試論煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)的探索和實(shí)踐

云南地方礦山安全評(píng)價(jià)院

摘要：煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)的有效應(yīng)用可以提高煤礦開采的安全性、可靠性。煤礦開采是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較高的工作，尤其是煤層中存在斷層。在有斷層的煤層中進(jìn)行煤礦開采，如若開采不慎，可能會(huì)導(dǎo)致煤層被破壞，致使正常煤礦開采受到影響，甚至是發(fā)生安全事故。所以，在進(jìn)行具體的煤礦開采工作之前，進(jìn)行煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)是非常必要的。對(duì)此，本文就煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)；應(yīng)用

引言

目前，我國已經(jīng)成為世界上最大的產(chǎn)煤國，每年產(chǎn)煤量超出10億噸，全世界四分之一的煤出產(chǎn)于中國地下。但由于我國能源結(jié)構(gòu)中煤的占比最多，使得我國過分依賴煤礦的生產(chǎn)活動(dòng)不僅對(duì)能源的可持續(xù)供應(yīng)造成很大影響，而且由于我國煤礦開采技術(shù)并不是非常先進(jìn)、管理制度并不是非常完善，使得煤礦開采引發(fā)了大量的煤礦災(zāi)害，造成一定程度的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在進(jìn)行煤礦開采的過程中，如若遇到斷層又沒有有效的開采方案，將會(huì)增加煤礦開采風(fēng)險(xiǎn)。所以，煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)的有效應(yīng)用是非常必要的。煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)的應(yīng)用可以預(yù)測(cè)煤礦開采區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)，了解地質(zhì)斷層結(jié)構(gòu)，為后續(xù)安全、有序的進(jìn)行煤礦開采工作創(chuàng)造條件。

一、斷層構(gòu)造的概述

斷層是地殼巖層因受力達(dá)到一定強(qiáng)度而發(fā)生破裂，并沿破裂面有明顯相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)造。斷層包括斷層面和斷盤。斷層面即為被錯(cuò)開的兩部分巖石沿著滑動(dòng)的破裂面。而斷層面兩側(cè)相對(duì)移動(dòng)的巖即為斷盤。由于斷層面可以是水平的、傾斜的、直立的，斷盤分為上盤、下盤、上升盤、下降盤，這使的斷層有多種類型。斷層最基本的類型是按斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分為的正斷層、逆斷層以及評(píng)議斷層。

（1）正斷層為上盤相對(duì)下降、下盤相對(duì)上升的斷層。它的斷層面是傾斜的，并且傾斜度在45°以上。

（2）逆斷層為上盤相對(duì)上升。下盤相對(duì)下降的斷層。它的斷層面也是傾斜的，但其傾斜度小于45°。所以，可以稱逆斷層為沖斷層。

（3）平斷層為兩盤沿?cái)鄬用孀呦蛳鄬?duì)水平錯(cuò)動(dòng)的斷層。

總體來說，斷層構(gòu)造比較復(fù)雜，大中小斷層構(gòu)造存在較大差異，容易誤導(dǎo)煤礦開采人員，使煤礦開采人員判斷錯(cuò)誤。一旦判斷錯(cuò)誤，可能會(huì)導(dǎo)致煤礦掘進(jìn)巷道作廢甚至是產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。所以，在煤礦開采之前應(yīng)當(dāng)對(duì)煤礦區(qū)域斷層構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而制定有效的煤礦開采方案。

二、煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技的蓬勃發(fā)展，目前我國煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)有多種，可以有效的預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)過程中可能遇到的斷層，以便煤礦開采人員能夠預(yù)防斷層，降低煤礦開采風(fēng)險(xiǎn)。目前，應(yīng)用效果較好的煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)主要有：

1.瑞利波探測(cè)技術(shù)

瑞利波探測(cè)技術(shù)分為穩(wěn)態(tài)瑞利波探測(cè)和瞬態(tài)瑞利波探測(cè)。應(yīng)用于煤礦井下的是瞬態(tài)瑞利波探測(cè)技術(shù)。瞬態(tài)瑞利波探測(cè)技術(shù)是在介面上產(chǎn)生一瞬時(shí)沖擊力，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利波，不同頻率的瑞利波疊加在一起，以脈沖的形式向前傳播，運(yùn)用頻譜分析、相位譜分析的方法進(jìn)行分析。瞬態(tài)瑞利波探測(cè)技術(shù)進(jìn)行煤礦井下斷層預(yù)測(cè)，利用瑞利波在斷層中傳播程度，在通過頻譜分析來分析瑞利波傳播，進(jìn)而確定煤礦井下斷層情況。瞬間瑞利波探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以就煤礦井下斷層、裂縫、破碎陷落柱等情況進(jìn)行探測(cè)，得到煤礦地質(zhì)構(gòu)造，為制定安全的、合理的煤礦開采方案提供重要依據(jù)。

