區域地質構造探測技術在礦山開采的應用研究

馬曉田

山西義棠煤業有限責任公司 山西 介休 032000

地質礦產勘探技術在整個地質找礦流程中發揮著不可替代的作用，它的發展和創新直接決定了地質礦產行業的發展速度。隨著礦井資源的枯竭，新礦大多開始對一些資源稟賦較差的區域進行開采作業，由此帶來的是瓦斯、水害等風險的增加，為保障開展礦井地質探測工作的安全性，在技術工藝、理論實踐方面都將面臨著更高的要求及挑戰[1]。

1 工作面地質構造

義棠煤礦位于山西省介休市義棠鎮，井田面積17.72km2，批準開采煤層為1#、2#、9#、10#煤層，設計生產能力為180萬噸/年。井田處于華北板塊次一級的山西過渡塊體霍西區塊東部內區域，地質構造多發，探明的地質構造有褶曲、斷層、陷落柱，其中尤以現在上組煤七采區、下組煤五盤區地質構造較多，對礦井安全生產造成影響。100508工作面位于下組煤西翼五盤區內，100508工作面位于下組煤五盤區，工作面東部為100507工作面，南部為井田邊界，北部為三條盤區大巷，西部為100509工作面（尚未布置）。地質構造較為簡單，根據掘進過程中進、回順槽及切眼共揭露斷層6條，落差均小于4m。100508工作面主要開采9#、10#煤層，平均厚度4.5m，煤層傾角3°～6°，工作面采用傾斜長壁后退式采煤法，采空區處理方法為全部垮落法，采煤工藝為綜合機械化低位放頂煤工藝。工作面底板為奧陶系灰巖巖溶裂隙強含水層，其水位為530m左右，高于本工作面最低高程，因此奧灰水在地質構造的影響下可能會進入工作面，對工作面造成影響，探明工作面地質構造非常重要。采用坑透法對工作面內部構造進行探查，采用井下瞬變電磁對工作面內部及底板隔水層、奧灰含水層進行富水性探查，底板構造進行探查并圈定異常區。通過物探探查發現異常區，就必須實施鉆探驗證。如發現構造，則應留設防水煤柱或進行底板注漿加固。根據探查異常區及構造，編制封堵導水通道方案，注漿工程設計，確保工作面安全回采。

2 采面圈定期間的探測技術應用

2.1 三維物理勘探技術

利用三維物探、地面微震勘探等新工藝對井田內發育的斷距>3.5m的斷層進行超前預報。在布置采面時，合理避開大型地質構造，減少后期其對回采造成的影響。此項工作應在建井期間完成，為后期采面設計提供參考，以保證開切眼、順槽巷時可盡量避開大的地質構造帶。經在100508工作面圈定中發現，三維物探精度較高，凡是物探推測的陷落柱或斷層異常區，均在后期掘進及回采時得到了驗證[2]。

2.2 物探技術

物探技術使用的物探儀器是瞬變電磁儀，其可探測巷道前方的富水異常區瞄。多次將巷道物探結果與實際掘進過程中的出水情況進行對比分析，可以得出如下結論：瞬變電磁儀對于巷道前方100m范圍內的富水異常區有一定的探測能力，可以發現前方的富水異常情況。但是由于物探理論的限制，儀器探測前方有30m的物探“盲區”，其次儀器不能準確地探測出前方巖層的具體含水量大小，并且在探測過程中，周圍的大型金屬對儀器有一定的干擾。綜合分析可以得出，瞬變電磁儀具有很高的實用性。通過對鉆探與物探的合理布置，可消除盲區對巷道掘進安全的影響，巷道的瞬變電磁探測可以作為鉆探工作的前期內容。

2.3 鉆探技術

2.3.1 設備

鉆探設備一般采用ZDY—4200L型鉆機及相配套的φ73 mm鉆桿、φ94mm鉆頭。

2.3.2 鉆孔布置

鉆孔布置分為兩種。方案一：巷道掘進100m為一個循環，平面上布置5個鉆孔，剖面上布置3個鉆孔。平面上的5個鉆孔為長短孔相結合，長孔控制長距離的側幫，以確保有足夠的保護煤柱，短孔則在長孔的基礎上進行合理布置，保證短距離的側幫安全。方案二：同樣以巷道掘進100 m為一個循環，平面上布置5個鉆孔，剖面上布置3個鉆孔。平面上的 5個鉆孔全部為長孔，其中3個長孔按規定控制長距離的側幫，以保護安全煤柱，另2個長孔為探測孔，探測孔在長孔的基礎上結合巷道實際的煤層變化，在長孔的內部合理分布，以探測長孔間隙有無含水異常。這兩種較為成熟的方案雖然在實際應用中取得了較好的效果，但是其缺點也是顯而易見的。這兩種方案都無法解決鉆孔終孔的間隙問題，其實無論鉆孔如何布置，其鉆孔在平面與剖面都會有一定距離的間隙。

