王大力

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

我國(guó)煤礦地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不同地區(qū)的地層千差萬(wàn)別，由于不同區(qū)域地質(zhì)力學(xué)條件的不同，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，會(huì)形成不同的地質(zhì)構(gòu)造，其中斷層以及陷落柱是主要且常見(jiàn)的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造[1-2]。由于斷層及陷落柱的存在，為煤礦井下工作面回采帶來(lái)了諸多問(wèn)題，它們破壞了地層原巖應(yīng)力狀態(tài)，使局部地區(qū)具有較大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致工作面在回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)不規(guī)律且來(lái)壓作用較強(qiáng)，造成工作面液壓支架壓死，回采巷道圍巖變形嚴(yán)重等問(wèn)題，使得礦井不能安全高效生產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；除此之外，惡劣地質(zhì)構(gòu)造還會(huì)造成巖層裂隙通道，使得煤層瓦斯聚集以及地下水紊流，容易發(fā)生瓦斯大量突出以及突水事故，具有極高的安全隱患。因此，對(duì)煤礦井下工作面地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確勘察，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要價(jià)值。

1 工程背景

W4302工作面所屬3#煤層，位于山西組下部，距9號(hào)煤層55.72～79.70m，平均58.04m。煤層厚5.18～8.44m，平均厚6.71m。含泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸0～5層，一般1～2層，以距底板約1.2m左右的一層較為穩(wěn)定（平均厚度0.27m），純煤厚4.85～12.10m，平均6.42m。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、深灰色粉砂巖。在回采巷道掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)多處斷層及陷落柱，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，因此工作面共分為3個(gè)階段進(jìn)行回采，為探明隱伏的地質(zhì)構(gòu)造，利用綜合物探技術(shù)對(duì)W4302工作面地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行詳細(xì)分析確定。

2 綜合物探技術(shù)

目前針對(duì)井下工作面地質(zhì)構(gòu)造的勘察手段主要有兩種方法，一種為無(wú)線電波透視，另一種為槽波地震勘探。兩種手段各有優(yōu)劣，無(wú)線電波透視對(duì)陷落柱及斷層具有較強(qiáng)的捕捉能力，能夠準(zhǔn)確分辨構(gòu)造性質(zhì)，但是其縱向分辨率不高且傳播距離有限，不能夠準(zhǔn)確定位構(gòu)造位置。槽波地震勘探技術(shù)對(duì)構(gòu)造異常區(qū)具有較強(qiáng)的反應(yīng)，其傳播距離大且分辨率較高，但是對(duì)構(gòu)造異常性質(zhì)難以區(qū)分。因此，本文對(duì)兩種勘測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜合使用，對(duì)W4302工作面地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行綜合探測(cè)，并對(duì)勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析解釋，以此來(lái)對(duì)W4302工作面地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行精準(zhǔn)判斷及定位。

2.1 無(wú)線電波透視原理

無(wú)線電波透視技術(shù)[3]是利用不同煤巖體對(duì)電磁波的吸收能力來(lái)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘測(cè)，一般完整煤巖體的電磁波吸收能力是不變的，只有當(dāng)遇見(jiàn)異常地質(zhì)構(gòu)造面時(shí)，電磁波的能量就會(huì)有所損耗，造成信號(hào)異常，因此在遇見(jiàn)斷層及陷落柱時(shí)，電磁波的能量會(huì)被大量吸收乃至完全消失，所以會(huì)出現(xiàn)信號(hào)接收端收到信號(hào)弱甚至收不到信號(hào)，造成信號(hào)異常。

如圖1為無(wú)線電波透視法信號(hào)發(fā)送與接收原理圖，一般該方法需要在兩條回采巷道內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，一條巷道內(nèi)布置發(fā)射點(diǎn)，另一條巷道布置接受點(diǎn)（圖中為雙發(fā)雙收的布置方式）。在發(fā)射點(diǎn)巷道向煤層發(fā)送一定頻率的電磁波，在接收點(diǎn)巷道進(jìn)行接收，對(duì)電磁波信號(hào)頻率變化進(jìn)行觀測(cè)，如果出現(xiàn)信號(hào)一定程度的減弱或者收不到信號(hào)，證明工作面內(nèi)具有異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1 無(wú)線電波透視原理示意圖

2.2 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探[4-5]是利用槽波來(lái)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘探。當(dāng)向煤巖體中發(fā)射地震波時(shí)，波能除了向三維空間擴(kuò)散外，部分波能由于頂?shù)装暹吔绲姆瓷渥饔帽幌拗圃诿簩觾?nèi)，使其在煤層中發(fā)生相互干涉以及疊加，從而形成槽波。

根據(jù)探測(cè)目的不同可將探測(cè)方式分為反射、透射以及二者聯(lián)合的探測(cè)方式，如圖2所示為槽波地震勘探原理示意圖。同樣，地震波在一條巷道內(nèi)布置發(fā)射點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)巷道內(nèi)布置接收點(diǎn)，來(lái)對(duì)形成的槽波信號(hào)進(jìn)行接收處理，從而判斷煤層地質(zhì)構(gòu)造類型及位置。

圖2 槽波地震勘探原理示意圖

3 W4302工作面綜合物探結(jié)果分析

通過(guò)上述測(cè)試方法原理介紹及布置方式，對(duì)W4302工作面分別進(jìn)行無(wú)線電波透視及槽波地震勘測(cè)，并對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 無(wú)線電波測(cè)試結(jié)果

