回采工作面地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化綜合探測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

焦 陽 竇文武 譚 菁 李 剛 李梓毓

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，山西省晉城市，048006)

我國華北地區(qū)煤礦地質(zhì)構(gòu)造普遍發(fā)育，局部復(fù)雜，隨著開采強(qiáng)度的加大、開采深度的增加，地質(zhì)構(gòu)造有更加復(fù)雜的變化趨勢(shì)[1-5]，加之大采高和放頂煤的回采工藝，若無計(jì)劃地揭露構(gòu)造，不但會(huì)造成采面大范圍割矸，且附帶發(fā)生冒頂、片幫以及大批量壓架事故，還可能導(dǎo)通承壓水和瓦斯溢出通道，誘發(fā)瓦斯突出和突水事故，造成人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)礦井回采工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確探查至關(guān)重要。

目前，針對(duì)回采工作面地質(zhì)構(gòu)造的井下探測(cè)方法眾多[6-13]，主要包括無線電波透視、槽波地震勘探和鉆探等。無線電波透視的發(fā)展相對(duì)成熟，但傳播距離有限，探測(cè)縱向分辨率較差，抗電干擾能力弱，異常多以矩形框顯示，對(duì)陷落柱十分敏感；槽波地震勘探近些年發(fā)展迅速，傳播距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，異常分辨率較高，但對(duì)多種異常均較敏感，如斷層、陷落柱、煤體破碎區(qū)等，只可大體劃分異常范圍，無法進(jìn)行構(gòu)造定性；井下鉆探若無固定靶區(qū)，便會(huì)造成施工成本高、周期長，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

因此，綜合以上各種探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，首先采用槽波地震勘探和無線電波透視對(duì)回采工作面展開綜合物探，大體劃分異常范圍，并對(duì)陷落柱進(jìn)行初判。然后，針對(duì)物探異常區(qū)域展開鉆探和鉆孔測(cè)井，確定地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)，如斷層、陷落柱、煤體破碎區(qū)等，最終通過精細(xì)化綜合探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采面內(nèi)構(gòu)造的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1 研究區(qū)域概況

成莊煤礦4321工作面走向長度1990 m，傾斜長度282 m，主采3#煤層，平均煤厚約6 m，穩(wěn)定可采。地面三維地震勘探結(jié)果顯示，采面內(nèi)共發(fā)育有長軸大于30 m的陷落柱4個(gè)，分別為DX91～DX94。另外，根據(jù)工作面井下踏勘，發(fā)現(xiàn)工作面兩巷道共揭露斷距大于3 m的斷層2條，分別為F159和F164，如圖1所示。綜合分析判斷該采面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。

為精確查明4321工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況和分布范圍，保證安全回采，從物探和鉆探角度出發(fā)，利用槽波地震勘探、無線電波透視、鉆探及鉆孔測(cè)井等手段開展精細(xì)化綜合探測(cè)。

圖1 4321工作面三維地震及現(xiàn)場(chǎng)踏勘收錄構(gòu)造示意圖

2 綜合探測(cè)方法

2.1 槽波地震勘探

槽波地震勘探是利用煤層與頂、底板巖體的物理力學(xué)差異，通過分析煤層中激發(fā)及接收到槽波的波場(chǎng)特征來探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理勘探方法。槽波探測(cè)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、震源信號(hào)強(qiáng)、波形特征明顯、不受電力干擾、解釋精度高且直觀等優(yōu)點(diǎn)，能夠精查煤層中的隱伏地質(zhì)構(gòu)造(短軸大于20 m的陷落柱和斷距大于3 m斷層)、煤體破碎區(qū)等地質(zhì)缺陷。但該方法對(duì)多種異常均較敏感，只可大體劃分異常范圍，無法進(jìn)行構(gòu)造定性[14-18]。

槽波地震勘探根據(jù)激發(fā)點(diǎn)(炮點(diǎn))和接收點(diǎn)(檢波器)不同的布置位置及探測(cè)目的，可以分為透射法和反射法兩種，本次研究主要采用槽波透射法進(jìn)行探測(cè)。

2.2 無線電波透視

無線電波透視，即電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對(duì)電磁波能量的吸收也不同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到因地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的界面時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射和折射，造成能量損耗。

因此，當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到斷層、陷落柱或其他構(gòu)造時(shí)，電磁波能量被吸收或被完全屏蔽，便接收到微弱信號(hào)或接收不到透射信號(hào)，形成所謂的異常?？墒?，受電磁波傳播距離的限制，該方法探測(cè)縱向分辨率較差，抗電干擾能力弱，異常多以矩形框顯示，但是，該方法對(duì)陷落柱十分敏感，可進(jìn)行初步判斷。

2.3 鉆探及鉆孔測(cè)井

目前，井下鉆探工程多無固定靶區(qū)，只是按照固定步距和角度布置鉆場(chǎng)和鉆孔，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，探測(cè)成本較高。井下鉆孔測(cè)井則是通過高分辨率視頻、自然伽瑪測(cè)井、孔斜測(cè)量等方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的標(biāo)定和孔內(nèi)巖性的判斷。

本次研究主要通過綜合物探手段劃定靶區(qū)，利用鉆探和鉆孔測(cè)井技術(shù)推斷異常性質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)回采工作面地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)化綜合探測(cè)。

