綜合探測(cè)技術(shù)在三元煤業(yè)DF1 正斷層探測(cè)中應(yīng)用

秦泰山

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 概 況

斷層作為一種常見的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)影響很大。按照斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況斷層可分為正斷層、逆斷層和平移斷層，斷層形成后，上盤相對(duì)下降，下盤相對(duì)上升的斷層稱之為正斷層。斷層具有不可控性，小的斷層延伸不過幾米，對(duì)煤礦生產(chǎn)影響較小，但大的斷層可延伸幾百甚至上千米，這對(duì)煤礦的生產(chǎn)影響是巨大的。斷層破壞了煤層的連續(xù)性，依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，當(dāng)斷層落差較大時(shí)，需要留設(shè)保護(hù)煤柱，這就影響了產(chǎn)量。工作面回采時(shí)遇到斷層，斷層附近的煤很難回采，影響了工作進(jìn)度和回采量。斷層的發(fā)育導(dǎo)致其圍巖破碎，高瓦斯礦井和水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井掘進(jìn)巷道遇到斷層時(shí)易發(fā)生煤與瓦斯突出和突水事故。因此，在巷道掘進(jìn)和工作面回采前有必要查清隱伏斷層的位置和產(chǎn)狀，為工作面安全順利回采提供可靠的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料。

三元煤業(yè)礦井井田占地面積22.935 km2，原煤儲(chǔ)量約4.12 億t，可采儲(chǔ)量約2 億t?？刹擅簩訛?號(hào)煤、9 號(hào)煤和15 號(hào)煤。主采煤層3 號(hào)煤為優(yōu)質(zhì)瘦煤，具有中等灰份、低硫、低磷、高發(fā)熱量的優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力煤和配焦煤。4326 工作面為3號(hào)煤綜采工作面，4326 工作面切眼的掘進(jìn)受DF1正斷層的影響。因此，為保證4326 工作面安全回采，采用物探和鉆探綜合探測(cè)技術(shù)，對(duì)三元煤業(yè)DF1 正斷層進(jìn)行探測(cè)和驗(yàn)證。

2 DF1 正斷層情況

三元煤業(yè)4326 工作面目前為主采工作面，運(yùn)輸順槽和軌道順槽已按掘進(jìn)設(shè)計(jì)完成工作量，切眼正在掘進(jìn)。依據(jù)三維地震成果，DF1 正斷層位于勘探區(qū)南部，錯(cuò)斷3 號(hào)、15-3 號(hào)煤層，為走向北東，傾向南東，傾角約69°左右的正斷層。斷層由勘探區(qū)東部向西南延伸至區(qū)外，區(qū)內(nèi)控制長(zhǎng)度約為2 740 m。斷層在3 號(hào)、15-3 號(hào)煤層上最大落差分別為28 m 和30 m。在三維地震時(shí)間剖面上反射波同相軸錯(cuò)斷明顯，斷點(diǎn)成像清晰，斷層特征明顯，該斷層在高河井田有工程揭露但落差較小（約10 m），綜合分析其為控制可靠斷層。

成果圖（圖1） 中顯示4326 切眼西北側(cè)距DF1 正斷層約70 m。DF1 正斷層的存在使4326 切眼的掘進(jìn)存在安全隱患，因此有必要提前查清DF1正斷層的詳細(xì)情況。

圖1 DF1 斷層在三維地震時(shí)間剖面上的顯示Fig.1 The display of DF1 fault on threedimensional seismic time section

4326 切眼是4326 回采工作面的回采巷道，其主要用途是用于4326 回采工作面采煤機(jī)的安裝工作。工作面巷道底板標(biāo)高在490—494 m，采用錨網(wǎng)索、鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)方式。掘進(jìn)巷道的煤層為3 號(hào)煤層，埋藏深度445～449 m，煤層厚度穩(wěn)定。

4326 切眼掘進(jìn)過程中主要水患為K8 砂巖裂隙水及3 號(hào)煤頂板砂巖裂隙水，因靠近DF1 正斷層，不能排除DF1 正斷層附近區(qū)域時(shí)可能伴生小型地質(zhì)構(gòu)造或受DF1 正斷層影響存在導(dǎo)通底板奧灰水和二疊系砂巖水的通道。

