煤礦井下過斷層地質構造技術研究

張歷峰 王路

摘要：煤礦井下煤炭生產的采集深度逐年遞增，這帶來了一系列技術、安全問題，巷道過斷層施工是其中一項，急需我們提高開采技術，增強管理能力，以避免安全事故的發生。本文主要分析了煤礦井下過斷層的技術方法，介紹了調整割煤高度、割頂底煤過斷層、沿斷層走向掘進巷道等技術方法，同時分析了超前探測等技術對采區地面探查和物探鉆探一體化方法的探查研究，通過該方法來更好地確定斷層結構狀態，對于過斷層作業來說具有指導性意義，更能有效地保障煤礦過斷層的施工安全。

關鍵詞：過斷層;煤礦;巷道掘進;超前預報;地質勘探

中圖分類號：TD163? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

長期以來地質條件是限制煤炭開采的一個重要因素，目前國內煤炭生產近85%由地下開采完成，在煤炭礦井的建設工程中，無論是巖石巷道還是煤層巷道都會遇到各種各樣復雜的地質條件，由此給煤炭生產帶來極大安全問題，有時甚至是毀滅性的災難[1]。斷層就是其中一種，作為地殼運動后產生的一種常見性多發性地質現象，極易在巷道掘進中遇到。破碎的斷層地質條件給斷層區域巷道支護帶來極大的難度。在巷道通過時極易引發某些地質災害，如突水、冒頂等，給煤礦安全生產帶來極大的隱患。因此，一直以來國內外專家學者對于巷道過斷層時的超前探測技術以及支護技術的研究從未間斷[2]。合理且行之有效的過斷層技術是煤礦采集掘進工作中的重點。同時，采用先進的超前預報探測技術對于過斷層工作具有指導性意義。

1? ? 過斷層技術概述

1.1 平巷過斷層技術

在煤礦井下巷道的掘進作業中，水平巷道作業時遇到的煤礦斷層均可認定為傾向性斷層，當巖體完整壓力較小，同時無滲水時，挖掘可以沿斷層進行，直至新煤層為止。當掘進中巖層破碎且受壓力較大時，應快速穿過斷層并在另一巖層中以平行斷層走向的方向繼續掘進。

1.2 傾斜煤礦巷道過斷層技術

當在傾斜巷道中進行掘進時，遇到斷層后，需要及時改變巷道前進坡度，從而對斷層走向、傾向進行檢測。在斷層落差較煤層厚度要小的時候需要采用挑頂或是臥底的方法來對其他煤層進行探測。當斷層落差較大時，可通過選擇斷層石門進的方式來挖掘另一煤層，從而確保煤炭采集總量。

1.3 過大斷層技術

煤礦巷道掘進過程中，大斷層對于掘進工作安全具有較大安全隱患，因此，在遇到大斷層時，應該及時采取措施對斷層巖石進行注漿加固，同時快速通過斷層，確保作業安全。

2? ? 煤礦井下掘進面過斷層技術

煤礦井下掘進工作面過斷層技術主要可以分為調整割煤高度、割頂底煤過斷層，以及沿斷層走向掘進巷道的方法來通過斷層[3]。

2.1 對割煤高度進行調整

在煤礦井下掘進中，通過對割煤高度進行調整對于掘進工作面過斷層有較大幫助，調整割煤高度之前需要對斷層與工作面之間的長度進行合理的計算，從而為割煤高度的調整提供可靠的依據。一般情況下，頂底煤的預留厚度在100～150 mm內，以保證采煤機的切割厚度[3]。調整割煤高度的方法來過斷層有一定的弊端，主要是該方法所需斷層高差較小，當斷層高差較大時則不適用。

2.2 割頂底煤過斷層

割頂底煤過斷層的方法需要將切割高度控制在半米內，如超出半米，則需要相關技術人員對割煤工作進行預防松動炮等輔助性工作，并且正式切割前可以采取爆破的方式來對采煤機的阻力進行一定的削減[4]。

在實際操作中，采煤機的作業位置應在斷層處稍加傾斜，便于其進入斷層。

2.3 沿斷層走向掘進

掘進時需要對遇到的較小障礙物進行清除，技術人員應提前對前方斷層的走向進行分析，從而確定行進路線。沿斷層走向的掘進作業中，還需注意需要隨時將破壞的巖石進行清除，沿斷層走向掘進的方法可以提高掘進效率，同時降低行進過程中需要切割的巖體量。但同時，沿斷層走向掘進也會帶來更大的作業風險，在掘進的同時，需要對支護及通風工作進行加強，避免安全事故。

3? ? 超前探測技術

地質超前探測技術在工程地質以及礦山地質的開采工作中應用廣泛。其工作原理主要是通過地球物理場來對巷道前進方向的地層結構進行研究，從而明確巷道前方的地質情況，對不良地質體進行定位及預先警示[5]。

目前國內外普遍采用的物探超前探測技術可以根據其應用的物理場性質的不同分為以下幾類，即研究彈性波的地震勘探方法、應用電磁波但采用地震勘探技術的地質雷達法以及通過電磁場進行超前探測的電法勘探方法（瞬變電磁等）[5]。不同方法所適用的范圍及其精度均不同，因此，方法的選擇需要根據實際的地質情況來進行選擇。在條件允許的情況下，可采取多種物探方式進行聯合測試以彌補各自的缺陷，從而達到更好的測試效果。同時在實際實施過程中，可以通過鉆探的方式來對物探結果進行修正，減少多解性，大幅提升物探方法的準確性及探測精度。