無(wú)線電波透視在兩條巷道內(nèi)進(jìn)行雙發(fā)雙收的布置方式，其中發(fā)生點(diǎn)間隔為50m，接收點(diǎn)間隔為5m。如圖3為無(wú)線電波透視結(jié)果，其中冷色代表構(gòu)造異常區(qū)，測(cè)試結(jié)果共發(fā)現(xiàn)5處異常區(qū)，分別為圖中顯示的條帶狀及矩形區(qū)域，通過(guò)分析斷定為YC1為斷層構(gòu)造，YC2-YC5為陷落柱?？梢钥闯觯瑹o(wú)線電波透視結(jié)果雖然能夠反映出異常地質(zhì)構(gòu)造類型，但是其縱向分辨率較差以及傳播距離的限制，導(dǎo)致很難對(duì)其的影響范圍進(jìn)行判定。

圖3 無(wú)線電波透視結(jié)果

3.2 槽波地震勘探結(jié)果

槽波地震勘探布置方式為：在回風(fēng)巷道以及二三階段切眼巷道內(nèi)共布置112個(gè)發(fā)射孔，布孔間距為20m，在運(yùn)輸巷道及第一階段切眼巷道內(nèi)布置104個(gè)接收孔，布孔間距為20m。通過(guò)發(fā)射孔對(duì)煤層內(nèi)發(fā)生地震波，并在接收孔進(jìn)行槽波接收，在得到探測(cè)范圍內(nèi)的槽波信號(hào)值后，對(duì)其進(jìn)行處理，處理方式分為兩種，一種為SIRT層析成像，一種為BPT層析成像，并依次繪制出槽波衰減系數(shù)云圖，根據(jù)云圖中槽波能量衰減系數(shù)變化特征，來(lái)判斷異常地質(zhì)構(gòu)造的位置，范圍等異常情況。

圖4 槽波地震勘探結(jié)果

如圖4為槽波地震勘測(cè)結(jié)果圖，由SIRT層析成像法確定了工作面異常區(qū)共13處，BPT層析成像法確定了異常區(qū)共11處，兩種層析方法分析結(jié)果大致相同，基本確定了W4302工作面異常區(qū)域范圍及位置，但是兩種方法針對(duì)異常區(qū)地質(zhì)構(gòu)造類型不能給出明確的測(cè)試結(jié)果，因此需要與無(wú)線電波透視結(jié)果進(jìn)行綜合分析確定。

3.3 綜合勘測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)兩種測(cè)試分析結(jié)果，以及W4302工作面原有的詳細(xì)地質(zhì)資料，綜合分析出W4302工作面共有陷落柱5處，斷層12處，以及其他地質(zhì)異常區(qū)9處，這9處異常區(qū)可能為煤體變質(zhì)、構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致的煤巖體破碎以及煤層夾矸等異常所造成。

4 物探結(jié)果驗(yàn)證

為對(duì)綜合探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了工作面回采及打鉆驗(yàn)證，目前W4302工作面已回采180m，在異常區(qū)1中共揭露了6條斷層，其中2條斷層斷距約為6m，4條斷層斷距均小于3.5m，且6條斷層的延伸長(zhǎng)度均在異常區(qū)1矩形范圍內(nèi)；通過(guò)打鉆的方式對(duì)異常區(qū)2-9以及探測(cè)到的斷層及陷落柱區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，異常區(qū)2-9為構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致的煤巖破碎區(qū)；斷層F1-F12存在，且延伸范圍與探測(cè)結(jié)果相差不大；陷落柱X1-X5存在，且破碎影響范圍與圈定的范圍基本相同。

綜合分析結(jié)果表明，無(wú)線電波透視與槽波地震勘測(cè)法相結(jié)合的綜合勘測(cè)法應(yīng)用效果顯著，兩種方法能夠彌補(bǔ)彼此方法的缺陷，對(duì)異常地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域能夠清晰準(zhǔn)確的進(jìn)行探測(cè)，判斷異常構(gòu)造類型、影響范圍及位置，對(duì)工作面的安全高效回采提供了有效保障。

5 結(jié)論

1）應(yīng)用無(wú)線電波透視對(duì)工作面異常地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行了探測(cè)捕捉，由分析結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確的對(duì)異常地質(zhì)構(gòu)造類型進(jìn)行判斷，但是限于其傳播距離的影響，導(dǎo)致其縱向分辨率不高，從而不能準(zhǔn)確的對(duì)異常地質(zhì)構(gòu)造影響范圍進(jìn)行判定。

2）槽波地震勘測(cè)法能夠準(zhǔn)確的捕捉到地質(zhì)異常區(qū)，且能夠準(zhǔn)確的確定其位置以及影響范圍，對(duì)地質(zhì)異常區(qū)具有明顯的反應(yīng)，但是不能對(duì)異常構(gòu)造類型進(jìn)行區(qū)分。

3）通過(guò)將無(wú)線電波透視及槽波地震勘測(cè)法相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確的對(duì)異常地質(zhì)構(gòu)造類型、位置以及影響范圍進(jìn)行確定，從而為工作面安全高效生產(chǎn)提供有力保障。