煤礦采空區(qū)勘查設(shè)計(jì)技術(shù)研究

雷志國

(霍州煤電集團(tuán) 豐峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

隨著煤礦逐漸向深部開采，形成了大量的采空區(qū)，對煤礦的安全開采產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，為了解決采空區(qū)探測的問題，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一定研究。文獻(xiàn)[1]采用地表勘探、物探、鉆探等手段，對采空區(qū)進(jìn)行綜合勘查，掌握了煤礦采空區(qū)的位置、范圍，在采空區(qū)勘查基礎(chǔ)上，全面分析了采空區(qū)的隱患類型，為研究采空區(qū)進(jìn)行綜合治理提供了技術(shù)支持；文獻(xiàn)[2]采用層析成像法，分析了煤礦采空區(qū)地球物理特征，反演結(jié)果與實(shí)際鉆孔資料進(jìn)行對比分析，表明該方法能夠較好地預(yù)測采空區(qū)的位置；文獻(xiàn)[3]采用高密度電法、瞬變電磁法、高密度二維地震法和三維地震綜合法對煤礦進(jìn)行了探測，得出三維綜合探測結(jié)果和二維探測結(jié)果在空間上異常區(qū)域具有較高的吻合關(guān)系，表明了綜合物探法對煤礦采空區(qū)的探測是有效的。鑒于此，本文研究了煤礦采空區(qū)勘查設(shè)計(jì)，主要包括收集資料、井下實(shí)測、瞬變電磁法、鉆探、地球物理測井等工程方法。研究為類似工程條件煤礦采空區(qū)勘探提供了借鑒。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層

霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司井田位于霍西煤田霍州礦區(qū)東南部，礦區(qū)內(nèi)大部分被第四系地層所覆蓋。根據(jù)地表出露及生產(chǎn)礦井和鉆孔揭露，區(qū)域地層由老至新為：中太古界霍縣群；元古界長城系；古生界寒武系下統(tǒng)、中統(tǒng)、上統(tǒng)；奧陶系下統(tǒng)、中統(tǒng)；石炭系上統(tǒng)；二疊系下統(tǒng)、中統(tǒng)、上統(tǒng)；新生界新近系、第四系。

(1)奧陶系(O)。井田位于霍西煤田霍州礦區(qū)辛置精查勘探區(qū)的西側(cè)、北益昌普查區(qū)南部。峰峰組(O2f)為煤系地層基底，據(jù)區(qū)域資料厚度大于100 m，巖性一般以灰色厚層狀致密石灰?guī)r為主，其次有角礫泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖，中上部局部有一石膏層，地層中裂隙多為方解石脈充填。辛置勘探區(qū)以往118號鉆孔揭露厚度51.07 m；井田內(nèi)以往511號鉆孔揭露厚度2.89 m。

(2)石炭系。①本溪組(C2b)平行不整合于峰峰組之上，厚度15.30 m，為海陸交互相，底部為山西式鐵礦及鋁土礦，其上為灰色砂質(zhì)泥巖、砂巖，其中含不穩(wěn)定灰?guī)r1～3層，厚度多在1 m以下，局部有不穩(wěn)定薄煤層。②太原組(C2-P1t)與下伏本溪組整合接觸，是區(qū)內(nèi)主要的含煤地層之一，全層厚度為78.86～98.39 m，平均厚91.60 m，為海陸交互相沉積，巖性主要由灰黑色泥巖、灰?guī)r、薄層砂巖及煤層組成，沉積穩(wěn)定，標(biāo)志層明顯，含煤4～6層，可采煤層有5號、6號、9號、10號、11號煤。

