煤礦井下過(guò)斷層地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)研究

張歷峰 王路

摘要：煤礦井下煤炭生產(chǎn)的采集深度逐年遞增，這帶來(lái)了一系列技術(shù)、安全問(wèn)題，巷道過(guò)斷層施工是其中一項(xiàng)，急需我們提高開(kāi)采技術(shù)，增強(qiáng)管理能力，以避免安全事故的發(fā)生。本文主要分析了煤礦井下過(guò)斷層的技術(shù)方法，介紹了調(diào)整割煤高度、割頂?shù)酌哼^(guò)斷層、沿?cái)鄬幼呦蚓蜻M(jìn)巷道等技術(shù)方法，同時(shí)分析了超前探測(cè)等技術(shù)對(duì)采區(qū)地面探查和物探鉆探一體化方法的探查研究，通過(guò)該方法來(lái)更好地確定斷層結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)于過(guò)斷層作業(yè)來(lái)說(shuō)具有指導(dǎo)性意義，更能有效地保障煤礦過(guò)斷層的施工安全。

關(guān)鍵詞：過(guò)斷層;煤礦;巷道掘進(jìn);超前預(yù)報(bào);地質(zhì)勘探

中圖分類(lèi)號(hào)：TD163? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

長(zhǎng)期以來(lái)地質(zhì)條件是限制煤炭開(kāi)采的一個(gè)重要因素，目前國(guó)內(nèi)煤炭生產(chǎn)近85%由地下開(kāi)采完成，在煤炭礦井的建設(shè)工程中，無(wú)論是巖石巷道還是煤層巷道都會(huì)遇到各種各樣復(fù)雜的地質(zhì)條件，由此給煤炭生產(chǎn)帶來(lái)極大安全問(wèn)題，有時(shí)甚至是毀滅性的災(zāi)難[1]。斷層就是其中一種，作為地殼運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的一種常見(jiàn)性多發(fā)性地質(zhì)現(xiàn)象，極易在巷道掘進(jìn)中遇到。破碎的斷層地質(zhì)條件給斷層區(qū)域巷道支護(hù)帶來(lái)極大的難度。在巷道通過(guò)時(shí)極易引發(fā)某些地質(zhì)災(zāi)害，如突水、冒頂?shù)?，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。因此，一直以來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于巷道過(guò)斷層時(shí)的超前探測(cè)技術(shù)以及支護(hù)技術(shù)的研究從未間斷[2]。合理且行之有效的過(guò)斷層技術(shù)是煤礦采集掘進(jìn)工作中的重點(diǎn)。同時(shí)，采用先進(jìn)的超前預(yù)報(bào)探測(cè)技術(shù)對(duì)于過(guò)斷層工作具有指導(dǎo)性意義。

1? ? 過(guò)斷層技術(shù)概述

1.1 平巷過(guò)斷層技術(shù)

在煤礦井下巷道的掘進(jìn)作業(yè)中，水平巷道作業(yè)時(shí)遇到的煤礦斷層均可認(rèn)定為傾向性斷層，當(dāng)巖體完整壓力較小，同時(shí)無(wú)滲水時(shí)，挖掘可以沿?cái)鄬舆M(jìn)行，直至新煤層為止。當(dāng)掘進(jìn)中巖層破碎且受壓力較大時(shí)，應(yīng)快速穿過(guò)斷層并在另一巖層中以平行斷層走向的方向繼續(xù)掘進(jìn)。

1.2 傾斜煤礦巷道過(guò)斷層技術(shù)

當(dāng)在傾斜巷道中進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，遇到斷層后，需要及時(shí)改變巷道前進(jìn)坡度，從而對(duì)斷層走向、傾向進(jìn)行檢測(cè)。在斷層落差較煤層厚度要小的時(shí)候需要采用挑頂或是臥底的方法來(lái)對(duì)其他煤層進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)斷層落差較大時(shí)，可通過(guò)選擇斷層石門(mén)進(jìn)的方式來(lái)挖掘另一煤層，從而確保煤炭采集總量。

1.3 過(guò)大斷層技術(shù)

煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，大斷層對(duì)于掘進(jìn)工作安全具有較大安全隱患，因此，在遇到大斷層時(shí)，應(yīng)該及時(shí)采取措施對(duì)斷層巖石進(jìn)行注漿加固，同時(shí)快速通過(guò)斷層，確保作業(yè)安全。

2? ? 煤礦井下掘進(jìn)面過(guò)斷層技術(shù)