根據(jù)4326 運(yùn)輸順槽已掘資料并結(jié)合三維地震資料分析4326 切眼工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單，局部煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育。受層間滑動(dòng)構(gòu)造、臨近DF1 正斷層構(gòu)造影響，掘進(jìn)期間可能存在頂斷底不斷現(xiàn)象，夾矸局部變厚，導(dǎo)致頂、幫破碎，煤質(zhì)酥軟，巷幫局部節(jié)理發(fā)育，容易造成局部片幫。

鑒于以上情況，計(jì)劃在切眼位置對(duì)DF1 正斷層進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)和探測(cè)來判斷其富、導(dǎo)水性及斷距。遵循礦井地質(zhì)勘探物探先于鉆探的原則，在鉆探施工前先設(shè)計(jì)物探，對(duì)于物探的異常區(qū)再做有針對(duì)性的鉆探驗(yàn)證工作，即采用物探和鉆探相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)對(duì)DF1 正斷層進(jìn)行詳查。

3 物 探

3.1 物探設(shè)備選擇

根據(jù)探測(cè)目的、地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，此次物探采用瞬變電磁技術(shù)對(duì)DF1 正斷層的含水性進(jìn)行探測(cè)。瞬變電磁具有對(duì)低阻體敏感、純二次場(chǎng)觀測(cè)、施工效率高等特點(diǎn)。此次瞬變電磁工作采用加拿大GEONICS 公司PROTEM CM 瞬變電磁儀。工作現(xiàn)場(chǎng)接收、發(fā)射框間距10 m，發(fā)射頻率25 Hz。發(fā)射框尺寸1 m×1 m，接收線框?yàn)?D 線框。積分時(shí)間15 s，數(shù)據(jù)采集采用30 門。

3.2 物探設(shè)計(jì)

此次瞬變電磁在4326 切眼進(jìn)行施工，設(shè)計(jì)探測(cè)角度為外幫+40°、+20°、0、-20°、-40°、-60°，共6 個(gè)角度，測(cè)點(diǎn)間距10 m，共完成多角度測(cè)線長(zhǎng)240 m，如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁超前探測(cè)工作設(shè)計(jì)示意Fig.2 The design diagram of transient electromagnetic advanced detection work

3.3 物探成果

此次瞬變電磁沿探測(cè)方向解釋距離為120 m，盲區(qū)20 m，解釋成果如圖3 所示。圖中視電阻率的分布規(guī)律采用深淺不同的漸變顏色表示。不同色界代表視電阻率相對(duì)高低，數(shù)值越小，視電阻率越低，富水性相對(duì)越強(qiáng)。在巖層整體連續(xù)性較好的情況下，視電阻率等值線基本上反應(yīng)了煤系地層垂向的變換規(guī)律，沿巷道走向等值線延展連續(xù)性較好，而沿探測(cè)方向等值線成遞變規(guī)律性變化。

圖3 瞬變電磁探測(cè)視電阻率對(duì)數(shù)等值線斷面示意Fig.3 The section diagram of transient electromagnetic detection apparent resistivity logarithmic contour

從圖3 中可看出探測(cè)范圍內(nèi)視電阻率曲線呈規(guī)律性分布，整體上比較高，視電阻率等值線連續(xù)延展較好，說明探測(cè)范圍內(nèi)巖層整體含水性弱，沒有大的含水異常體存在。故判定DF1 斷層不含水。

4 鉆 探

鉆探是對(duì)物探的驗(yàn)證，也是最直接、最有效的異常區(qū)驗(yàn)證方式。它具有精度高、直觀性強(qiáng)、適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)。目前在煤礦構(gòu)造探測(cè)、老空區(qū)探測(cè)、探放水、瓦斯泄壓等隱蔽致災(zāi)因素探查中發(fā)揮著重要的作用。

4.1 鉆孔布置設(shè)計(jì)

根據(jù)探放水要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用ZDY2800L 型千米定向鉆機(jī)。根據(jù)4326 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間對(duì)DF1 正斷層進(jìn)行初步探測(cè)，結(jié)果該斷層落差12 m，走向、傾向、傾角與地面三維地震勘探成果基本一致。結(jié)合《煤礦防治水細(xì)則》要求，參考物探結(jié)果，此次計(jì)劃施工6 個(gè)鉆孔，其中水平方向1 個(gè)，底板方向2 個(gè)，頂板方向3 個(gè)，待4326 切眼掘進(jìn)到位后，在切眼外幫處架設(shè)鉆機(jī)進(jìn)行鉆探。鉆孔具體參數(shù)見表1。

4.2 單孔設(shè)計(jì)