(3)二疊系。①山西組(P1s)。該組為一套陸相碎屑巖含煤建造，為井田主要含煤地層之一，厚度38.95～44.90 m，平均厚43.54 m。主要由深灰—灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖間夾灰色中細(xì)粒砂巖煤組成。該組含2號煤層，為井田主要可采煤層，泥質(zhì)巖中富含植物化石。底部K7為灰色中粒砂巖，成分以石英為主，長石次之，分選性、磨圓度較差，斜層理發(fā)育，局部相變?yōu)榉凵皫r，厚度1.25～10.11 m，平均厚3.85 m。②下石盒子組(P2x)。與山西組地層整合接觸，全厚85.06～112.91 m，平均厚95.18 m，屬陸相沉積，按巖性特征可分為2段：下段主要為灰色、黃綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，有時含不穩(wěn)定的薄煤層，底部以灰白色中粒K8砂巖與山西組分界，K8砂巖多為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，成分以石英、長石為主，風(fēng)化后明顯的氧化鐵圈，底部常含小礫，厚0～4.70 m，平均厚1.87 m。上段多為黃綠色薄層砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，風(fēng)化后多呈陡崖，其頂部常有不穩(wěn)定的紫斑泥巖發(fā)育，俗稱“桃花泥巖”，底部K9細(xì)粒砂巖厚0～11.82 m，平均3.08 m，常相變?yōu)榉凵皫r。③上石盒子組(P2s)。該井田該組地層賦存不全，其上部地層多被風(fēng)化，僅殘留其下部地層。本組底部以中粗粒石英砂巖K10與下石盒子組整合接觸，其下部地層為杏黃色、黃綠色、紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖、薄層砂巖組成互層，上部地層為藍(lán)灰色、紫色泥巖夾薄層砂巖，質(zhì)軟易風(fēng)化，該區(qū)殘留厚度177 m左右。

(4)上第三系上新統(tǒng)(N2)。該區(qū)最大殘留厚度176.26 m，一般厚80 m，與下伏地層呈角度不整合接觸。井田內(nèi)溝谷處有零星出露。主要巖性：底部一般由礫石層組成，其上為灰色、淺灰色泥質(zhì)灰?guī)r，“淡水灰?guī)r”，中上部為紅色黏土，具水平層理。

(5)第四系(Q)。①中更新統(tǒng)(Q2)，厚0～30 m，平均厚10 m。與下伏地層呈角度不整合接觸。主要由黃灰色、淺紅色砂質(zhì)黏土、黏土組成，常含鈣質(zhì)結(jié)核，有時夾礫石。②上更新統(tǒng)(Q3)，厚0～20 m，平均厚10 m。主要巖性為淺黃色、褐黃色砂質(zhì)黏土，上部為次生黃土和耕植土夾砂礫層。

1.2 構(gòu)造

井田位于霍西煤田霍州礦區(qū)東部，據(jù)鉆探及井下開采資料證實(shí)，井田中的構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造密切相關(guān)，井田地層受區(qū)域構(gòu)造影響，井田總體構(gòu)造以軸向近南北的背斜構(gòu)造為主，主要發(fā)育有70余條斷層，斷層發(fā)育受到褶皺控制，分布于褶皺軸部兩側(cè)。

(1)褶皺。北益昌背斜：總體為軸向近南北向S形背斜，背斜軸位于井田中部，兩翼地層不對稱，西南翼寬緩，地層傾角2°～5°，東北翼較陡，地層傾角10°左右，局部達(dá)23°。

(2)斷層。井田斷層發(fā)育，落差大于20 m的大、中型斷層6條，落差10～20 m的小型斷層7條，主要斷層特征：①F1正斷層，位于井田東南部邊緣，為赤峪斷層支叉，井田內(nèi)延伸長度約0.43 km。走向N34°E，傾向NW，傾角70°，落差140 m。②F2正斷層，位于井田外東南部，為赤峪斷層支叉。走向N39°E，傾向SW，傾角70°，落差210 m。③F3正斷層，位于井田西北部，走向N32°E，傾向NW，傾角70°，落差30 m，井田內(nèi)延伸長度約2.0 km，為井下巷道所揭露。④F50正斷層(推斷)，位于井田西南部，走向北東24°，傾向NW，傾角66°，落差90～120 m，井田內(nèi)延伸長度約2.191 km，為井下巷道所揭露。⑤F74正斷層，位于井田南部，走向北東55°，傾向SE，傾角40°，落差20～25 m，井田內(nèi)延伸長度約0.65 km，為井下巷道所揭露。