2.直流電法探測(cè)

直流點(diǎn)法探測(cè)也是當(dāng)前探測(cè)煤礦地質(zhì)構(gòu)造的一種有效的探測(cè)技術(shù)。目前，我國直流電法探測(cè)技術(shù)有多種方法，如三為直流電探測(cè)技術(shù)、巖土體電阻率探測(cè)技術(shù)等。對(duì)于煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，應(yīng)用比較廣泛的是三維直流電法探測(cè)。三維直流電法探測(cè)是將直流電法儀器和勘探方法結(jié)合在一起，對(duì)煤礦斷層進(jìn)行探測(cè)。三維直流電法探測(cè)的原理是假設(shè)恒穩(wěn)點(diǎn)電源的電流強(qiáng)度為I，在距離電源為R的地面P點(diǎn)處的電位為，那么，三維直流電電阻率為：

而在非均勻介質(zhì)中，電位的Poisson積分為：

注：j為電流的密度；表示為介質(zhì)的真電阻率。

通過電位的Poisson積分可以求得非均勻介質(zhì)中三維直流電的電阻率。

在三維直流電法探測(cè)中利用直流電法儀器和勘探方法對(duì)煤礦斷層進(jìn)行勘測(cè)，根據(jù)實(shí)際探測(cè)需要，計(jì)算三維直流電的電阻率，進(jìn)而合理的進(jìn)行斷層探測(cè)，得到探測(cè)數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行三維化處理，得到的三維立體圖像，通過三維立體圖像可以對(duì)煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)，為后續(xù)煤礦開采提供信息。所以說，三維直流電法探測(cè)技術(shù)的有效應(yīng)用，也可以預(yù)測(cè)出煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造。

3.瞬變電磁探測(cè)

瞬變電磁法的有效應(yīng)用也可以有效的探測(cè)出煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造。因?yàn)?，瞬變電磁閥是利用磁源和電流源來構(gòu)建電磁場(chǎng)，對(duì)煤礦斷層進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而得到煤礦斷層的地質(zhì)構(gòu)造。瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有兩種，即回線形式的磁源和接地電極形式的電流源。通過回線和接地點(diǎn)電極形成的磁場(chǎng)和電流場(chǎng)結(jié)合在一起，可以瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，利用煙圈效應(yīng)可以檢測(cè)到斷層的地質(zhì)構(gòu)造。需要注意的是瞬間電磁探測(cè)技術(shù)應(yīng)用過程中所探測(cè)的時(shí)間和探測(cè)的深度都取決電阻率。所以，再利用瞬間電磁探測(cè)技術(shù)進(jìn)行煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的過程中，一定要注意地面發(fā)送線圈電阻的控制，盡量保證瞬間電磁場(chǎng)能夠就整個(gè)煤礦斷層進(jìn)行完整的、全面的探測(cè)，進(jìn)而更為詳細(xì)的、全面的了解煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造。

三、煤礦超強(qiáng)預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于煤礦超前預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)的應(yīng)用，筆者結(jié)合某煤礦開采實(shí)例進(jìn)行分析。

1.煤礦開采概述

某煤礦開采的煤田屬于多煤層聯(lián)合開采，自上而下先后開采的煤層為12煤、14煤、16煤、17煤。目前已經(jīng)完成12煤的開采工作，收集了一些煤礦相關(guān)資料。在12煤開采過程中未發(fā)現(xiàn)煤礦斷層，但為了更加安全、可靠的進(jìn)行煤礦開采工作，需要對(duì)14煤、16煤、17煤層進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)，以避免煤礦開采中遇到煤礦斷層，不僅無法正常進(jìn)行煤礦開采，還可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

2.煤礦斷層超前綜合預(yù)測(cè)

