煤峪口礦首采工作面復雜地質條件“四位一體”綜合探測技術研究

郭興泉

（晉能控股煤業集團地測勘探公司，山西 大同 037000）

1 背景介紹

晉能控股煤業集團煤峪口礦井田位于大同煤田向斜的東北端，大部位于向斜東南翼。上覆對應多層侏羅系采空區，因條件不足，無法開展地面三維地震勘探工作查明井田范圍內地質構造發育情況，分析開拓區域地質條件僅靠地面鉆孔、上覆侏羅系實際揭露及周邊礦井資料，可能存在以下問題：一是據井田范圍內地面鉆孔資料分析，存在多處煤層底板等高線異常區域；二是據周邊石炭系已開采礦井，礦井石炭系延伸區域地質條件相對復雜；三是在石炭系三條盤區大巷掘進期間揭露多條隱伏斷層、煤層不同程度受無規律火成巖侵入，給巷道掘進及支護增加困難，綜上所述隱伏地質構造將給礦井開拓部署造成一定的影響。

C3-5#層8101 工作面為石炭系延伸首采工作面，能否按期圈出對礦井的整體銜接計劃及生產至關重要。兩順槽設計長度均為938 m，煤層厚度9.1~32.3 m，平均煤厚17.4 m，煤層傾角3~12.5°，2101 巷、5101巷分別掘進至538 m、762 m 處受斷層及火成巖影響，工作面迎頭均為全巖，利用履帶式全液壓坑道鉆機超前探測，兩巷共計施工16 孔，工程量1 480 m，由于鉆孔無法控制偏斜情況，探測結果進行分析后無法確定掘進前方地質構造及煤層賦存情況，故采用綜合探測手段為礦井首采面圈出提供技術支撐。

2 研究技術路線

2.1 收集井田及周邊地質資料綜合分析研究

首先,收集井田及周邊永定莊、同忻礦地質資料，分析區域煤層及構造發育情況；其次，井下收集巷道已揭露的巖石巖性、發育特征等內容，據此設計探孔數量及鉆孔參數；配合井下鉆孔探測，在地面布置補勘鉆孔，以便在更大范圍獲取地質信息；最后利用各鉆孔成果數據及收集資料進行綜合分析研究，繪制兩順槽掘進前方預想剖面圖，進一步確定地質構造發育及煤層賦存情況，為地質構造發育的規模及空間展布特征的確定提供依據。2101、5101巷井下迎頭情況見圖1。

圖1 2101、5101巷井下迎頭情況

2.2 “四位一體”綜合探測技術體系

首先采用普鉆超前鉆探，其次采用槽波地震探測方法進行探查，其中包括：工作面雙透反槽波、2101 巷反射槽波、5101巷、2101巷槽波超前探測，最后利用井下千米定向鉆探手段對該區域物探異常區、煤層賦存及構造發育情況進行專項探測分析，根據綜合探測成果修繪兩順槽掘進前方預想地質構造、煤層賦存剖面圖，進一步驗證該區域煤層賦存及構造發育情況，為礦井下一步掘進提供可靠的地質依據。

3 探查工程

1）地面補勘工程

為進一步查清該區域地質構造發育及煤層賦存情況，前期已施工10 個地面補勘孔，工程量6 538 m。基本探明了該區域煤層發育情況，彌補了補勘不足的問題。

2）8101工作面透、反射槽波探測工程

確定在5101 巷、2101 巷分別布置激發點和接收點，測線總長度為970 m，其中5101 巷長550 m，2101巷長420 m。采用透射槽波能量CT 成像法、反射槽波疊后偏移成像法進行數據處理，反射異常與透射異常存在部分區域重合，結合礦方提供的地質資料進行綜合分析，其異常區如圖2所示。DZ1、DZ5解釋為斷層，DZ2 為夾矸或煤層破碎，DZ3 為頂板冒落影響，DZ4 為多斷層引起的煤層破碎帶。

圖2 8101工作面地震槽波勘探綜合地質成果解釋圖

3）2101巷反射槽波探測工程

在2101 巷東側施工反射槽波探測，設計46 炮，實際完成45 炮（P39 塌孔）；2101 反射槽波設計46 道，實際布置46 道。依據巷道的反射槽波疊后偏移成像圖（見圖3），結合地質資料成果解釋工作面存在1處異常區，該異常成條帶狀，走向與測線走向夾角約18°，結合地質資料，推斷該異常為煌斑巖侵入所致。

