利用矿井钻探数据分析断层的几种方法探析

常蓝天

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西 襄垣 046200）

1 根据地质钻孔成果分析断层参数的原则

断层的存在直接导致岩层或岩体顺破裂面发生明显位移，寻找地层中广泛存在的标志层是判断断层存在及断层参数最有效的办法。煤层属于煤矿井下生产中十分重要的标志层，故寻找煤层发生位移的位置及位移距离十分重要。

2 分析方法

2.1 通过煤(岩)层断裂面分析断层赋存

巷道掘进前方没有断层情况下，煤巷施工地质钻孔见岩位置即煤层顶（底）板或煤层中部夹矸位置。利用地质钻孔探测的煤层顶（底）板位置连线可以判断煤层顶底板坡度变化情况；若出现钻探显示的煤层顶（底）板位置连线明显异常，即可判定断层的存在。

案例1：断层走向与巷道掘进方向夹角较大

已知巷道由西向东沿煤层顶板掘进，矩形断面，巷高3.5 m，巷宽5.0 m，掘进区域煤厚6.0 m，无厚层夹矸，煤层自然坡度0°左右，地质钻孔施工过程中出现异常见岩情况。钻孔施工情况见表1。

1-1#、1-2#钻孔见岩位置明显异常，钻孔见岩后仍施工10 m，排除见岩位置为矸石情况，钻孔见岩位置距离近似，但两钻孔见岩位置垂距仅2 m，与巷道掘进区域煤层厚度差异较大。判断该处存在地质异常。经补充施工1-3#、1-4#孔，明显看出煤层断开且掘进前方煤层位于正常煤层上方。经绘制钻孔剖面分析（见图1），判断掘进前方煤层厚度、煤层自然倾角均未出现明显变化，掘进前方26 m左右揭露煤层上升，落差11 m的正断层。

经再次补充施工N60°E方位的2-1#、2-2#钻孔，经绘制钻孔剖面分析（见图2），判断N60°E方位钻探位置向前26 m左右煤层上升，落差11 m的正断层。

将两组钻孔剖面图进行分析，判断的断层位置绘制平面（见图3），即可判断断层走向。

图1 E方向（第一组钻孔方向）剖面

图2 E方向（第二组钻孔方向）剖面

案例2：断层走向与巷道掘进走向夹角较小

已知巷道由西向东沿煤层顶板掘进，矩形断面，巷高3.5 m，巷宽5.0 m，掘进区域煤厚6.0 m，无厚层夹矸，煤层自然坡度0°左右。钻孔施工情况见表2。

表2 钻孔施工情况

经施工1-1#、1-2#、1-3#、1-4#地质钻孔绘制钻孔剖面分析（见图4），巷道北侧28 m左右存在煤层上升，落差11 m的正断层。

随巷道掘进，后续分别间隔20 m补充施工2-1#、2-2#、3-1#、3-2#、4-1#、4-2#钻孔，绘制钻孔剖面（见图5），分析巷道北侧正断层逐渐向巷道偏移，将4组钻孔剖面图分析判断的断层位置绘制平面（见图6），即可判断断层走向。

图3 巷道平面

图4 N方向（第一组钻孔方向）剖面

图5 N方向（第二组钻孔方向）剖面

图6 巷道平面

案例3：断层走向与巷道掘进走向近似且与巷道距离极近

已知巷道由西向东沿煤层顶板掘进，矩形断面，巷高3.5 m，巷宽5.0 m，掘进区域煤厚6.0 m，无厚层夹矸，煤层自然坡度0°左右。巷道掘进探煤厚作业过程中发现煤层厚度变化，在探煤孔显示的煤层厚度异常变化区域补充施工地质钻孔。钻孔施工情况见表3。

