綜合地質(zhì)勘探法在煤礦地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

［關(guān)鍵詞］綜合地質(zhì)勘探；水文地質(zhì)；地質(zhì)災(zāi)害；煤礦開采

我國地大物博，煤炭資源豐富，但是隨著開采深度的逐漸加大，生產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)增加。傳統(tǒng)的煤礦地質(zhì)勘探工作模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代開采要求，往往造成采集的地質(zhì)信息不全面、不準(zhǔn)確。因此，需更新勘探技術(shù)和工作方法，在勘探過程中應(yīng)根據(jù)煤礦開采工程情況編制專項(xiàng)方案。下文就綜合地質(zhì)勘探法在煤礦地質(zhì)勘探中的應(yīng)用進(jìn)行論述。

1. 綜合地質(zhì)勘探法介紹

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生會影響煤礦開采，不利于礦山企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，會對周邊居民的生活和人身健康造成威脅，引發(fā)重大安全事故，如礦井突水、瓦斯爆炸和塌陷采空區(qū)等。為此，在煤礦勘測時(shí)，需注意技術(shù)的選用，保證勘測結(jié)果全面準(zhǔn)確。綜合地質(zhì)勘探法為煤礦全面勘探的重要方法，是綜合利用多種地質(zhì)勘探技術(shù)，弱化單一勘探技術(shù)的缺陷對于勘測結(jié)果的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)勘測目的。綜合煤礦地質(zhì)勘探法包括傳統(tǒng)煤炭勘探技術(shù)、物理勘探技術(shù)和信息技術(shù)的運(yùn)用，通過物理勘測所得數(shù)據(jù)信息構(gòu)建三維圖像，以科學(xué)設(shè)置巷道，對開采過程進(jìn)行管控。煤礦勘探方式有兩種：第一，地面鉆探與井下鉆探結(jié)合，用于對區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、面積和采空區(qū)含水性的探測；第二，地球物理技術(shù)，用于對區(qū)域地質(zhì)條件和巖層情況的勘測[1]。

2. 綜合地質(zhì)勘探法在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

2.1地面地震勘探技術(shù)

地面地震勘探技術(shù)是利用地表的振動對巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測，工作原理如圖1所示。勘探過程中，會使用人工震源如炸藥等使地表發(fā)生震動，利用專用且精度較高的機(jī)械設(shè)備架設(shè)在地表上多個位置，監(jiān)測點(diǎn)即可收集地表震動信息，如地震波信號、震源特性、檢波點(diǎn)位置、地震波等。經(jīng)過地震波信號的分析，可知地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)，勘測深度可達(dá)數(shù)十千米。根據(jù)地震勘探結(jié)果可直接構(gòu)建巖層地質(zhì)相關(guān)的三維模型，但是模型與實(shí)際情況會存在一定差異，而地面地震勘探技術(shù)的作用仍不可忽視。在可持續(xù)發(fā)展背景下，煤炭開采需注重現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境的維護(hù)，顯著提升生產(chǎn)效率，為煤炭工業(yè)化生產(chǎn)體系的確立奠定基礎(chǔ)。

2.2微動測探勘測法

微動測探勘測法是近些年應(yīng)用較為廣泛的勘探技術(shù)，多被應(yīng)用于天然場地微動信號的勘測，并對地下波的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演，從而獲取地下介質(zhì)信息。對于該技術(shù)的應(yīng)用分為三種形式，分別為平面探查、側(cè)線勘探和單點(diǎn)勘探。在勘探時(shí)，需布置觀測臺陣，也體現(xiàn)出微動測探法單點(diǎn)勘探的特征。觀測臺陣是由兩個面積不同的同心圓組成，中間為正三角形。根據(jù)相關(guān)理論，煤炭勘探的深度和臺陣大小有直接關(guān)聯(lián)，在正常情況下為正比例關(guān)系，勘測人員可依據(jù)同心圓的觀測結(jié)果分析勘探情況。在煤礦生產(chǎn)過程中，間距固定不變，數(shù)據(jù)采集范圍合理，則布置相應(yīng)數(shù)量的測線便可以滿足二維微動探測的工作需求。平面探查多應(yīng)用于勘測范圍較小的情況下，使用的設(shè)備精密，成本較高[2]。由此可知上述三種形式有利有弊，需結(jié)合技術(shù)特點(diǎn)和生產(chǎn)情況進(jìn)行應(yīng)用，保證使用效果。如圖2為微動測探勘測法數(shù)據(jù)處理方法。