為防止鉆孔出水，而無法控制水量，需預(yù)先固結(jié)孔口管，放水鉆孔機(jī)構(gòu)開孔孔徑135 mm，孔深6 m 后，下入φ85 mm 套管5 m 作為孔口管（孔口管選用3 寸無縫鋼管），鉆孔直徑為65 mm。如圖4 所示。

圖4 探水孔結(jié)構(gòu)示意Fig.4 The structure diagram of water exploration hole

4.3 孔口管固管

將套管下入孔內(nèi)規(guī)定的深度，用水泥漿或封固劑封閉套管外的環(huán)狀間隙。水泥漿固結(jié)不小于48 h后掃孔，待深度達(dá)到原孔深后，向孔內(nèi)壓水，耐壓試驗(yàn)壓力值大于孔口管末端承受靜水壓力值的1.5倍，兼做注漿鉆孔的，應(yīng)當(dāng)綜合注漿終壓值確定，并穩(wěn)定30 min 以上，當(dāng)孔口管牢固不動(dòng)，周圍沒有滲漏水現(xiàn)象，說明符合要求，否則重新注漿加固。最后在孔口管上安裝水壓表、水閥門等。孔口管結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 孔口管結(jié)構(gòu)示意Fig.5 The structure diagram of orifice tube

4.4 驗(yàn)證情況

6 個(gè)施工鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)情況見表2。

表2 鉆孔施工驗(yàn)證記錄Table 2 The verification record of drilling construction

依據(jù)表2 鉆孔情況可得出以下結(jié)論。

（1） 斷層位置變化。

三維地震成果顯示DF1 正斷層距切眼70 m，根據(jù)此次探測(cè)結(jié)果顯示DF1 正斷層距切眼34.5 m，位置與三維地震勘探成果相比有所變化。

（2） 斷層落差變化。

三維地震成果顯示DF1 正斷層落差0～28 m，此次探測(cè)成果顯示該區(qū)域斷層落差27 m，與三維地震成果顯示DF1 正斷層落差基本一致。

（3） 斷層充填情況。

根據(jù)實(shí)際探測(cè)鉆孔反水情況分析，在打鉆過程中反水顏色主要以白色、灰白色為主，成分為各粒級(jí)砂巖、砂質(zhì)泥巖，打鉆過程中鉆機(jī)壓力表無明顯變化，未發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶，該斷層落差較大，落差明顯，致密性較強(qiáng)，不能排除斷層有破碎帶發(fā)育的可能。

（4） 斷層富水性及導(dǎo)水性。

三維地震和井下瞬變電磁成果顯示4326 切眼探DF1 正斷層附近區(qū)域無富水異常區(qū)，根據(jù)鉆探成果分析，該斷層不導(dǎo)水。

（5） 斷層產(chǎn)狀變化。

三維地震成果顯示DF1 正斷層產(chǎn)狀為走向N37°E，傾向N53°W，傾角69°，落差28 m，根據(jù)此次探測(cè)成果并結(jié)合4326 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間對(duì)右?guī)偷奶綔y(cè)情況綜合分析，DF1 正斷層走向與三維地震勘探成果基本一致，目前探測(cè)最大落差在切眼處為27 m，傾角為52°，綜上，該斷層產(chǎn)狀最終為走向N37°E，傾向N53°W，傾角52°，落差27 m。

（6） 斷層對(duì)工作面影響。

根據(jù)4326 回風(fēng)順槽掘進(jìn)資料和4326 切掘進(jìn)眼資料綜合分析，掘進(jìn)期間未發(fā)現(xiàn)受DF1 正斷層引發(fā)的隱伏地質(zhì)構(gòu)造，但受DF1 正斷層構(gòu)造影響，巷道掘進(jìn)期間局部煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，頂板、煤幫局部較破碎，巷道整體左高右底，煤層傾角變化較大，最大為12°，針對(duì)DF1 正斷層已留設(shè)安全距離，綜合分析DF1 正斷層對(duì)巷道影響較小。

5 結(jié) 語

此次對(duì)三元煤業(yè)DF1 正斷層的設(shè)計(jì)與探測(cè)，采用物探、鉆探相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，遵循物探先行，鉆探驗(yàn)證的原則，探明了DF1 斷層為非導(dǎo)水?dāng)鄬樱鋵?shí)了DF1 斷層的位置，探測(cè)出DF1 斷層的范圍及產(chǎn)狀情況，為工作面的回采提供了可靠的地質(zhì)和水文資料，保證了安全生產(chǎn)。