高河礦W4302工作面地質構造狀況研究

王大力

（山西高河能源有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

我國煤礦地層結構復雜多樣，不同地區的地層千差萬別，由于不同區域地質力學條件的不同，在構造應力的作用下，會形成不同的地質構造，其中斷層以及陷落柱是主要且常見的復雜地質構造[1-2]。由于斷層及陷落柱的存在，為煤礦井下工作面回采帶來了諸多問題，它們破壞了地層原巖應力狀態，使局部地區具有較大的應力集中，從而導致工作面在回采過程中礦壓顯現不規律且來壓作用較強，造成工作面液壓支架壓死，回采巷道圍巖變形嚴重等問題，使得礦井不能安全高效生產，造成嚴重的經濟損失；除此之外，惡劣地質構造還會造成巖層裂隙通道，使得煤層瓦斯聚集以及地下水紊流，容易發生瓦斯大量突出以及突水事故，具有極高的安全隱患。因此，對煤礦井下工作面地質構造的準確勘察，對實現礦井安全高效生產具有重要價值。

1 工程背景

W4302工作面所屬3#煤層，位于山西組下部，距9號煤層55.72～79.70m，平均58.04m。煤層厚5.18～8.44m，平均厚6.71m。含泥巖及炭質泥巖夾矸0～5層，一般1～2層，以距底板約1.2m左右的一層較為穩定（平均厚度0.27m），純煤厚4.85～12.10m，平均6.42m。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質泥巖、深灰色粉砂巖。在回采巷道掘進過程中，發現多處斷層及陷落柱，地質構造較為復雜，因此工作面共分為3個階段進行回采，為探明隱伏的地質構造，利用綜合物探技術對W4302工作面地質構造情況進行詳細分析確定。

2 綜合物探技術

目前針對井下工作面地質構造的勘察手段主要有兩種方法，一種為無線電波透視，另一種為槽波地震勘探。兩種手段各有優劣，無線電波透視對陷落柱及斷層具有較強的捕捉能力，能夠準確分辨構造性質，但是其縱向分辨率不高且傳播距離有限，不能夠準確定位構造位置。槽波地震勘探技術對構造異常區具有較強的反應，其傳播距離大且分辨率較高，但是對構造異常性質難以區分。因此，本文對兩種勘測技術進行綜合使用，對W4302工作面地質構造情況進行綜合探測，并對勘測結果進行分析解釋，以此來對W4302工作面地質構造情況進行精準判斷及定位。

2.1 無線電波透視原理

無線電波透視技術[3]是利用不同煤巖體對電磁波的吸收能力來對復雜地質構造進行勘測，一般完整煤巖體的電磁波吸收能力是不變的，只有當遇見異常地質構造面時，電磁波的能量就會有所損耗，造成信號異常，因此在遇見斷層及陷落柱時，電磁波的能量會被大量吸收乃至完全消失，所以會出現信號接收端收到信號弱甚至收不到信號，造成信號異常。

如圖1為無線電波透視法信號發送與接收原理圖，一般該方法需要在兩條回采巷道內同時進行，一條巷道內布置發射點，另一條巷道布置接受點（圖中為雙發雙收的布置方式）。在發射點巷道向煤層發送一定頻率的電磁波，在接收點巷道進行接收，對電磁波信號頻率變化進行觀測，如果出現信號一定程度的減弱或者收不到信號，證明工作面內具有異常地質結構。

圖1 無線電波透視原理示意圖

2.2 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探[4-5]是利用槽波來對地質構造進行勘探。當向煤巖體中發射地震波時，波能除了向三維空間擴散外，部分波能由于頂底板邊界的反射作用被限制在煤層內，使其在煤層中發生相互干涉以及疊加，從而形成槽波。

根據探測目的不同可將探測方式分為反射、透射以及二者聯合的探測方式，如圖2所示為槽波地震勘探原理示意圖。同樣，地震波在一條巷道內布置發射點，在對應巷道內布置接收點，來對形成的槽波信號進行接收處理，從而判斷煤層地質構造類型及位置。

