巷道突水分析及槽波地震法探明小斷層的應(yīng)用

劉建偉

（山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

山西新景煤礦15010 工作面井下位于+414 m水平，埋深為560～640 m。 工作面井下位于保安東區(qū)南翼東部，為15#煤層的首采工作面，工作面走向長(zhǎng)1 500 m，傾斜長(zhǎng)210 m。 15#煤層為井田的主要可采煤層，上距9#煤層45.0～65.80 m，平均55.87 m；煤厚3.68～7.56 m，平均6.14 m，屬厚煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 本井田內(nèi)15#煤層上方有三大含水層，即：①第四系砂礫石孔隙含水層組；②二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層組；③二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層組。 其中③號(hào)含水層最厚， 含水層厚度為20.2～25.8 m，主要由粉砂巖、粗細(xì)砂巖組成，是最主要含水層。

依據(jù)15#煤層一采區(qū)的地質(zhì)鉆孔404 孔、357孔、627 孔探測(cè)結(jié)果，下石盒子組砂巖含水層單位涌水量1.3～11.18 L/s.m，滲透系數(shù)18.15～86.57 m/d。15#煤層一采區(qū)首先進(jìn)行15010 回風(fēng)巷的掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)期間，迎頭多次出現(xiàn)涌水異常，涌水量最大達(dá)到35 m3/h。 為確保15010 工作面的安全準(zhǔn)備和回采，需對(duì)掘進(jìn)工作面的涌水機(jī)理及防治方法展開(kāi)研究。

2 掘進(jìn)巷道工作面突水類(lèi)型分析

煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中突水現(xiàn)象很常見(jiàn)，依據(jù)地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件，對(duì)新景礦15010 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間突水現(xiàn)象進(jìn)行分析：

（1）突水水源分析

井下巷道掘進(jìn)工作面常見(jiàn)的突水水源可分為人為形成的和天然形成的水源[1]。 ①人為形成的水源主要指掘進(jìn)工作面上方煤層采空區(qū)形成的積水（老空水）。 新景礦15#煤層與上方9#煤層采空區(qū)層間距為45.0～65.8 m，而15#煤層回采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為

遠(yuǎn)小于煤層間距，因此可以排除上層老空區(qū)積水的影響； ②天然形成的水源主要指大氣降水、地表水和地下水。 大氣降水為地表水的主要補(bǔ)給水源，地表水通過(guò)巖層中的節(jié)理裂隙，斷層，巖溶裂隙等多種途徑補(bǔ)給地下水。 15#煤層埋深較深， 所以15101 工作面的涌水水源為地下水， 大氣降水和地表水間接和直接補(bǔ)給地下水。 按照含水層的性質(zhì)又分為灰?guī)r巖溶裂隙含水層水和砂巖裂隙含水層水?；?guī)r含水層主要位于煤層下方，太原組灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水具有承壓性，當(dāng)掘進(jìn)工作面底板破壞深度導(dǎo)通隔水層時(shí)，突水事故即刻發(fā)生，突水的規(guī)模相對(duì)較大；砂巖裂隙含水層普遍存在于煤礦上覆巖層中， 掘進(jìn)工作面頂板裂隙發(fā)育導(dǎo)通砂巖含水層時(shí)， 巷道頂板將發(fā)生大量涌水。 根據(jù)新景礦15010回風(fēng)巷掘進(jìn)期間工作面的涌水量和涌水位置可知，其直接充水水源為工作面上方的二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層組。

（2）突水通道分析

圖1 突水通道

突水通道的形成原因可分為原始通道型和采動(dòng)影響型。 ①采動(dòng)影響型指由于掘進(jìn)工作面的采動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致巷道圍巖變形破壞、裂隙發(fā)育擴(kuò)展，導(dǎo)通上覆含水層，見(jiàn)圖1（a）。裂隙的發(fā)育為漸進(jìn)過(guò)程，突水過(guò)程中水量多表現(xiàn)為逐漸增大而后減小的趨勢(shì)；②原始通道型指巷道掘進(jìn)之前，該區(qū)域存在原始導(dǎo)水裂隙或者原始導(dǎo)水?dāng)鄬拥?，?jiàn)圖1（b）。 當(dāng)巷道掘進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，工作面即發(fā)生突水，突水發(fā)生通常較為突然，水量猛然增大。 根據(jù)新景礦15010 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間工作面的涌水情況可知，工作面突水通道主要為原始導(dǎo)水?dāng)鄬印?/p>

3 工作面地質(zhì)構(gòu)造反射槽波地震探測(cè)技術(shù)

根據(jù)上述理論分析，新景礦15010 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面突水主要由于斷層導(dǎo)通上覆砂巖含水層。 為保證15010 工作面其余巷道的安全施工，需確定工作面范圍內(nèi)斷層的分布。 為了精確查明15010 工作面回風(fēng)巷兩側(cè)斷層構(gòu)造的發(fā)育情況，經(jīng)分析，決定采用透射槽波地震的方法進(jìn)行探測(cè)。 測(cè)線沿回風(fēng)巷布置，總測(cè)線長(zhǎng)度1 500 m，巷道兩側(cè)橫向探測(cè)范圍約為1 000 m。

