989年版)的要求(小于10 cm)，并對部分煤厚點應用探煤鉆進行驗證，經井下實測與收集的煤厚點資料對比，誤差均應小于0.20 m。

3.2 瞬變電磁法工作

此次測量采用PROTEM 67D瞬變電磁勘探系統。

(1)設計工作量。根據所承擔的地質任務，主要查明勘探區內采空區的賦水情況和地質構造，以及50 m以上斷層位置走向及其富含水性。測網布設原則為主測線大致垂直于本測區的主構造方向且兼顧施工方便，測線方向為近東西向布設。測網密度為：40 m(線距)×20 m(點距)。全區共布設瞬變電磁測線105條，設計坐標點6 258個，檢測點按總坐標點5%計算，計312個；試驗瞬變點50個；共計瞬變電磁物理點6 620個。

(2)資料處理解釋及提交成果。資料處理流程如圖2所示。

圖2 資料處理流程Fig.2 Data processing flow

(3)預計勘查成果。形成瞬變電磁勘探文字報告，得出實際材料圖及煤層采空區范圍分布圖。

3.3 鉆探工作

(1)鉆探工藝。①施工裝備。根據勘查區的地層、水文、地貌、工作量、技術要求、工期等條件，勘查選用 XY-4等型號鉆機和與此相匹配的附屬設備。②鉆孔結構。鉆孔結構設計是以滿足各分部工程為目的及施工工藝要求為原則，力求達到鉆探工藝的合理性和最佳的經濟效果。根據本區地質情況及設計目的，普查中設計的鉆孔終孔孔徑要求不小于91 mm，巖芯直徑不小于60 mm。結合水文地質測繪、地面物探、水文測井、抽水試驗(單孔)、水化學分析及同位素測試、巖石物理力學性質測試、動態觀測及工程測量等綜合勘查手段，從多方面獲取地質及水文地質資料信息，經過綜合分析和研究，取得良好的勘探成果。

(2)鉆探工程質量。①勘查過程中，設計鉆孔均要求山西組地層全取芯，直至終孔。②終孔層位。設計鉆孔終孔層位為2號煤層底板10 m，要求終孔層位必須取芯證實，且保證測井需求。③孔深檢查。此次所設計鉆孔均要求于見基巖、見驗收煤層前后10 m、每鉆進100 m、終孔和取灰漿樣均進行孔深檢查，對孔深誤差超限者應進行合理平差和孔深校正。驗收煤層部位出現誤差，均要進行校正。④孔斜測量。凡竣工鉆孔均進行孔斜測量，并按有關標準進行驗收。為防止孔斜，在施工中按有關規定進行中途測斜，并依據測斜資料進行孔斜換算。⑤鉆孔封閉。所有竣工鉆孔都要按封孔設計要求和鉆探規程規定進行封閉，并做好封孔記錄。封閉層段為2號煤層上60 m至終孔全封閉、斷層帶上、下各封10 m，孔口封5 m，并埋暗標或明標。封閉層段的沙漿頂面要取樣檢查，沙漿面低于設計深度5 m者，必須重新補封。封孔所用材料：水泥強度等級應為32級以上，變質失效水泥不得使用。⑥原始資料記錄。各項原始記錄應按統一規定的格式、內容認真填寫，做到數據準確，內容齊全，字跡清楚，并進行評級驗收，合格率≥85%?？傊?，此次布設鉆孔要求各專業人員在編制鉆孔設計時均要嚴格按有關規定做好施工和驗收。

3.4 地球物理測井工作

(1)測井的地質任務。①確定采空區或煤層埋藏深度、厚度、結構和夾矸巖性；②劃分鉆孔巖性剖面，提供煤巖層的物性數據。③利用測井曲線進行煤、巖對比，研究煤巖層變化規律及地質構造；④測定鉆孔孔徑、頂角、方位角。

(2)儀器設備及測井參數方法。①此次地球物理測井采用PSJ-1型數字測井系統，主要儀器設備為PSJ-1型數字采集記錄儀、PSM-1型密度三向探管、PSX-1型數字連續井斜檢測探管、PSV-1型聲波測井儀、PSDF-1型電極系探管、PSWL-1型井溫、井液電阻率探管。數據處理采用河北省邯鄲市工業自動化研究所的《ClogProV2.0》處理系統。對井上、井下儀器，按規范要求定期進行校驗、標定、刻度，其數據要存檔備查。②常規測井采用的參數方法，測試項目視電阻率等[10-11]。

(3)鉆孔數據采集。①對煤、巖層按規范規定的采樣間隔進行數據采集：目的層不大于5 cm；其他層可不大于10 cm(特殊要求除外)。②地質孔含煤層段必測參數不少于4種。其中，自然電位(DZW)、視電阻率(DLW)、自然伽馬(HG)、伽馬伽馬(HGG)4種必不可少；非含煤段不少于3種。③各種參數的測量技術符合規范要求。

(4)單孔提交的圖件。①1∶200、1∶500數字測井綜合成果圖；②1∶50數字測井煤層段綜合成果圖；③測井剖面解釋成果；④測斜記錄表。

4 結語

本文分析了煤礦采空區勘查設計，主要包括收集資料、井下實測、瞬變電磁法、鉆探、地球物理測井等工程，并研究了其工作方法及技術要求。通過對各類資料的搜集整理和綜合研究基礎上，井下實測工作能直接測量出采空區范圍，可以為瞬變電磁法掃面工作提供參數依據，在瞬變電磁法成果的基礎上，對無法進行井下實測的區域進行鉆探驗證，采用該綜合探測方法，能夠有效查明工作區內采空區的范圍及分布。