(3)陷落柱。井田內(nèi)共揭露陷落柱9個，主要分布于井田中西部，空間形態(tài)為反漏斗型，其斷面為近圓形或半橢圓形，直徑20～60 m，為井下巷道所控制或鉆探探測所控制，構(gòu)造綱要圖如圖1所示。

圖1 構(gòu)造綱要Fig.1 Structural outline

2 采空區(qū)勘查設(shè)計(jì)

此次工作通過對各類資料的搜集整理和綜合研究基礎(chǔ)上對能進(jìn)入的采空區(qū)及巷道均進(jìn)行井下實(shí)測，井下實(shí)測工作不僅能直接測量出采空區(qū)范圍，還為下一步瞬變電磁法掃面工作提供參數(shù)依據(jù)，在瞬變電磁法成果的基礎(chǔ)上對無法進(jìn)行井下實(shí)測的區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，查明工作區(qū)內(nèi)采空區(qū)的范圍及分布。

(1)資料收集。資料搜集與分析研究是這次工作的重點(diǎn)之一，該項(xiàng)工作從野外調(diào)查至成果報告編寫始終進(jìn)行，要貫穿于項(xiàng)目實(shí)施的全過程。在井田范圍內(nèi)勘查、開采積累了大量資料，此次工作主要收集1956年6月—1958年5月原華北煤田地質(zhì)勘探局144勘探隊(duì)在辛置勘探區(qū)、北益昌勘探區(qū)進(jìn)行的精查勘探，在提交的《霍西煤田辛置勘探區(qū)精查地質(zhì)報告》《霍西煤田北益昌勘探區(qū)普查地質(zhì)報告》的基礎(chǔ)上，求得2號煤層C級儲量為6 164.5萬t，并經(jīng)原煤炭工業(yè)部華北煤田地質(zhì)勘探局審查批準(zhǔn)，可供參考利用。同時，收集整理霍州地區(qū)2019年以前的補(bǔ)勘資料，結(jié)合礦井采掘活動范圍進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

(2)井下實(shí)測。①采空區(qū)拐點(diǎn)、采掘巷道實(shí)測，選用TS-06型全站儀采用支導(dǎo)線法進(jìn)行測量，利用井筒近井點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)測。坐標(biāo)系采用國家80坐標(biāo)系。②采煤厚度采用鋼尺丈量配合氣動鉆機(jī)探煤的方式，對煤厚點(diǎn)進(jìn)行部分驗(yàn)證。③對已經(jīng)密閉的以往生產(chǎn)巷道及采空區(qū)、礦井瓦斯涌出量、煤塵爆炸性、煤的自燃、水文地質(zhì)條件、頂?shù)装逄卣鞯乳_采技術(shù)條件以調(diào)查、訪問、搜集資料為主要手段，通過對資料的分析整理、繪制采掘工程平面圖、充水性圖等各種綜合性圖件，完成報告的編寫。

(3)瞬變電磁法工作。本次工作采用瞬變電磁法進(jìn)行施工。瞬變電磁法方向性強(qiáng)，對導(dǎo)電體范圍和導(dǎo)電覆蓋層的分辨率較高，不易受高阻屏蔽及地形影響，在探測地下水的分布和空間位置精度較高，可根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水的特征分析判斷礦井充水水源及范圍。正式開工前，在勘探區(qū)內(nèi)2號煤層選XZ-2鉆孔布置試驗(yàn)坐標(biāo)點(diǎn)5個，進(jìn)行勘探深度、參數(shù)選擇試驗(yàn)[4-9]。

(4)鉆探工作。鉆探是此次工作最直接、最重要的勘探手段，其主要目的是驗(yàn)證物探工作成果，探明采空范圍及分布。此次設(shè)計(jì)4個鉆孔，鉆探總進(jìn)尺2 351 m。設(shè)計(jì)鉆孔根據(jù)測量和物探成果部署。

(5)地球物理測井工作。對所施工鉆孔需進(jìn)行綜合測井，設(shè)計(jì)測井深度為2 301 m，旨在劃分地層，判定采空區(qū)的深度及厚度等參數(shù)，分析煤巖層的物性數(shù)據(jù)，確定含水層位置及其相互補(bǔ)給關(guān)系。測井方法采用視電阻率、放射性、井徑、密度等測量。

