緩斜厚煤層掘進(jìn)工作面斷層預(yù)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

付雪峰，嚴(yán)浩銘

(國(guó)家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

斷層地質(zhì)構(gòu)造是自然力作用引起的巖石及巖層的破裂 (斷裂)，巖層或巖體順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造，是地殼運(yùn)動(dòng)、變化的具體表現(xiàn)。煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，斷層構(gòu)造帶一直是影響掘進(jìn)效率及安全管理的一大難題。在煤礦掘進(jìn)工作面發(fā)生的安全事故中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)85%以上發(fā)生在斷層附近，如何查明掘進(jìn)工作面斷層分布是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的重要問(wèn)題[1]。

在煤礦開(kāi)采前，地質(zhì)普查報(bào)告已將井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造分布情況進(jìn)行了調(diào)查，礦井在設(shè)計(jì)時(shí)就需要避開(kāi)大斷層、陷落柱等不利于開(kāi)采的構(gòu)造，但無(wú)法避開(kāi)的小斷層仍對(duì)生產(chǎn)有一定影響，在巷道掘進(jìn)時(shí)需要對(duì)前方的斷層進(jìn)行超前探測(cè)。目前對(duì)于斷層的地質(zhì)超前探測(cè)方法有很多，主要有：三維地震法、水平聲波剖面法、瞬變電磁法、陸地聲納法、激發(fā)極化法、探地雷達(dá)法、紅外探水法、電阻率成像法等[2]。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用促進(jìn)了小斷層探測(cè)技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)學(xué)地質(zhì)模型計(jì)算、數(shù)字圖形處理、專家系統(tǒng)、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)等方法[3]，以上方法都能夠很好地探測(cè)斷層形態(tài)及產(chǎn)狀，但這些方法都有一個(gè)共同的局限性：其配套設(shè)備設(shè)施較為復(fù)雜，適用于地質(zhì)普查這類的大范圍斷層探查，但對(duì)于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)斷層仍有其不適之處[4-9]。緩傾斜厚煤層綜掘工作面沿煤層底板掘進(jìn)時(shí)，遇落差大于巷道二分之一的斷層時(shí)，如掘進(jìn)層位調(diào)整不及時(shí)，容易出現(xiàn)大面積割巖現(xiàn)象。

1 工程概況

1.1 掘進(jìn)工作面情況

屯寶礦井位于我國(guó)西部礦區(qū)，所采煤層為厚煤層，平均厚度4.2m，平均傾角18°，掘進(jìn)工作面隨煤層底板沿走向布置，采取綜掘方式，配備EBZ160型綜掘機(jī)。礦井地質(zhì)普查階段開(kāi)展了三維地質(zhì)勘探工作，結(jié)果查明了勘探區(qū)內(nèi)落差不小于5m、復(fù)雜地段不小于8m的斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀以及延伸長(zhǎng)度、幅度大于10m的褶曲?？辈旖Y(jié)果表明礦井開(kāi)采范圍內(nèi)存在大小斷層17條，其中落差大于5m 的11條，小于5m的6條；其中，正斷層4條，逆斷層13條，斷層走向以EW和NWW為主，按照DF1-DF17編號(hào)。目前正在生產(chǎn)的采區(qū)位于勘探出的異常區(qū)右側(cè)。

1.2 存在的問(wèn)題

三維地質(zhì)勘探結(jié)果中斷層預(yù)測(cè)的精度不高[10-12]，對(duì)于落差小于5m的斷層只預(yù)測(cè)出6條。礦井在開(kāi)采041工作面時(shí)，沿M4煤層底板掘進(jìn)了2條工作面巷道，切眼貫通形成工作面，041工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)根據(jù)三維地震勘探結(jié)果表明存在5m以下斷層4條，5m以上斷層1條，巷道掘進(jìn)完畢后工作面上巷實(shí)際揭露出斷層11條，其中，1條落差大于5m，10條落差小于5m；工作面下巷實(shí)際揭露出斷層13條，其中，1條落差大于5m，12條落差小于5m。

工作面上巷在掘進(jìn)至356m時(shí)，突遇一條落差4.2m的正斷層，M4煤層底板抬高導(dǎo)致工作面迎頭變?yōu)槿珟r，工作面隨即按照+8°上坡掘進(jìn)調(diào)整層位。由于EBZ160型綜掘機(jī)不具備割巖能力，在嘗試輔助松動(dòng)爆破兩日后效果不佳，被迫采取綜掘機(jī)后退20m上坡挑頂掘進(jìn)后才順利通過(guò)該斷層，如圖1所示。繼續(xù)掘進(jìn)至875m時(shí)又遇落差4m正斷層，采取了相同的方式處理。工作面下巷掘進(jìn)滯后于上巷，在上巷遇此情況后，下巷提前采取了預(yù)警措施，但仍發(fā)生了1次相類似事件。