圖2 槽波地震勘探原理示意圖

3 W4302工作面綜合物探結果分析

通過上述測試方法原理介紹及布置方式，對W4302工作面分別進行無線電波透視及槽波地震勘測，并對得出的結果進行分析。

3.1 無線電波測試結果

無線電波透視在兩條巷道內進行雙發雙收的布置方式，其中發生點間隔為50m，接收點間隔為5m。如圖3為無線電波透視結果，其中冷色代表構造異常區，測試結果共發現5處異常區，分別為圖中顯示的條帶狀及矩形區域，通過分析斷定為YC1為斷層構造，YC2-YC5為陷落柱。可以看出，無線電波透視結果雖然能夠反映出異常地質構造類型，但是其縱向分辨率較差以及傳播距離的限制，導致很難對其的影響范圍進行判定。

圖3 無線電波透視結果

3.2 槽波地震勘探結果

槽波地震勘探布置方式為：在回風巷道以及二三階段切眼巷道內共布置112個發射孔，布孔間距為20m，在運輸巷道及第一階段切眼巷道內布置104個接收孔，布孔間距為20m。通過發射孔對煤層內發生地震波，并在接收孔進行槽波接收，在得到探測范圍內的槽波信號值后，對其進行處理，處理方式分為兩種，一種為SIRT層析成像，一種為BPT層析成像，并依次繪制出槽波衰減系數云圖，根據云圖中槽波能量衰減系數變化特征，來判斷異常地質構造的位置，范圍等異常情況。

圖4 槽波地震勘探結果

如圖4為槽波地震勘測結果圖，由SIRT層析成像法確定了工作面異常區共13處，BPT層析成像法確定了異常區共11處，兩種層析方法分析結果大致相同，基本確定了W4302工作面異常區域范圍及位置，但是兩種方法針對異常區地質構造類型不能給出明確的測試結果，因此需要與無線電波透視結果進行綜合分析確定。

3.3 綜合勘測結果分析

根據兩種測試分析結果，以及W4302工作面原有的詳細地質資料，綜合分析出W4302工作面共有陷落柱5處，斷層12處，以及其他地質異常區9處，這9處異常區可能為煤體變質、構造應力導致的煤巖體破碎以及煤層夾矸等異常所造成。

4 物探結果驗證

為對綜合探測結果進行驗證，進行了工作面回采及打鉆驗證，目前W4302工作面已回采180m，在異常區1中共揭露了6條斷層，其中2條斷層斷距約為6m，4條斷層斷距均小于3.5m，且6條斷層的延伸長度均在異常區1矩形范圍內；通過打鉆的方式對異常區2-9以及探測到的斷層及陷落柱區域進行了驗證，結果表明，異常區2-9為構造應力導致的煤巖破碎區；斷層F1-F12存在，且延伸范圍與探測結果相差不大；陷落柱X1-X5存在，且破碎影響范圍與圈定的范圍基本相同。

綜合分析結果表明，無線電波透視與槽波地震勘測法相結合的綜合勘測法應用效果顯著，兩種方法能夠彌補彼此方法的缺陷，對異常地質構造區域能夠清晰準確的進行探測，判斷異常構造類型、影響范圍及位置，對工作面的安全高效回采提供了有效保障。

5 結論

1）應用無線電波透視對工作面異常地質構造區域進行了探測捕捉，由分析結果表明該方法能夠準確的對異常地質構造類型進行判斷，但是限于其傳播距離的影響，導致其縱向分辨率不高，從而不能準確的對異常地質構造影響范圍進行判定。

2）槽波地震勘測法能夠準確的捕捉到地質異常區，且能夠準確的確定其位置以及影響范圍，對地質異常區具有明顯的反應，但是不能對異常構造類型進行區分。

3）通過將無線電波透視及槽波地震勘測法相結合，能夠準確的對異常地質構造類型、位置以及影響范圍進行確定，從而為工作面安全高效生產提供有力保障。