3 工作方法及技術(shù)要求

3.1 井下實(shí)測

測量工作采空區(qū)拐點(diǎn)實(shí)測選用TS-6型全站儀采用支導(dǎo)線法進(jìn)行，坐標(biāo)系采用國家80坐標(biāo)系，不同的坐標(biāo)系還需選擇合理參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換使用。利用已知的坐標(biāo)點(diǎn)對井下巷道位置進(jìn)行測量，對采空區(qū)范圍應(yīng)多次復(fù)測，誤差應(yīng)滿足《煤礦測量規(guī)程》(1989年版)的要求(小于10 cm)，并對部分煤厚點(diǎn)應(yīng)用探煤鉆進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)井下實(shí)測與收集的煤厚點(diǎn)資料對比，誤差均應(yīng)小于0.20 m。

3.2 瞬變電磁法工作

此次測量采用PROTEM 67D瞬變電磁勘探系統(tǒng)。

(1)設(shè)計(jì)工作量。根據(jù)所承擔(dān)的地質(zhì)任務(wù)，主要查明勘探區(qū)內(nèi)采空區(qū)的賦水情況和地質(zhì)構(gòu)造，以及50 m以上斷層位置走向及其富含水性。測網(wǎng)布設(shè)原則為主測線大致垂直于本測區(qū)的主構(gòu)造方向且兼顧施工方便，測線方向?yàn)榻鼥|西向布設(shè)。測網(wǎng)密度為：40 m(線距)×20 m(點(diǎn)距)。全區(qū)共布設(shè)瞬變電磁測線105條，設(shè)計(jì)坐標(biāo)點(diǎn)6 258個，檢測點(diǎn)按總坐標(biāo)點(diǎn)5%計(jì)算，計(jì)312個；試驗(yàn)瞬變點(diǎn)50個；共計(jì)瞬變電磁物理點(diǎn)6 620個。

(2)資料處理解釋及提交成果。資料處理流程如圖2所示。

圖2 資料處理流程Fig.2 Data processing flow

(3)預(yù)計(jì)勘查成果。形成瞬變電磁勘探文字報告，得出實(shí)際材料圖及煤層采空區(qū)范圍分布圖。

3.3 鉆探工作

(1)鉆探工藝。①施工裝備。根據(jù)勘查區(qū)的地層、水文、地貌、工作量、技術(shù)要求、工期等條件，勘查選用 XY-4等型號鉆機(jī)和與此相匹配的附屬設(shè)備。②鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以滿足各分部工程為目的及施工工藝要求為原則，力求達(dá)到鉆探工藝的合理性和最佳的經(jīng)濟(jì)效果。根據(jù)本區(qū)地質(zhì)情況及設(shè)計(jì)目的，普查中設(shè)計(jì)的鉆孔終孔孔徑要求不小于91 mm，巖芯直徑不小于60 mm。結(jié)合水文地質(zhì)測繪、地面物探、水文測井、抽水試驗(yàn)(單孔)、水化學(xué)分析及同位素測試、巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試、動態(tài)觀測及工程測量等綜合勘查手段，從多方面獲取地質(zhì)及水文地質(zhì)資料信息，經(jīng)過綜合分析和研究，取得良好的勘探成果。