圖1 工作面后退挑頂掘進(jìn)

2 工作面預(yù)測(cè)斷層方法

2.1 走向延伸法預(yù)測(cè)斷層

根據(jù)斷層成因的分析，斷層面斷裂面一般情況呈連續(xù)性，大斷層可能發(fā)育成為小的組合斷層，相反亦之。在周?chē)簩痈泊孑^為穩(wěn)定的情況下，斷裂面的延伸大致是按照斷層走向的方向進(jìn)行的，結(jié)合多元線性回歸分析其產(chǎn)狀變化[13-16]，推測(cè)區(qū)域內(nèi)斷層分布情況。利用041工作面上、下巷揭露出的斷層情況，分析同一斷層在上、下巷分布的位置，分析斷裂面延伸方向及角度，推測(cè)出斷層在042工作面上、下巷的大致位置，如此得出042掘進(jìn)工作面斷層分布預(yù)測(cè)，如圖2所示。

圖2 相鄰工作面幾何分析法預(yù)測(cè)斷層

由圖2可知，041工作面上巷在695m處揭露DF2正斷層，走向121°、傾向211°、傾角82°，落差0.7m；041工作面下巷在744m處揭露DF2正斷層，產(chǎn)狀與工作面上巷相似，按照該斷層走向方向向042工作面范圍內(nèi)延伸，即可預(yù)測(cè)出042工作面上巷DF2正斷層預(yù)計(jì)位置為755m。

斷層發(fā)育時(shí)，一部分小斷層由于其走向延伸距離較短，可能出現(xiàn)中途尖滅現(xiàn)象；另外也可能出現(xiàn)新發(fā)育的斷層，顯然走向延伸法對(duì)于此類情況無(wú)法預(yù)測(cè)，此時(shí)就需要利用工作面三維地震勘探結(jié)果結(jié)合地質(zhì)勘察詳查結(jié)果進(jìn)行分析，以判斷斷層尖滅及新發(fā)育情況。

2.2 鉆探法預(yù)測(cè)斷層

042掘進(jìn)工作面在鄰近預(yù)測(cè)斷層位置時(shí)采用鉆探進(jìn)行預(yù)測(cè)[17-20]。為防止鉆探造成突水事故，工作面掘進(jìn)期間嚴(yán)格遵循“逢掘必探”原則，由專用探放水鉆機(jī)施工，按照“探120m、掘90m”原則，探明前方水害情況，并堅(jiān)持鉆探先行、物探驗(yàn)證。

由于落差小于1m的斷層對(duì)于掘進(jìn)層位影響不大，且即使探明位置也無(wú)需提前進(jìn)行層位調(diào)整，因此本文所述的鉆探法只針對(duì)落差大于1m的斷層，掘進(jìn)至距預(yù)測(cè)斷層位置20m時(shí)，每日早班掘進(jìn)前，先在工作面迎頭向前施工鉆探孔，探孔直徑42mm，深度10m，仰角-5°～10°，使用風(fēng)煤鉆配合?42mm可接鉆桿施工，鉆探孔布置如圖3所示，鉆探孔參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 042上巷掘進(jìn)面鉆探孔布置(mm)

表1 042掘進(jìn)面鉆探孔參數(shù)

工作面巷道沿M4煤層底板、破底板0.5m掘進(jìn)，1#孔距煤層底板垂距1.1m，2#孔垂距3m，3#孔垂距2m，4#孔垂距3.25m，5#孔垂距0.6m，根據(jù)各鉆孔不同探煤、巖情況，可分析出前方斷層位置及底板調(diào)高、降低情況，各鉆探孔煤巖勘探情況對(duì)應(yīng)斷層產(chǎn)狀見(jiàn)表2。

施工探孔時(shí)，先施工1#、2#孔，如均正常全煤，則可判斷前方10m范圍無(wú)斷層，不再施工其余孔；1#、2#其中一個(gè)見(jiàn)巖，則繼續(xù)施工3#孔，即可判斷前方斷層情況；1#、2#、3#孔都見(jiàn)巖時(shí)，再施工4#、5#孔；如出現(xiàn)1#—5#孔都見(jiàn)巖，可以判斷前方斷層落差大于4.5m，此時(shí)需要增大仰俯角再施工探孔，鑒于該情況比較少見(jiàn)，因此不再詳細(xì)介紹探孔布置方式。判斷出斷層落差及底板抬高、降低情況后，提前調(diào)整工作面掘進(jìn)坡度以減少過(guò)斷層后割巖石厚度。