2.3綜合物探法

2.3.1在地質(zhì)構(gòu)造勘探中的應(yīng)用

在煤礦開采階段，地質(zhì)構(gòu)造會影響工作面布置和工作面開采。在正式開采前，須對工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精準(zhǔn)勘察。對于存在大型地質(zhì)構(gòu)造的礦區(qū)，可優(yōu)選地震勘探技術(shù)，如利用三維地震疊前偏移技術(shù)對巖層的巖性和分布情況進(jìn)行反演推算。因地震勘探技術(shù)具有高密度、高覆蓋率和高分辨率等優(yōu)勢，可對落差大于2 m的斷層甚至是直徑大于20 cm的陷落柱進(jìn)行檢測，有效補(bǔ)充地質(zhì)資料。但是在煤礦開采時(shí)，會遇到新型地質(zhì)構(gòu)造如孔洞等特殊情況。為此，對于存在小型地質(zhì)構(gòu)造的礦區(qū)，可選用無線電坑透技術(shù)進(jìn)行輔助勘測，多被應(yīng)用于落差小于2 m的斷層或者是煤層中的孔洞。遇到孔洞或斷層結(jié)構(gòu)，發(fā)射的無線電波會發(fā)生顯著變化，依此便可對孔洞或斷層的形態(tài)和分布位置進(jìn)行合理推測，從而為煤礦小型地質(zhì)構(gòu)造災(zāi)害防治提供依據(jù)[3]。

2.3.2在水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

水害是影響煤礦生產(chǎn)安全的重要因素，為提升防水治水能力，可采用物探技術(shù)進(jìn)行勘探，其可以獲取精準(zhǔn)的水文地質(zhì)資料，分析突水問題，資料包括巖層含水性、隔水層厚度及富水性等；了解開采區(qū)內(nèi)水源分布情況，超前預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行合理推測，分析采區(qū)前150 m左右范圍內(nèi)的含水量。綜合物探法是一種利用地球物理學(xué)方法進(jìn)行水文地質(zhì)勘探的技術(shù)，包括電法、磁法、地震法、重力法等在一次水文地質(zhì)勘探中，利用綜合物探法對一片區(qū)域進(jìn)行了探測。首先，采用電法勘探，通過布置電極和測量電場數(shù)據(jù)，得到電阻率分布圖。根據(jù)電阻率分布圖，可以初步判斷地層結(jié)構(gòu)及其含水性質(zhì)。接著，采用磁法勘探，得到地下的磁場分布圖。通過分析磁場分布圖，可以確定該區(qū)域地下的磁性物質(zhì)分布情況，從而進(jìn)一步推斷地層結(jié)構(gòu)。然后，利用地震法勘探，進(jìn)行了地震波速度測量，得到了地震波速度剖面圖。最后，采用重力法勘探，得到地下的重力異常分布圖。

3. 實(shí)例分析

3.1工程概況

某煤礦于2003年8月建礦，于2012年8月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4 Mt /a，礦井的主井部分為豎井開拓，負(fù)壓通風(fēng)。煤層方向分別布設(shè)了東西三條大巷，每個采區(qū)均設(shè)置在大巷的兩側(cè)。施工單位選用走向長臂式采煤法采煤，通過冒落法對采空區(qū)域進(jìn)行處理，而采煤工藝也優(yōu)選綜采放頂煤工藝，煤礦的運(yùn)輸是借助膠帶運(yùn)送機(jī)和無軌膠輪車。礦井開采的2號煤層平均厚度6.28 m，傾角6°～10°。礦井建成投入運(yùn)行后狀況良好，煤炭的開采量較為穩(wěn)定。但是由于采礦區(qū)內(nèi)的井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，同時(shí)存在涌水量大、斷層多、煤厚賦存不穩(wěn)定等不利因素，礦井的生產(chǎn)接續(xù)有一定困難。為此，工程單位組織人員采用綜合地質(zhì)勘探方案對礦井地質(zhì)進(jìn)行了全面勘測，為生產(chǎn)規(guī)劃提供依據(jù)。