(2)鉆探工程質(zhì)量。①勘查過程中，設(shè)計(jì)鉆孔均要求山西組地層全取芯，直至終孔。②終孔層位。設(shè)計(jì)鉆孔終孔層位為2號煤層底板10 m，要求終孔層位必須取芯證實(shí)，且保證測井需求。③孔深檢查。此次所設(shè)計(jì)鉆孔均要求于見基巖、見驗(yàn)收煤層前后10 m、每鉆進(jìn)100 m、終孔和取灰漿樣均進(jìn)行孔深檢查，對孔深誤差超限者應(yīng)進(jìn)行合理平差和孔深校正。驗(yàn)收煤層部位出現(xiàn)誤差，均要進(jìn)行校正。④孔斜測量。凡竣工鉆孔均進(jìn)行孔斜測量，并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。為防止孔斜，在施工中按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行中途測斜，并依據(jù)測斜資料進(jìn)行孔斜換算。⑤鉆孔封閉。所有竣工鉆孔都要按封孔設(shè)計(jì)要求和鉆探規(guī)程規(guī)定進(jìn)行封閉，并做好封孔記錄。封閉層段為2號煤層上60 m至終孔全封閉、斷層帶上、下各封10 m，孔口封5 m，并埋暗標(biāo)或明標(biāo)。封閉層段的沙漿頂面要取樣檢查，沙漿面低于設(shè)計(jì)深度5 m者，必須重新補(bǔ)封。封孔所用材料：水泥強(qiáng)度等級應(yīng)為32級以上，變質(zhì)失效水泥不得使用。⑥原始資料記錄。各項(xiàng)原始記錄應(yīng)按統(tǒng)一規(guī)定的格式、內(nèi)容認(rèn)真填寫，做到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，內(nèi)容齊全，字跡清楚，并進(jìn)行評級驗(yàn)收，合格率≥85%?？傊?，此次布設(shè)鉆孔要求各專業(yè)人員在編制鉆孔設(shè)計(jì)時均要嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定做好施工和驗(yàn)收。

3.4 地球物理測井工作

(1)測井的地質(zhì)任務(wù)。①確定采空區(qū)或煤層埋藏深度、厚度、結(jié)構(gòu)和夾矸巖性；②劃分鉆孔巖性剖面，提供煤巖層的物性數(shù)據(jù)。③利用測井曲線進(jìn)行煤、巖對比，研究煤巖層變化規(guī)律及地質(zhì)構(gòu)造；④測定鉆孔孔徑、頂角、方位角。

(2)儀器設(shè)備及測井參數(shù)方法。①此次地球物理測井采用PSJ-1型數(shù)字測井系統(tǒng)，主要儀器設(shè)備為PSJ-1型數(shù)字采集記錄儀、PSM-1型密度三向探管、PSX-1型數(shù)字連續(xù)井斜檢測探管、PSV-1型聲波測井儀、PSDF-1型電極系探管、PSWL-1型井溫、井液電阻率探管。數(shù)據(jù)處理采用河北省邯鄲市工業(yè)自動化研究所的《ClogProV2.0》處理系統(tǒng)。對井上、井下儀器，按規(guī)范要求定期進(jìn)行校驗(yàn)、標(biāo)定、刻度，其數(shù)據(jù)要存檔備查。②常規(guī)測井采用的參數(shù)方法，測試項(xiàng)目視電阻率等[10-11]。

(3)鉆孔數(shù)據(jù)采集。①對煤、巖層按規(guī)范規(guī)定的采樣間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：目的層不大于5 cm；其他層可不大于10 cm(特殊要求除外)。②地質(zhì)孔含煤層段必測參數(shù)不少于4種。其中，自然電位(DZW)、視電阻率(DLW)、自然伽馬(HG)、伽馬伽馬(HGG)4種必不可少；非含煤段不少于3種。③各種參數(shù)的測量技術(shù)符合規(guī)范要求。

(4)單孔提交的圖件。①1∶200、1∶500數(shù)字測井綜合成果圖；②1∶50數(shù)字測井煤層段綜合成果圖；③測井剖面解釋成果；④測斜記錄表。

4 結(jié)語

本文分析了煤礦采空區(qū)勘查設(shè)計(jì)，主要包括收集資料、井下實(shí)測、瞬變電磁法、鉆探、地球物理測井等工程，并研究了其工作方法及技術(shù)要求。通過對各類資料的搜集整理和綜合研究基礎(chǔ)上，井下實(shí)測工作能直接測量出采空區(qū)范圍，可以為瞬變電磁法掃面工作提供參數(shù)依據(jù)，在瞬變電磁法成果的基礎(chǔ)上，對無法進(jìn)行井下實(shí)測的區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，采用該綜合探測方法，能夠有效查明工作區(qū)內(nèi)采空區(qū)的范圍及分布。