表2 各鉆探孔煤巖勘探情況對(duì)應(yīng)斷層產(chǎn)狀

3 實(shí)施效果

042工作面上、下巷掘進(jìn)期間，采用上述方法預(yù)測(cè)斷層，首先利用幾何分析法預(yù)測(cè)出了上、下巷各斷層的分布位置及產(chǎn)狀，具體見(jiàn)表3。

表3 042掘進(jìn)面上巷斷層預(yù)測(cè)位置及產(chǎn)狀

根據(jù)預(yù)測(cè)出的斷層產(chǎn)狀及位置，042工作面上巷在臨近斷層位置20m時(shí)在工作面迎頭施工鉆探孔，以T0斷層為例，上巷在掘進(jìn)至95m時(shí)開(kāi)始在迎頭施工鉆探孔，第一、二、三日未見(jiàn)異常，第四日掘進(jìn)至113m時(shí)，1#孔8m見(jiàn)巖，2#全煤、3#孔8.3m見(jiàn)巖，由此判斷出前方121m處有斷層，落差在2～3m之間，底板抬高，與預(yù)測(cè)情況相符。工作面調(diào)整掘進(jìn)層位，不再沿底板掘進(jìn)，改為+8°上坡掘進(jìn)，掘進(jìn)至121.5m遇T0斷層時(shí)，底板割巖石平均厚度1.44m。042工作面上巷T0斷層鉆探及層位調(diào)整如圖4所示。

圖4 042工作面上巷T0斷層鉆探及層位調(diào)整(mm)

掘進(jìn)至736m臨近預(yù)測(cè)的T5斷層時(shí)，該斷層在041工作面下巷揭露出時(shí)為底板降低，考慮到其落差較大，為避免遇斷層時(shí)出現(xiàn)全巖導(dǎo)致綜掘機(jī)無(wú)法截割，工作面在掘進(jìn)至716m時(shí)就提前調(diào)整為-5°下坡掘進(jìn)，并開(kāi)始在迎頭進(jìn)行鉆探，第三日掘進(jìn)至728m鉆探時(shí)前方7m出現(xiàn)異常，確定前方為T(mén)5斷層，底板降低落差約3m，巷道隨即調(diào)整為-8°掘進(jìn)，至揭露T5斷層后巷道底板丟煤1.6m，上部割巖石厚1.4m。042工作面上巷T5斷層鉆探及層位調(diào)整如圖5所示。

圖5 042工作面上巷T5斷層鉆探及層位調(diào)整(mm)

經(jīng)分析比較，042掘進(jìn)工作面實(shí)際揭露出12條斷層，落差在0.5～4.8m之間，其中，落差1.1m以上斷層共計(jì)10條，準(zhǔn)確探測(cè)出了8條，準(zhǔn)確率80%，根據(jù)探測(cè)出的斷層位置及產(chǎn)狀，工作面提前調(diào)整層位，使得該工作面掘進(jìn)過(guò)斷層時(shí)割巖厚度未超過(guò)1.6m，避免了因割巖過(guò)多造成無(wú)法正常掘進(jìn)現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)掘進(jìn)工作面臨近巷道已揭露斷層走向方向及產(chǎn)狀，通過(guò)走向延伸法預(yù)測(cè)臨近工作面斷層發(fā)育情況，在煤層覆存穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，其準(zhǔn)確度較高，但對(duì)于尖滅斷層，新發(fā)育斷層仍需要借助三維地震勘探及其他地質(zhì)勘察進(jìn)行判斷。

2)根據(jù)斷層預(yù)測(cè)結(jié)果，使用鉆探法超前進(jìn)行預(yù)測(cè)，在工作面最多施工5個(gè)鉆探孔，探孔長(zhǎng)度取10m為宜，根據(jù)各探孔煤巖情況可準(zhǔn)確地分析出前方斷層位置及底板升降情況，并將斷層落差誤差控制在1m以內(nèi)，再根據(jù)結(jié)果提前調(diào)整掘進(jìn)層位，以減少遇斷層時(shí)割巖厚度，避免過(guò)斷層時(shí)因巖石占比過(guò)大造成無(wú)法正常掘進(jìn)現(xiàn)象。對(duì)于落差小于1m的斷層，由于其對(duì)掘進(jìn)影響不大，可不進(jìn)行探測(cè)。