3.2綜合地質(zhì)勘探方案

3.2.1地面鉆探

建井勘察階段，該工程布設(shè)256個鉆孔，總工程量為163060 m²，每平方米內(nèi)分布2～3個鉆孔。后根據(jù)煤礦開采情況采用地面鉆探法，布設(shè)了60個鉆孔，全長52413 m，完善了前期勘測結(jié)果[4]。

3.2.2工作面地面地震勘探

對3號采區(qū)采用地面二維、三維地震勘探和瞬變電磁法對區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造與斷層分布情況進(jìn)行了探測，也獲取了煤層頂板富水區(qū)域和煤層賦存狀態(tài)數(shù)據(jù)，探測人員依此繪制了礦區(qū)富水區(qū)域賦存圖，施工單位也提出了完善的防水措施，在現(xiàn)場布置了防水系統(tǒng)。經(jīng)過三維地震勘探，發(fā)現(xiàn)2號煤礦的上部與下部、13與14煤層、第三系頂界面和奧灰底界面等目標(biāo)層的地震反射波連續(xù)性較強(qiáng)，未出現(xiàn)間斷情況，是進(jìn)行跟蹤監(jiān)測的有利前提條件。礦井下地震勘測面積為63.52 km²，二維勘探的面積為16 km²，三維勘探面積為47.52 km²。如圖3 為某煤礦工作面地面地震勘探。

3.2.3井下多用途探巷施工與鉆探

首先，首采面開采之前，掘進(jìn)巷道，并在開采區(qū)的邊界位置加設(shè)巷道，為煤層地質(zhì)構(gòu)造勘察提供安全作業(yè)空間，為工作面接替奠定基礎(chǔ)。其次，做好前期準(zhǔn)備工作，挖掘工作面排水巷，掘進(jìn)臨近綜采面順槽時(shí)，按照煤層特點(diǎn)布設(shè)了大巷與無巖石集中巷，順利排出了回采工作面的涌水[4]。然后，已經(jīng)完成掘進(jìn)工作的巷道，通過井下設(shè)置的鉆孔對工作面回采影響較大的大斷層進(jìn)行勘測，工作重點(diǎn)放在2號煤層底板和頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)的探測。

3.2.4工作面音頻電透

工程中采用工作面音頻電透視法對地下巖層進(jìn)行深度探測，明確不同巖性導(dǎo)電性差異，使用專業(yè)設(shè)備分辨導(dǎo)電性差異的分布規(guī)律。該技術(shù)被用于順槽掘進(jìn)，勘測人員分別在兩條順槽中安裝了發(fā)射點(diǎn)和接收裝置，相鄰點(diǎn)距控制為50 m、10 m，由此形成了一個掃面區(qū)，為扇形。但是需注意的是，順槽中的每個發(fā)射點(diǎn)對應(yīng)的接收點(diǎn)均受到全程監(jiān)測，且覆蓋所有單元的被收發(fā)信號。該煤礦采用此法對8個工作面進(jìn)行了勘測，準(zhǔn)確定位了地質(zhì)水文異常區(qū)域，也依據(jù)不同巖層的導(dǎo)電性變化圈畫了出水位置。施工單位依據(jù)采集的資料對開采方案進(jìn)行了調(diào)整，避開不良地質(zhì)等，效果理想[5]。

3.3應(yīng)用效果

該煤礦由于受到煤層賦存和斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)的限制，采煤工作面接替緊張。采用綜合地質(zhì)勘探方案，應(yīng)用地面二維和三維物探、地面地震勘探和井下鉆探等多種技術(shù)，對工作面生產(chǎn)接替的各類地質(zhì)因素進(jìn)行深入分析，準(zhǔn)確掌握地質(zhì)構(gòu)造，后續(xù)生產(chǎn)任務(wù)也在規(guī)定周期內(nèi)完成，勘探效果理想。

4. 結(jié)語

綜上所述，在煤礦開采勘探時(shí)，會因煤層賦存及地質(zhì)結(jié)構(gòu)斷裂等嚴(yán)重阻礙煤炭開采進(jìn)程。面對復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和開采難度越來越大的生產(chǎn)情況，采用綜合勘探技術(shù)是最為有效的解決辦法，發(fā)揮地面地震勘探技術(shù)和井下鉆探等技術(shù)優(yōu)勢對采礦區(qū)域進(jìn)行勘測，提升結(jié)果的全面性與準(zhǔn)確性，也確保了煤礦開采正常進(jìn)行。