對(duì)于14煤、16煤、17煤層斷層情況的預(yù)測(cè)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)資料的分析，并運(yùn)用適合的預(yù)測(cè)方法，才能夠準(zhǔn)確的探測(cè)出14煤、16煤、17煤層是否存在斷層；若存在，斷層地質(zhì)構(gòu)造又是什么形態(tài)。煤礦開采中14煤、16煤、17煤層超前預(yù)測(cè)內(nèi)容為：

2.1相關(guān)資料分析

假設(shè)巖層沒有受到地質(zhì)構(gòu)造破壞的情況下，煤巖層之間的水平層理分布的等高線之間的距離是相等的。也就是說，理想情況下統(tǒng)一煤層以及不同煤層等高線應(yīng)是一組均勻分布的曲線。但結(jié)合12煤層開采過程中所得的相關(guān)資料來看，煤層的等高線水平間距發(fā)生變化，并且等高線的走向變化越來越劇烈。這也就說明，在14煤、16煤、17煤層可能會(huì)存在大眾落差的較大斷層。

2.2煤層斷層的確定

對(duì)于14煤、16煤、17煤層的是否存在斷層的預(yù)測(cè)是利用瑞利波探測(cè)技術(shù)。運(yùn)用瞬態(tài)瑞利波探測(cè)技術(shù)分別對(duì)14煤、16煤、17煤層進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于14煤層的探測(cè)是在探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置觀測(cè)系統(tǒng)，再根據(jù)探測(cè)地點(diǎn)的地質(zhì)條件選擇適合的三個(gè)探測(cè)點(diǎn)。利用瑞利波探測(cè)系統(tǒng)就三個(gè)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行瑞利波探測(cè)，瑞利波傳輸?shù)?4煤層下。若如瑞利波在傳播過程中速度加快，說明14煤層存在斷層。通過瑞利波探測(cè)技術(shù)的探測(cè)，可以確定14煤層存在斷層。利用此種方式就16煤、17煤層進(jìn)行探測(cè)，確定16煤、17煤層存在斷層。

2.3煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)

對(duì)于14煤、16煤、17煤層斷層地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)主要運(yùn)用三維直流電法探測(cè)。

利用三維直流電法探測(cè)技術(shù)進(jìn)行14煤層斷層地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，利用電極轉(zhuǎn)換器。測(cè)量主機(jī)、控制軟件，電極陣列和電纜系統(tǒng)進(jìn)行煤層斷層地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，可以在整個(gè)探測(cè)程序控制內(nèi)就14煤層進(jìn)行4道測(cè)探，進(jìn)而得到14煤層的等高線，再利用三維繪畫方式來進(jìn)行14煤層等高線走向繪畫。得到的14煤層等高線走向圖，通過這個(gè)等高線走向圖可以預(yù)測(cè)出14煤層地質(zhì)構(gòu)造圖。利用此種方式進(jìn)行16煤、17煤層斷層地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)。

2.4煤礦煤層開采方案的規(guī)劃

對(duì)于14煤、16煤、17煤層煤礦的開采，應(yīng)當(dāng)重新的規(guī)劃。由于14煤、16煤、17煤層不同于12煤層，14煤、16煤、17煤層中有斷層。在對(duì)14煤、16煤、17煤層進(jìn)行具體的開采工作之前，依據(jù)14煤、16煤、17煤層斷層地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)信息，制定合理的煤礦開采方案，更加安全的進(jìn)行煤礦開采。

結(jié)束語：

在現(xiàn)代化的今天，我國煤礦資源越來越規(guī)范、安全、合理，使得我國這幾年煤礦事故發(fā)生率大幅下降。盡管我國煤礦開采逐漸向科學(xué)化、規(guī)范化、正規(guī)化的方向發(fā)展，但我國煤礦開采依舊存在很多不足。就以煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)來說，現(xiàn)階段煤礦斷層地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)并不是非常準(zhǔn)確。究其原因主要在于煤礦超前地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果不佳。本文筆者在文中就瑞利波探測(cè)技術(shù)、直流電法探測(cè)、瞬變電磁探測(cè)這三種探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合煤礦開采實(shí)例對(duì)煤礦超前地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了探究，確定煤礦超前地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)的有效應(yīng)用應(yīng)當(dāng)結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況，選用適合的探測(cè)技術(shù)合理的進(jìn)行煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，可以提高煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的準(zhǔn)確性，為更加安全、可靠的進(jìn)行煤礦開采創(chuàng)造條件。

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