物探超前探測方法，按照其布設空間又可以分為巷道空間、鉆孔空間等。

3.1 巷道空間超前探測技術

3.1.1 MSP礦井地震波超前探測

該技術主要在礦井巷道中的有限空間中進行作業，在煤礦礦井中，尤其可能存在易燃易爆氣體，因此只能通過錘擊的方式產生彈性波，MSP法主要的探測對象為巷道迎頭前方的地質體，并且由于地震波是基于物體波阻抗差異來進行探測的方法，它對于地質體中的斷層、陷落柱、空洞等異常地質體較為敏感。錘擊作為激發源時的最大有效探測深度通常為50 m左右，精度可達到1 m。

MSP法的觀測系統如圖1所示，當數據采集完畢后，提取信號中的縱波進行深度偏移成像，即可對測試前方的地質體有直觀的展示，典型的測試結果圖如圖2所示：

從圖2中可以明顯看出，在R1、R2、R3（108～151 m）處存在較明顯的反射信號，說明該處地層波阻抗發生了變化，因此，結合地質資料可以判定該位置存在斷層。

3.1.2 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法的探測原理是基于巖體同地下地質構造間所存在的導電性的差異，通過電磁線圈來向地質體中發射一次脈沖電磁場。在脈沖過程中，間斷的瞬時時間內，通過儀器上的線圈來對被測物體產生的感應電磁場即二次場進行觀測，從而對二次場進行研究，實現對被測結構的物理特性規律進行研究的一種物探方法[6]。

而礦井瞬變電磁法的基本原理同瞬變電磁法相同，差異在于井下的可操作空間小，因此，用于發射接受電信號的線圈更改為周長小但匝數增多的小線圈。相比瞬變電磁而言，礦井瞬變電磁法的有效探測深度會大打折扣。一般情況下，可以探測前方100 m內的地質富水區域。

3.1.3 地質雷達法

地質雷達法是一種基于電磁波的無損探測技術，其原理是通過發射天線來發射高頻的電磁信號并且接受其在地質體內部的反射信號來研究被測物體內部情況的技術。

地質雷達法能夠在礦井巷道中對地層中的斷層、空洞、富水區域有明顯的反映，其測試深度同采用的雷達天線頻率有關，通常100 MHZ天線的超前預報有效深度在20～30 m左右，其精度較高。典型測試結果剖面圖如圖3所示，當地層中巖層破碎時，電磁波信號反射能量會增強，且反射同相軸不連續。

4? ? 過斷層施工流程

過斷層施工具有一定的風險性，因此需要提取對采取斷層數量及位置進行摸排。在巷道過斷層施工難度大的區域需要對可能遇見的施工風險問題進行充分考慮。在施工技術的層面上來說，應該就煤礦井下巷道的施工前掌握各斷層具體的位置，同時還需要對巷道周邊的圍巖地質條件有詳細的了解和把握[5]。

4.1 地面探查

在過斷層施工前，應該進行地面探查，且地面探查技術是超前探測技術的主要工作空間之一。地面探查通常采用物探及鉆探相結合的方式進行，目的是對采取地質結構進行詳細的了解。

4.2 斷層循環超前探查

斷層的超強探查通常采用的物探方法為瞬變電磁、直流電法、MSP地震法等，建議采用多種物探方法進行聯合勘探。例如可采用直流電法同瞬變電磁法進行配合，直流電法對于淺部異常更明顯，而瞬變電磁對于深部的異常較直流電法要更加明顯。

4.3 超前鉆探

在物探工作的基礎上，通過鉆探法來進行驗證及控制。

4.4 孔內超前探測

利用鉆孔來進行物探超前探測，可以提升探測范圍及精度。

5? ? 結語

在煤礦井下的過斷層技術施工中，除了選擇適合的施工技術外，還應在施工前做好地質超前探測工作，提前明確采取地質圍巖條件、斷層位置、隱藏地質災害等，并且對可能出現的問題提前做好預案。物探方法的選擇上應該多樣化，充分考慮各自優缺點，從而形成互補。合理地應用技術、加強施工安全管控，只有這樣才能更好地保證煤礦井下掘進工作的進度及效率。

參考文獻

[1] 代文磊，宋鵬偉.煤礦掘進工作面過斷層安全施工研究[J].大科技，2014（16）：214-215.

[2] 毛強.司馬煤礦掘進工作面過斷層時主、被動聯合支護技術[J].煤，2014（8）：69-70.

[3] 李鵬.煤礦掘進工作面過斷層技術方法研究[J].石化技術，2020，27（5）：256，258.

[4] 馮福現.煤礦掘進工作面過斷層安全施工研究[J].建筑工程技術與設計，2016，11（2）：567.

[5] 薛大偉.錢營孜煤礦石門過斷層技術及管理研究[D].徐州：中國礦業大學，2019.

[6] 尚中磊. 瞬變電磁法在煤礦礦井中的應用研究[D].太原：太原理工大學，2012.