長走向大采寬回采工作面斷層構造探查預測研究

李勝林

（開灤能源化工股份公司 呂家坨礦業分公司，河北 唐山 063100）

當今煤礦隨著礦井機械化程度的不斷提高以及智能化礦井建設的要求，采區工作面的布置越來越趨向于大采寬和長走向，但這種綜采工作面降低了兩巷掘進工程中對工作面內部隱蔽致災因素的控制程度，預測預報工作難度加大，在實際開采工作中，兩巷掘進實見斷層在工作面內部延展變化情況及隱伏構造不清，進而影響工作面安全高效回采的問題比較突出。針對長走向大采寬回采工作面如何做好兩巷掘進實見斷層在工作面內部延展變化及內部隱伏構造的預測預報工作，是一個較大的難題。筆者近年來通過不斷的實踐總結，從基礎資料的綜合分析、加強物探鉆探手段的應用以及強化現場觀測等方面入手，利用多種方法展開聯合探測，進行綜合分析預測預報，能夠較好的解決預測預報難題。本文以呂家坨礦6272 回采工作面為例來進行分析研究。

1 概 況

呂家坨礦-950 二采上采區位于礦井南陽莊-嶺上背斜西翼，區域呈不規則扇形，該區北半部分煤層由西向東大致走向為由NW-SE 向逐漸轉為E-W 向，南半部分煤層以東南角為高點，向四周煤層逐漸降低，傾角3°～15°，平均8°。根據該區域和相鄰區域三維地震勘探資料、地面孔資料以及實見資料分析，該區未發現陷落柱、古河流沖刷等構造、巖漿巖侵入等現象。該區域斷層主要以張性斷裂構造為主，斷層走向主要為NE-SW 向，影響該區回采主要斷層有62 條，控制程度均為可靠，其中落差大于10 m 的斷層3 條，落差為6～30 m 的F4′正斷層為巷道實見，此斷層對采區的設計影響較大。該區域目前只在7 煤層布置了采掘工程，上伏5 煤層和下伏8、9、11、12 煤層均暫尚未布置采掘工程。

6272 工作面是該區域7 煤層回采的第三個工作面，走向長度900 m，傾斜長度190 m，平均煤厚3.7 m。工作面掘進工程完工后，共揭露斷層19條，斷層走向均呈NE-SW 向，符合區域應力方向特征，其中落差大于4 m 的斷層3 條，分別為f6271-50、62f3 和DF21，如圖1 所示。綜合分析，該工作面地質構造較為復雜，斷層是影響工作面安全回采的主要因素，其中6271-50 和62f3 斷層落差大于煤厚且初步預測斷層走向與采面夾角較小，工作面通過斷層十分困難，將對回采造成極大的影響，DF21 斷層在停采線以外，回采過程中揭露不到該斷層。

圖1 6272 工作面掘進現場實測收錄構造示意Fig.1 The diagram of structures measured by excavation on site and collected in No.6272 face

為精確查明6272 工作面兩巷實見斷層在工作面內部的延展變化情況和內部隱伏構造發育情況，以便指導施工單位提前制定相應安全技術方案，有計劃的揭露地質構造，保證安全高效回采，在基礎地質資料綜合分析成果的基礎上強化物探和鉆探手段，利用無線電坑透、地質探測儀及鉆探等手段開展精細化綜合探測。

2 綜合探測分析方法及成果

2.1 坑道無線電波透視法

坑道無線電波透視法是以不同巖性的巖層對電磁波的吸收能力差異，以及構造面對電磁波產生的折射、反射作用理論為基礎，通過在相鄰巷道每隔一定的距離發射電測波，在巷道接受電磁波信號，依據探測區域的電磁波能量變化圈定地質議程區域。該方法適用于探測工作面內部的陷落柱、斷層等小構造、沖刷帶范圍、煤厚變化范圍和瓦斯富集區等。