3.1 槽波地震勘探方法的選擇及過(guò)程

槽波地震勘探法[3-4]主要是通過(guò)在煤層中激發(fā)和傳播導(dǎo)波，根據(jù)導(dǎo)波傳播速度、強(qiáng)度的差異，判斷煤層中小斷層、陷落柱、采空區(qū)等地質(zhì)異常區(qū)域的分布，具有探測(cè)距離大、精度高、探測(cè)結(jié)果直觀易識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)。 常用的勘探方法有槽波透射法和反射法。 ①槽波透射法是槽波地質(zhì)勘探法最為常用、最可靠的一種探測(cè)方法，其原理見(jiàn)圖2（a）。 在工作面一側(cè)的回采巷道內(nèi)布置震源，另一側(cè)的回采巷道內(nèi)布置槽波接收點(diǎn)，根據(jù)槽波信號(hào)的有無(wú)、強(qiáng)弱來(lái)判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無(wú)構(gòu)造異常。 ②槽波反射法其原理見(jiàn)圖2（b），該種方法主要有效利用反射槽波信號(hào)，如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差異）的分界面，就會(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)，識(shí)別出這些反射槽波信號(hào)，就能直接判斷出煤層不連續(xù)體的位置。 震源和檢波點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)，該種方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以僅利用一條回采巷道探測(cè)其兩側(cè)的小構(gòu)造，在巷道的掘進(jìn)施工中具有重要意義。 新景礦一采區(qū)現(xiàn)階段僅完成了15010 回風(fēng)巷的單巷掘進(jìn)，因此選用槽波反射法勘探該區(qū)域的斷層等構(gòu)造。

圖2 槽波地震勘探法原理

3.2 槽波地震勘探方案設(shè)計(jì)

（1）方案設(shè)計(jì)

為了探明15030 回風(fēng)巷兩側(cè)的構(gòu)造發(fā)育情況，設(shè)計(jì)目標(biāo)以最大限度地接收有效數(shù)據(jù)，提高成像精度。 本次槽波探測(cè)測(cè)線布置在15010 進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，布置炮點(diǎn)和檢波器，采用陽(yáng)泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司自主研發(fā)的GeoCoal 槽波地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)正演模擬及計(jì)算測(cè)試，確定設(shè)計(jì)方案：

①檢波點(diǎn)：10 m 道距， 回風(fēng)巷左側(cè)幫78 個(gè)，回風(fēng)巷右側(cè)幫78 個(gè)；

②炮點(diǎn)：10 m、20 m 炮距， 回風(fēng)巷左側(cè)幫50個(gè)，回風(fēng)巷右側(cè)幫57 個(gè)。

依據(jù)巷道揭露情況和煤層的變化趨勢(shì)，在施工中要求檢波器對(duì)接到巷道側(cè)幫錨桿露頭上，與錨桿耦合良好，并盡量靠向巷道底板煤層；炮眼打孔位置位于巷道煤層中部，炮孔深2.5 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg，正向裝藥，炮泥填充1 m。 每個(gè)激發(fā)點(diǎn)放炮，所有的接收點(diǎn)均接收。 數(shù)據(jù)采集采用存儲(chǔ)式無(wú)纜遙測(cè)地震儀（YTZ-3），采樣間隔0.25 ms，記錄長(zhǎng)度2 s。 施工過(guò)程中，按測(cè)點(diǎn)標(biāo)記位置布設(shè)儀器和檢波器。 檢波器與儀器之間用測(cè)線連接，固定到巷道側(cè)幫煤層中。 測(cè)線布置完成后，放炮前其他人員撤離到安全地帶，由具有井下放炮資質(zhì)的爆破人員負(fù)責(zé)放炮，嚴(yán)格按照安全規(guī)程和專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)措施規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，確保施工安全。 所有激發(fā)點(diǎn)放炮完畢，回收全部設(shè)備后，結(jié)束井下資料采集。 整理得到圖3 中的勘探結(jié)果。 15010 回風(fēng)巷北側(cè)存在一條沿工作面傾斜方向的導(dǎo)水?dāng)鄬樱〝鄬?），回風(fēng)巷南側(cè)存在三條明顯的導(dǎo)水?dāng)鄬樱〝鄬?～3），為一采區(qū)其余巷道的布置和掘進(jìn)提供了可靠的地質(zhì)資料。

圖3 構(gòu)造解釋成果

4 結(jié)語(yǔ)

新景煤礦15#煤層一采區(qū)15010 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間多次出現(xiàn)異常涌水。 根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算，確定其突水水源為煤層上方的二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層組，突水通道主要為原始導(dǎo)水?dāng)鄬印?為確保采區(qū)工作面順利布置，需精確查明15010 工作面回風(fēng)巷兩側(cè)構(gòu)造的發(fā)育情況， 設(shè)計(jì)采用槽波反射法進(jìn)行勘探， 發(fā)現(xiàn)了15010 工作面小斷層4 條， 為合理布置巷道和巷道掘進(jìn)過(guò)程中的水害防治提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。