煤礦井下掘進(jìn)工作面過(guò)斷層技術(shù)主要可以分為調(diào)整割煤高度、割頂?shù)酌哼^(guò)斷層，以及沿?cái)鄬幼呦蚓蜻M(jìn)巷道的方法來(lái)通過(guò)斷層[3]。

2.1 對(duì)割煤高度進(jìn)行調(diào)整

在煤礦井下掘進(jìn)中，通過(guò)對(duì)割煤高度進(jìn)行調(diào)整對(duì)于掘進(jìn)工作面過(guò)斷層有較大幫助，調(diào)整割煤高度之前需要對(duì)斷層與工作面之間的長(zhǎng)度進(jìn)行合理的計(jì)算，從而為割煤高度的調(diào)整提供可靠的依據(jù)。一般情況下，頂?shù)酌旱念A(yù)留厚度在100～150 mm內(nèi)，以保證采煤機(jī)的切割厚度[3]。調(diào)整割煤高度的方法來(lái)過(guò)斷層有一定的弊端，主要是該方法所需斷層高差較小，當(dāng)斷層高差較大時(shí)則不適用。

2.2 割頂?shù)酌哼^(guò)斷層

割頂?shù)酌哼^(guò)斷層的方法需要將切割高度控制在半米內(nèi)，如超出半米，則需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)割煤工作進(jìn)行預(yù)防松動(dòng)炮等輔助性工作，并且正式切割前可以采取爆破的方式來(lái)對(duì)采煤機(jī)的阻力進(jìn)行一定的削減[4]。

在實(shí)際操作中，采煤機(jī)的作業(yè)位置應(yīng)在斷層處稍加傾斜，便于其進(jìn)入斷層。

2.3 沿?cái)鄬幼呦蚓蜻M(jìn)

掘進(jìn)時(shí)需要對(duì)遇到的較小障礙物進(jìn)行清除，技術(shù)人員應(yīng)提前對(duì)前方斷層的走向進(jìn)行分析，從而確定行進(jìn)路線。沿?cái)鄬幼呦虻木蜻M(jìn)作業(yè)中，還需注意需要隨時(shí)將破壞的巖石進(jìn)行清除，沿?cái)鄬幼呦蚓蜻M(jìn)的方法可以提高掘進(jìn)效率，同時(shí)降低行進(jìn)過(guò)程中需要切割的巖體量。但同時(shí)，沿?cái)鄬幼呦蚓蜻M(jìn)也會(huì)帶來(lái)更大的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，在掘進(jìn)的同時(shí)，需要對(duì)支護(hù)及通風(fēng)工作進(jìn)行加強(qiáng)，避免安全事故。

3? ? 超前探測(cè)技術(shù)

地質(zhì)超前探測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)以及礦山地質(zhì)的開(kāi)采工作中應(yīng)用廣泛。其工作原理主要是通過(guò)地球物理場(chǎng)來(lái)對(duì)巷道前進(jìn)方向的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從而明確巷道前方的地質(zhì)情況，對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行定位及預(yù)先警示[5]。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的物探超前探測(cè)技術(shù)可以根據(jù)其應(yīng)用的物理場(chǎng)性質(zhì)的不同分為以下幾類(lèi)，即研究彈性波的地震勘探方法、應(yīng)用電磁波但采用地震勘探技術(shù)的地質(zhì)雷達(dá)法以及通過(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行超前探測(cè)的電法勘探方法（瞬變電磁等）[5]。不同方法所適用的范圍及其精度均不同，因此，方法的選擇需要根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況來(lái)進(jìn)行選擇。在條件允許的情況下，可采取多種物探方式進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試以彌補(bǔ)各自的缺陷，從而達(dá)到更好的測(cè)試效果。同時(shí)在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，可以通過(guò)鉆探的方式來(lái)對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行修正，減少多解性，大幅提升物探方法的準(zhǔn)確性及探測(cè)精度。

物探超前探測(cè)方法，按照其布設(shè)空間又可以分為巷道空間、鉆孔空間等。

3.1 巷道空間超前探測(cè)技術(shù)

3.1.1 MSP礦井地震波超前探測(cè)

該技術(shù)主要在礦井巷道中的有限空間中進(jìn)行作業(yè)，在煤礦礦井中，尤其可能存在易燃易爆氣體，因此只能通過(guò)錘擊的方式產(chǎn)生彈性波，MSP法主要的探測(cè)對(duì)象為巷道迎頭前方的地質(zhì)體，并且由于地震波是基于物體波阻抗差異來(lái)進(jìn)行探測(cè)的方法，它對(duì)于地質(zhì)體中的斷層、陷落柱、空洞等異常地質(zhì)體較為敏感。錘擊作為激發(fā)源時(shí)的最大有效探測(cè)深度通常為50 m左右，精度可達(dá)到1 m。