圖3 2101巷反射槽波疊后偏移成果圖

4）2101、5101巷超前槽波地震探測工程

2101、5101 巷超前探共設計28 炮，實際放炮28炮。2101、5101 巷超前探共設計112 道，實際布置112道。

5101 巷超前探測成果解譯左、右幫各存在3 處異常區。綜合對比分析左幫和右幫成果，并結合地質資料，對反演成果進行綜合推斷和解釋，DZ7 異常（左幫YC1 異常、右幫YC4 異常）推斷解釋為煌斑巖侵入界面；DZ8異常（左幫YC2異常、右幫YC5異常）推斷解釋為斷層；DZ9異常（左幫YC3異常、右幫YC6異常）推斷解釋為斷層。5101巷超前探測平面圖見圖4。

圖4 5101巷超前探測平面圖

2101 巷超前探測成果解譯左、右幫各存在3 處異常區。綜合對比分析左幫和右幫成果，并結合地質資料，對反演成果進行綜合推斷和解釋，DZ10異常（左幫YC1 異常、右幫YC4 異常）推斷解釋為煌斑巖侵入界面；DZ11 異常（左幫YC2 異常、右幫YC5 異常）推斷解釋為斷層；DZ12 異常（左幫YC3 異常、右幫YC6 異常）推斷解釋為斷層。2101巷超前探測平面圖見圖5。

圖5 2101巷超前探測平面圖

5）井下定向鉆探工程

為了進一步驗證及探明掘進前方構造發育及煤層賦存情況，在較復雜的2101巷施工2個定向鉆孔，工程量為270 m，已基本探明其構造發育及煤層賦存情況，結合物探、鉆探及地面鉆孔資料繪制了兩順槽預想剖面圖如圖6所示。

圖6 2101巷及5101巷預想剖面圖

6）井下探孔窺視技術

針對物探異常區共施工20 孔，工程量1 600 m，分別對2101 巷6 孔、5101 巷8 孔進行測斜，同時使用YCJ90/360 型礦用鉆孔測井分析儀實測14 孔，更為準確地分析掘進前方構造及煤層賦存發育情況，如圖7所示。

圖7 鉆孔測斜、軌跡及曲線圖

7）驗證成果綜合分析研究

根據物探、鉆探成果及地面鉆孔資料繪制了C3-5#層2101 巷及5101 巷地質探測成果圖，通過兩順槽實際揭露情況與之前預計地質構造、火成巖影響區域位置及煤層賦存情況進行對比發現，結果相差不大，證明綜合探測技術成果能進一步提高預測預報精度同時給礦井順利圈出工作面提供可靠的地質保障。

4 應用推廣及經濟效益

1）準確、可靠的地質資料是指導礦井生產部署的依據，受當前勘探手段的局限，我們主要依靠鉆孔及地震成果獲取地質資料，因此，在構造發育復雜區域，常常由于煤層賦存突變或揭露隱伏構造而影響采掘，甚至影響到采區部署。在巷道掘進過程中，掘進經濟成本動輒每米上萬元，不合理的工作面設計不僅造成重大的經濟損失，也造成不可再生資源的浪費，因此采取綜合的構造探測手段，提供準確的地質資料，可以及時調整采區或工作面布置，節約大量的資金及資源。

2）本研究成果為煤峪口礦首采工作面起到了技術支持作用，根據物探成果，針對重點區域僅施工15 孔（其中定向鉆孔2 個）已基本探明其地質條件，減少鉆探進尺約1 500 m，節約成本約15 萬元，同時解決了礦井提前拐切的難題，保障礦井石炭系水平延深建設整體進度，工作面可采儲量增加了110 萬t，保證按時投產并完成目標值，給后續礦井開拓提供了地質依據，降低了無效進尺，提高了生產效率，保證了礦井安全生產。

3）槽波探測不僅在煤巷中驗證效果較好，在巖巷或者半煤巖巷道中也可以施工探測地質構造。不僅可以探測巷道周圍的斷層，也可以探測陷落柱、破碎帶以及巖漿巖侵入，同時對構造中導水導氣也有一定的預測作用。

通過研究綜合物探技術可以有效判斷工作面掘進及回采區域隱伏地質構造發育、火成巖侵入及煤層賦存情況，結合相關常規地質分析手段，綜合資料分析，可進行全面、多方位的探查，提高預測預報精度，為煤礦安全生產提供有力技術手段。針對掘進工作面前方隱伏地質構造的預測預報具有一定的推廣價值。