2.4 物探與鉆探相結合的探測技術

2.4.1 鉆孔布置

通過物探可測得巷道前方的相對富水異常區。在此基礎上，鉆孔可進行如下布置：針對物探“盲區”，先利用小型鉆機在平面上施工2個短距離鉆孔，確保

巷道前方“盲區”內左右幫安全；其次在平面上布置3個長距離鉆孔，保證巷道前方及側幫的安全；根據獲得的物探最新資料，有針對性地對巷道前方某一區域

進行驗證性的補孔探測。若探測未見異常，巷道可正常掘進；若探測有出水異常，按照《水害預警管理辦法》進行探放水。

2.4.2 物探與鉆探施工次序

正常工作中，采用鉆探與物探相結合的方式，每次可在準掘距離還剩30m左右或超前鉆探的前1天進行物探工作，并及時對物探結果進行分析，從而保證后續的鉆探工作順利進行。

2.5 探測結果分析

2.5.1 物探探測的結果分析

在井下探測回采工作面應用比較成熟的儀器有直流電法儀、坑透儀嘲。本次在對工作面內部構造進行探測時，采用重慶煤炭科學院生產的WKT—E型無線電波坑道透視儀，選用頻率為0.5MHz。坑透儀的工作原理：電磁波在穿過煤層途中遭到斷層、陷落柱或其他構造時，因波能量被吸收或完全被屏蔽，使得在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常（又稱陰影異常）。

本工作面探測采用了定點法，即發射機相對固定，接收機在另一條對應巷道的一定范圍內，逐點接收其場強值的一種工作方法。即100508巷發射、100507巷接收，反過來100507巷發射、100508巷再進行接收。經過對現場物探資料的分析，工作面內SX87陷落柱、SF5正斷層的探測結果為：工作面內部距第二停采線往南50～100 m處為2號坑透異常區。坑透示意圖中代表的數值越小，顏色越深，表示工作面內部越不可穿透，結合物探資料可確定兩個構造對工作面有影響，且在采面靠近1005081巷一側異常較明顯。

2.5.2 鉆探探測結果的分析與推斷

在100508巷對異常區及斷層進行鉆探，原DX213（三維推斷）陷落柱的范圍為長軸48m、短軸32m，而鉆探驗證實際控制范圍為長軸170m、短軸98m，在采面最大影響范圍有140m，對后期回采有很大影響。綜合考慮，采取施工二切眼，以減少后期回采對煤產量及采掘設備造成的影響，同時為采掘接替留足了準備時間。

3 區域地質構造探測存在問題及建議

地質構造預測預報準確率有待提高。受地面三勘探資料精度原因影響，部分構造在實際揭露時，位置發生偏移或實際揭露影響范圍較大，嚴重影響了正常的采面布置，造成工程量加大，銜接緊張。而利用物探及坑頭等方法在后期進行分析時，對人員的理論實踐經驗要求較高，需要輔以鉆探驗證，而目前的鉆探手段在精度控制方面，對操作人員的經驗及責任心要求較高。因此，一方面要求地測相關人員及時深入現場，收集地質資料，跟蹤構造全過程，對預測預報資料進行驗證、總結，提高自身業務水平；另一方面，及時收集底抽巷穿層鉆孔資料，結合已有地質資料，每周對抽放鉆孔資料進行分析總結，提前預報底抽巷掩護過的煤巷構造賦存情況，提高地質構造預測預報準確率，杜絕無計劃揭露構造事故發生。

4 結束語

通過進行三維地震勘探精細化分析，提高了三維地震勘探預測預報準確率，輔助以異常區域鉆探驗證，構建礦井可視化三維地質瓦斯模型，同時依托地理信息系統（GIS）平臺，結合地面三維地震勘探、瞬變電磁法勘探、井下槽波物探成果，地質勘探基礎數據，水文勘探及現場基礎數據等資料，構建一張可視化三維地質模型，可實現煤層構造、富水區、瓦斯、地應力等信息的可視化和區塊透明化，為礦井安全開采提供技術支撐。