該項探測安排在工作面回采前，采取定點法，發射機相對固定，接收機在一定范圍內逐點觀測其場強值。首先以皮帶巷為發射巷道，軌道巷為接收巷道，在皮帶巷測點G8 處發射至切眼位置，每60 m 布置1 個發射點，期間軌道巷從測點P5 后25 m處開始，每10 m 接收一次數據，前進120 m，后退60 m 重復上一操作，以此類推；皮帶巷發射完畢后，切換到軌道巷為發射巷道，皮帶巷為接收巷道。皮帶巷和軌道巷分別布置18 個發射點，共計36 個發射點，每個發射點發射3 min，搬站2 min。將采集數據進行處理分析并解釋，探測范圍內共存在2 個構造區，如圖2 所示。

圖2 6272 工作面無線電坑透成果Fig.2 The results of radio wave tunnel perspective in No.6272 face

Ⅰ號構造區：根據探測資料分析，該區域的探測數值較小，依據鄰近區域工作面揭露的水文地質條件分析，該區域內沒有含導水構造，因此不受水害威脅，出現探測數據變化可能受f6271-50 斷層的影響，此區域頂板破碎。

Ⅱ號構造區：根據探測資料分析，該區域的探測數值較小，依據鄰近區域工作面揭露的水文地質條件分析，該區域內沒有含導水構造，因此不受水害威脅，出現探測數據變化可能受DF21、f6271-3、f6271-4 和f6271-5 等斷層的影響，此區域頂板破碎。

綜合分析，此次探測范圍內沒有含導水構造，不受水害威脅。兩巷實見斷層，對位于工作面兩端的f6271-50 斷層（落差4.0 m） 和DF21 斷層（落差6.5 m） 均給出了影響范圍，但位于工作面中部的62f3 斷層（落差4.8 m） 未解釋異常，需進一步探測分析。

2.2 地質探測儀

目前地震波主要分為體波和面波兩大類，體波包括縱波（P 波） 和橫波（S 波），面波分為銳利面波和勒夫波。此次探測使用KDZ1114-6A30 地質探測儀，該儀器主要是P 波，頻帶0.5～5 000 Hz，而沉積巖的頻帶在50～2 000 Hz，其中煤層的頻帶集中在100～130 Hz，因此KDZ1114-6A30 儀器可以有效探測和區分煤層和其他巖石界面的差異，P波在探測煤層、煤厚、斷層前后巖性的變化、火成巖與煤層的關系和采空區探測等方面具有更好的性能。

使用地質探測儀探測的主要目的是進一步查清掘進工程揭露的落差較大斷層在工作面內的延展方向、落差變化趨勢及影響范圍，為工作面施工提供準確的地質依據，因此該項探測安排在回采期間進行。正常情況下每回采50 m 進行1 次超前震波探測，對于兩巷已實見的落差較大的斷層，在距斷層60 m 進行1 次超前探測。

此處以探測f6271-50 斷層為例進行說明，探測時間安排在6272 采面回采至距f6271-50 斷層在皮帶巷揭露位置60 m 時，分別在采面第100 組、70 組和40 組支架位置附近，垂直煤壁水平向采面前方探測，采用外觸發模式（信號接收器呈水平布置，接收器間距0.5 m） 進行探測，如圖3 所示。

圖3 6272 工作面地質探測儀施工布置示意Fig.3 The construction layout of geological detection instruments in No.6272 face

此次探測施工探測3 組數據，探測距離分別為50、60、50 m。第100 組支架位置垂直采面水平探測，探測成果波長數據在11 m 和48 m 左右位置發生變化，波長缺失，數據減小；第70 組支架位置垂直采面水平探測，探測成果波長數據在11 m 和42 m 左右位置發生變化，波長數據變小、缺失；第40 組支架位置垂直采面水平探測，探測成果波長數據在9 m 和26 m 左右位置發生變化，波長數據變小、缺失。三組數據中的兩組11 m 和一組9 m 的探測異常距離探測盲區較近，因此不作為參考依據，如圖4 所示。

圖4 6272 工作面地質探測波形圖Fig.4 The waveform diagram of geological detection in No.6272 face