MSP法的觀測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后，提取信號(hào)中的縱波進(jìn)行深度偏移成像，即可對(duì)測(cè)試前方的地質(zhì)體有直觀的展示，典型的測(cè)試結(jié)果圖如圖2所示：

從圖2中可以明顯看出，在R1、R2、R3（108～151 m）處存在較明顯的反射信號(hào)，說(shuō)明該處地層波阻抗發(fā)生了變化，因此，結(jié)合地質(zhì)資料可以判定該位置存在斷層。

3.1.2 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法的探測(cè)原理是基于巖體同地下地質(zhì)構(gòu)造間所存在的導(dǎo)電性的差異，通過(guò)電磁線圈來(lái)向地質(zhì)體中發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)。在脈沖過(guò)程中，間斷的瞬時(shí)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)儀器上的線圈來(lái)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)即二次場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，從而對(duì)二次場(chǎng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的物理特性規(guī)律進(jìn)行研究的一種物探方法[6]。

而礦井瞬變電磁法的基本原理同瞬變電磁法相同，差異在于井下的可操作空間小，因此，用于發(fā)射接受電信號(hào)的線圈更改為周長(zhǎng)小但匝數(shù)增多的小線圈。相比瞬變電磁而言，礦井瞬變電磁法的有效探測(cè)深度會(huì)大打折扣。一般情況下，可以探測(cè)前方100 m內(nèi)的地質(zhì)富水區(qū)域。

3.1.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是一種基于電磁波的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，其原理是通過(guò)發(fā)射天線來(lái)發(fā)射高頻的電磁信號(hào)并且接受其在地質(zhì)體內(nèi)部的反射信號(hào)來(lái)研究被測(cè)物體內(nèi)部情況的技術(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)法能夠在礦井巷道中對(duì)地層中的斷層、空洞、富水區(qū)域有明顯的反映，其測(cè)試深度同采用的雷達(dá)天線頻率有關(guān)，通常100 MHZ天線的超前預(yù)報(bào)有效深度在20～30 m左右，其精度較高。典型測(cè)試結(jié)果剖面圖如圖3所示，當(dāng)?shù)貙又袔r層破碎時(shí)，電磁波信號(hào)反射能量會(huì)增強(qiáng)，且反射同相軸不連續(xù)。

4? ? 過(guò)斷層施工流程

過(guò)斷層施工具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，因此需要提取對(duì)采取斷層數(shù)量及位置進(jìn)行摸排。在巷道過(guò)斷層施工難度大的區(qū)域需要對(duì)可能遇見(jiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行充分考慮。在施工技術(shù)的層面上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該就煤礦井下巷道的施工前掌握各斷層具體的位置，同時(shí)還需要對(duì)巷道周邊的圍巖地質(zhì)條件有詳細(xì)的了解和把握[5]。

4.1 地面探查

在過(guò)斷層施工前，應(yīng)該進(jìn)行地面探查，且地面探查技術(shù)是超前探測(cè)技術(shù)的主要工作空間之一。地面探查通常采用物探及鉆探相結(jié)合的方式進(jìn)行，目的是對(duì)采取地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的了解。

4.2 斷層循環(huán)超前探查

斷層的超強(qiáng)探查通常采用的物探方法為瞬變電磁、直流電法、MSP地震法等，建議采用多種物探方法進(jìn)行聯(lián)合勘探。例如可采用直流電法同瞬變電磁法進(jìn)行配合，直流電法對(duì)于淺部異常更明顯，而瞬變電磁對(duì)于深部的異常較直流電法要更加明顯。

4.3 超前鉆探

在物探工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)鉆探法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證及控制。

4.4 孔內(nèi)超前探測(cè)

利用鉆孔來(lái)進(jìn)行物探超前探測(cè)，可以提升探測(cè)范圍及精度。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

在煤礦井下的過(guò)斷層技術(shù)施工中，除了選擇適合的施工技術(shù)外，還應(yīng)在施工前做好地質(zhì)超前探測(cè)工作，提前明確采取地質(zhì)圍巖條件、斷層位置、隱藏地質(zhì)災(zāi)害等，并且對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前做好預(yù)案。物探方法的選擇上應(yīng)該多樣化，充分考慮各自優(yōu)缺點(diǎn)，從而形成互補(bǔ)。合理地應(yīng)用技術(shù)、加強(qiáng)施工安全管控，只有這樣才能更好地保證煤礦井下掘進(jìn)工作的進(jìn)度及效率。

參考文獻(xiàn)

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