綜合探測技術(shù)在煤礦斷層探測中的應用研究

曹桂芳

（大同煤礦集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037041）

1 礦井概況

煤峪口礦410 盤區(qū)面積約5 km2，有11#、12#可采煤層。其中，81022 工作面煤層的平均傾角為2°，平均煤層厚度為8.1 m，工作面的整體走向長度為146.2 m，煤層開采長度為730 m，可采儲量約82.6 萬t，煤硬度為2.6。11#、12#煤層81022 工作面在掘進期間頂板裂隙發(fā)育，揭露落差在0.1～4.0 m之間的斷層約27 條。其中，落差在1.0 m 以上的斷層約10 條，影響范圍高達350 m。為此研究使用綜合探測技術(shù)[1]，對工作面的構(gòu)造發(fā)育特征進行探測。

2 槽波地震探測技術(shù)

2.1 槽波地震探測

槽波地震探測技術(shù)是使用煤層作為波導，沿著煤槽的方向進行傳輸，其形成示意圖如圖1[2]。當震源發(fā)生震動，激發(fā)出的槽波沿著煤層的方向傳輸，在遇到斷層界面后，會自動改變槽波的傳輸方向，經(jīng)煤層反射后得到反射槽波信號。同一煤側(cè)幫的檢波器會接收反射后的槽波信號，通過分析和處理反射槽波信號，采用共中心點疊加的方式來判斷斷層的位置。

圖1 槽波形成示意圖

2.2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

在81022 工作面皮帶巷的內(nèi)幫設(shè)計透射觀測控制系統(tǒng)，在軌道巷的外幫設(shè)計反射觀測控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對工作面斷層構(gòu)造的綜合探測。透射法是在皮帶巷的內(nèi)幫布設(shè)炮孔，共施工38 個炮孔，每個炮孔之間留有10 m 的孔距，使用礦用炸藥和1 段雷管放炮作為震源，在軌道巷內(nèi)幫布設(shè)檢波器孔，共施工30 個檢波器孔，每個檢波器孔之間留15 m的孔距，槽波接收信號是通過雙分量型檢波器來接收。反射法是在軌道巷的外幫布設(shè)檢波器孔，共施工14 個檢波器孔，每個檢波器孔之間留有15 m 的孔距，在皮帶巷的外幫布設(shè)炮孔，共施工14 個炮孔，每個炮孔之間留有15 m 的孔距，其中炮孔和檢波器孔相互交錯布置。

2.3 槽波地震探測解釋

對采集到的槽波數(shù)據(jù)進行預處理，提取出350～550 Hz 的高頻槽波埃里震相，經(jīng)波速分析，選擇校正速度為1100 m/s 時是最佳的，通過包絡(luò)、共中心點疊加，得到反射疊加剖面，進而判斷斷層的發(fā)育位置。槽波地震探測成果解釋圖如圖2 所示。

圖2 槽波地震探測成果解釋圖

根據(jù)槽波地震探測結(jié)果，在反射槽波探測范圍內(nèi)，探測長度270 m，反射槽波存在兩個明顯異常區(qū)，根據(jù)反射槽波速度和槽波分布形態(tài)，推斷YC-1 異常區(qū)為陷落柱，YC-2 異常區(qū)為煤層破碎區(qū)，存在一個落差在1.0～2.0 m 的正斷層，斷層延伸距離為250 m。

3 電磁波坑道透視探測技術(shù)

為了驗證槽波探測結(jié)果的準確性，采用電磁波坑道透視探測技術(shù)進行探測，具體方法如下：

3.1 探測方法

采用定點法和同步法相結(jié)合的探測方法[3-4]。定點法是在皮帶巷和軌道巷共布置15 個坑道發(fā)射點；同步法是在軌道巷進行發(fā)射，皮帶巷進行接收，將正常煤層段的坑道透視參數(shù)輸入到電磁波坑透資料采集處理和自動成像地圖處理系統(tǒng)中。其中，最大初始場強H0=144 dB，煤層吸收系數(shù)β=0.52 dB/m，得到測量的綜合曲線圖。

3.2 測點布置

首先對工作面進行全面檢查并布置觀測點，發(fā)射點之間留40～70 m 的間距，接收點之間留10 m的間距，接收點的個數(shù)各不相同，一般可觀測20個點左右。如果發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，再布置多個觀測點，同步測量的觀測點之間留有10 m 的間距。

3.3 探測解釋

綜合分析資料，在皮帶巷與軌道巷之間揭露的火成巖，其巖體連接形成兩個沒有分叉的巖墻。在一個巖墻的左邊，存在8～22 dB 的負值走向異常體，長度約為260 m，推斷為落差1.2 m 的斷層或煤層變薄帶。坑道探測成果解釋如圖3。

圖3 坑道探測成果解釋圖

根據(jù)電磁波坑道探測結(jié)果，工作面內(nèi)有不分叉的巖墻，一個巖墻的左邊是一條落差為0.8 m 的斷層，煤層走向有些許偏差，回采結(jié)果驗證圖如圖4，與槽波探測圈定的異常區(qū)基本吻合，較為準確地查清了工作面內(nèi)的斷層構(gòu)造情況，有效地指導了煤礦生產(chǎn)。

圖4 回采結(jié)果驗證圖

4 定向鉆進探測技術(shù)

在回采定向鉆探過程中，對異常區(qū)進行鉆孔驗證。在層面與鉆孔實鉆發(fā)生巖性突變點A 點的空間剖面位置上、下兩側(cè)，施工分支鉆孔，鉆孔參數(shù)如表1 所示，得到另外2 個突變點A1 點、A2 點。根據(jù)煤層厚度情況，一般控制3 個點間距小于4.0 m，每個鉆孔向上調(diào)整軌跡鉆進，根據(jù)鉆孔的軌跡及周圍巖屑的變化情況，由B-B1-B2 的3 點連線，以及C-C1-C2 的3 點連線，準確判定對盤標志層的底板和頂板位置，經(jīng)反算計算后，可由A-A1- A2 的3點連線，確定斷層面的位置及斷距等參數(shù)。識別斷層示意圖如圖5 所示。

定向鉆進探測總進尺1233 m，在鉆進至268 m時，工作面煤層存在1.0 m 左右的斷層，探測結(jié)果與實際基本吻合，說明使用綜合性的探測技術(shù)，能探測工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造問題。

表1 鉆孔參數(shù)

圖5 識別斷層示意圖

5 結(jié)論

（1）使用槽波地震探測技術(shù)，根據(jù)巷道揭露以及井下資料的綜合分析，探測81022 工作面斷層構(gòu)造，將探測結(jié)果與電磁波坑道透視探測結(jié)果進行對比，并進行定向鉆探驗證。

（2）煤礦工作面綜合探測結(jié)果較為理想，81022 工作面內(nèi)有不分叉的巖墻，一個巖墻的左邊是一條落差為0.8 m 的斷層。綜合探測技術(shù)可有效地探測各種地質(zhì)斷層構(gòu)造及異常體，為安全作業(yè)生產(chǎn)提供了可靠保障，避免了無計劃性地揭露地質(zhì)構(gòu)造帶來的安全問題，創(chuàng)造了不可估量的經(jīng)濟收入和安全效益。