此次探測探查了f6271-50 斷層的預計走向趨勢及其附近煤層變化情況，最終解釋斷層延展方向偏向采空區，如圖5 所示。

圖5 6272 工作面地質探測儀探測f6271-50 斷層成果Fig.5 The results of F6271-50 fault detection by geological detection instruments in No.6272 face

2.3 鉆 探

鉆探手段主要針對回采范圍內掘進揭露落差較大的f6271-50 斷層和62f3 斷層，在前期工作的基礎上，鉆探施工能有針對性的合理布設鉆成和鉆孔，開展鉆探工作，對影響回采的地質構造進行精準控制，為工作面安全高效回采，提供準確的地質資料。

對于f6271-50 斷層，第一次鉆探施工安排在工作面回采至距地質探測儀探測解釋f6271-50 斷層揭露位置5 m 處，利用德國風鉆在采面探測，探測后未發現斷層，經過分析后決定采面繼續正常退采。根據回采的實際揭露情況，第二次鉆探施工安排在工作面回采至距f6271-50 斷層軌道巷實見位置30 m 處，從采面設計鉆孔進行探測，共施工6個鉆孔，總工程量239.8 m，通過鉆探施工分析控制了f6271-50 斷層在工作面內部的延展方向及落差變化情況，如圖6 所示。

圖6 6272 工作面探測f6271-50 斷層鉆孔成果Fig.6 The drilling results of f6271-50 fault detection in No.6272 face

對于62f3 斷層，在6272 軌道巷設計地質鉆孔對62f3 斷層進行探測，此次探測共設計4 個鉆孔，根據鉆進施工情況，最終施工了8 個鉆孔，總工程量262.5 m。經過鉆孔分析控制了62f3 斷層在工作面內部的延展方向，如圖7 所示。

圖7 6272 工作面探測62f3 斷層鉆孔成果Fig.7 The drilling results of 62f3 fault detection in No.6272 face

3 探采對比

6272 工作面目前已安全回采完畢，回采工程中未揭露陷落柱等地質異常體。推斷6271-50 和62f3 斷層在工作面內的延展情況與實際揭露較為吻合。此次地質構造綜合探測效果良好，不僅能有效結合各種探測方法的優勢，較為準確的圈定地質構造賦存位置，推斷構造的影響范圍，實現了采前地質構造精準預測預報。

4 結 論

長走向大面寬回采工作面地質預測預報工作中應從以下方面入手。

（1） 加強物探工作。根據各種物探方法的特點結合實際地質情況，有針對性的開展物探工作。做好物探探采對比，在總結成功勘查實例基礎上總結失誤的原因，研究切實可行的解決辦法，在實踐中逐步提高物探技術水平。

（2） 多開展超前鉆探工作。物探手段雖然操作簡單，成果體現快，但是容易受井下環境因素的影響而形成物探盲區，物探結果較容易出現一定誤差。因此在物探基礎上，加上鉆探驗證手段會使預測預報更準確，而且通過鉆探也可以確定構造的準確位置及影響范圍。

（3） 夯實地質預報基礎資料。物探、鉆探只能作為一種探測手段，來對未知區域進行一種推測性預測，地質構造揭露現場情況才是對構造進行定性判斷、延伸趨勢的第一手資料。煤礦常見的地質構造斷層、褶曲最重要的因素是落差和構造延伸趨勢，這些通過物探、鉆探都是無法準確掌握的。因此，對于地質構造的準確預測預報，必須有大量基礎的、現場原始資料做依據。這就必須從原始記錄本到地質構造卡片再到各類剖面圖等，只有完善、充實了這些最基礎的地質資料，今后的地質預測工作開展起來才能有據可查。

（4） 加強現場跟蹤觀測。工作面過構造是一個潛在隱患較多的施工過程，現場情況復雜多變。因此過構造期間，地質人員應及時對構造跟蹤觀測，并針對現場變化情況提出專項預報，指導施工單位及時修改過構造措施，確保安全過構造。