3 綜合探測(cè)成果

3.1 槽波地震勘探

綜合地面三維地震資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果與探測(cè)目的，本次槽波地震勘探采用透射法，設(shè)計(jì)測(cè)線長度為1500 m，如圖2所示，在43213巷布置檢波器孔75個(gè)，道間距20 m，43211巷布置炮孔75個(gè)，炮間距20 m。

圖2 4321工作面槽波地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

圖3為本次比較典型的槽波單炮記錄，可以看出槽波能量相對(duì)較強(qiáng)，速度相對(duì)較低、頻率相對(duì)較高。另外，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)單炮記錄均能接收到槽波，只是不同地區(qū)槽波透射能量稍有差別。

圖3 典型槽波單炮記錄

本次槽波地震勘探成果主要利用槽波能量衰減系數(shù)CT方法，共推斷斷層2條，命名為CBF1～CBF2，異常區(qū)10處，命名為CBYC1～CBYC10，如圖4所示。圖4中黃～紅色表示槽波能量高衰減區(qū)域。

圖4 4321工作面槽波地震勘探成果圖

3.2 無線電波透視

本次無線電波透視在兩條巷道進(jìn)行，采用一發(fā)一收方式施工。43213巷布置發(fā)射點(diǎn)29個(gè)，發(fā)射點(diǎn)間距50 m，43211巷布置接收點(diǎn)290個(gè)，接收點(diǎn)間距5 m。

本次反演結(jié)果以實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線和SIRT法CT成像圖表示，共圈定5處異常，命名為KTYC1～KTYC5，如圖5所示。圖5中，SIRT法CT成像圖為煤巖層電磁波吸收系數(shù)值圖，數(shù)據(jù)值大小用不同色標(biāo)值表示，其中，冷(藍(lán))色調(diào)為高電磁波吸收系數(shù)值。

圖5 4321工作面無線電波透視成果圖

結(jié)合槽波地震勘探成果，再根據(jù)無線電波透視對(duì)陷落柱反應(yīng)敏感，推斷KTYC1對(duì)應(yīng)的CBYC1區(qū)域、KTYC2對(duì)應(yīng)的CBYC3區(qū)域、KTYC3對(duì)應(yīng)的CBYC4區(qū)域、KTYC4對(duì)應(yīng)的CBYC9區(qū)域、KTYC5對(duì)應(yīng)的CBYC10區(qū)域均為陷落柱反應(yīng)。

3.3 鉆探及鉆孔測(cè)井

綜合槽波地震勘探成果與無線電波透視成果所圈異常，在工作面兩巷道合理布設(shè)鉆場(chǎng)和鉆孔，展開鉆探和鉆孔測(cè)井工作。可以看到陷落柱、斷層、煤體破碎區(qū)反應(yīng)明顯，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鉆孔窺視成像圖

當(dāng)窺視及測(cè)井結(jié)果顯示有煤巖體雜亂，并含有煤層頂板破碎巖塊，可判斷為陷落柱；當(dāng)窺視及測(cè)井結(jié)果依次出現(xiàn)“煤層—破碎區(qū)/裂隙帶—煤層頂板/底板”等現(xiàn)象，可判斷為斷層；當(dāng)窺視及測(cè)井結(jié)果出現(xiàn)煤體破碎且無明顯穿巖界面時(shí)，可判斷為煤體破碎區(qū)。

3.4 精細(xì)化分析結(jié)果

綜合以上3種方法對(duì)4321工作面進(jìn)行精細(xì)化綜合探測(cè)，共圈定陷落柱5個(gè)，命名為ZHX1～ZHX5，推斷斷層1條，命名為ZHF1，推斷煤體破碎區(qū)5處，命名為ZHYC1～ZHYC5，結(jié)果如圖7所示。

圖7 4321工作面地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化探測(cè)成果圖

4 探采對(duì)比

4321工作面目前已安全回采完畢，共揭露陷落柱5個(gè)(X1～X5)，斷層一條(F1)。對(duì)比精細(xì)化綜合探測(cè)結(jié)果與地面三維地震勘探成果發(fā)現(xiàn)，地面三維地震圈定陷落柱(KDX91～KDX94)與實(shí)際揭露陷落柱均存在位置和大小的偏差，且實(shí)際揭露的X2陷落柱并無反應(yīng)，而精細(xì)化綜合探測(cè)圈定陷落柱與實(shí)際揭露陷落柱位置和大小均較吻合，另外，圈定的ZHF1斷層與實(shí)際揭露的F1斷層較為對(duì)應(yīng)，ZHYC1～ZHYC5異常也均有片幫、冒頂?shù)谋憩F(xiàn)。4321工作面探測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 4321工作面探測(cè)對(duì)比結(jié)果

綜上所述，本次地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化綜合探測(cè)效果良好，不但能有效結(jié)合各種探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確圈定地質(zhì)構(gòu)造賦存位置，而且可以較準(zhǔn)確地推斷異常性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)采前地質(zhì)構(gòu)造的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，對(duì)回采工作面的安全高效開采和智能開采具有重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

(1)槽波地震勘探與無線電波透視可以大體圈定采面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)異常的位置和范圍，并對(duì)陷落柱進(jìn)行初判。

(2)針對(duì)物探異常區(qū)域的鉆探和鉆孔測(cè)井能夠?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確定性，如斷層、陷落柱、煤體破碎區(qū)等。

(3)物探與鉆探相結(jié)合的回采工作面地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化探測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)采面地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，杜絕相關(guān)事故發(fā)生，對(duì)礦井的安全高產(chǎn)高效以及智慧礦山建設(shè)意義重大，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。