表3 钻孔施工情况

经施工1#、2#、3#、4#、5#地质钻孔绘制巷道断面分析（见图7），巷道掘进区域煤层上升，落差1.7 m的正断层。

随巷道掘进，分别间隔10 m，在巷道左、右侧垂直巷道底板补充施工探煤孔，巷道左侧探煤孔1#、2#、9#、10#钻孔均为2.5 m见岩，3#、4#、5#、6#、7#、8#钻孔均为0.8 m见岩，巷道右侧探煤孔均为2.5 m见岩，巷道掘进过程中顶板完好连续，绘制钻孔剖面（见图8），分析巷道北侧煤层上升的正断层在2#、3#钻孔间偏移至巷道内部，后在8#、9#钻孔间偏移至巷道北侧，最终得出结论，断层赋存情况见图10。巷道北侧煤层上升，落差1.7 m的正断层，且该断层走向与巷道掘进方向基本一致。

图7 巷道B位置断面

图8 A-A 、剖面

图9 巷道平面

2.2 通过模拟，推演巷道掘进前方断层运移情况，分析断层赋存

断层走向与巷道掘进走向近似，断层在巷道掘进迎头已揭露，且仅利用钻探数据绘制剖面图、平面图无法准确分析断层赋存情况。这种情况下，利用掘进巷道前方判断断层在巷道中延伸距离对生产有很好的作用。

案例：已知巷道由东向西掘进，矩形断面，巷高3.5 m，巷宽5.0 m，掘进区域煤厚6.0 m，无厚层夹矸，煤层自然坡度0°左右，已知巷道掘进区域存在巷道南侧煤层上升，断层与巷道掘进走向近似，且掘进过程中已持续过断层40余米。为查明断层在掘进前方具体偏移情况，补充施工地质钻孔，钻孔情况见表4。

表4 钻孔施工情况

1-1#、2-1#两钻孔34.3 m见岩位置，均为巷道顶板且为断层同一盘，巷道掘进前方煤层自然坡度仍为0°。其它钻孔数据差异明显，若依靠绘制钻孔剖面图办法分析断层走向运移情况，难度较大。

图10 巷道平面

图10中将钻探位置、掘进前方2 m、掘进前方11 m、掘进前方22 m、掘进前方34.3 m位置分别定为A、B、C、D、E五个位置，分别分析钻孔钻探至A、B、C、D、E五个位置时钻孔位置变化，见表5。

表5 钻孔施工情况

根据掘进前方钻孔位置变化情况，绘制巷道在A、B、C、D、E五个位置的钻孔位置图。

由于巷道掘进前方煤层自然坡度0°左右，可采用平移钻孔位置断层及煤岩分界情况至巷道各位置断面中，使得断层运移符合钻孔煤岩变化，最终形成巷道掘进前方2 m、11 m、22 m、34.3 m位置巷道的真实断面（见图11），直观明确巷道掘进前方断层运移情况。

图11 巷道A、B、C、D、E位置的真实断面

本案例中采用的煤层自然坡度0°，具有特殊性，但根据生产中遇到的煤层自然坡度计算，各钻孔在该自然坡度下钻探至掘进前方的不同位置的钻孔位置，并通过模拟推演巷道掘进前方断层运移情况，分析断层赋存十分可行。

3 根据钻探结果分析断层的局限性

井下施工断层探测钻孔过程中，由于施工人员不标准操作、钻探设备精度、钻孔记录人员判断煤岩分界滞后，以及其它干扰等因素影响，经常出现钻探数据不精确的情况，而利用不精确的钻探数据分析断层，必然无法准确判定断层参数。同时煤炭的赋存（煤层厚度、煤层自然坡度）并不完全具有均一性，沿不同方向的煤层自然坡度并非一致，已知沿巷道掘进方向煤层自然坡度并不能反映其他方位煤层自然坡度，同时根据现已掘进巷道显示的煤层自然坡度也并不能决定掘进前方煤层的自然坡度。

4 结语

通过上述几种分析办法，绝大多数情况下，分析处理井下钻探数据得出准确结论，有效地指导煤矿生产，对井下煤矿开采生产方案设计、生产计划调整、预防断层诱发的其他危险因素处理措施制定提供了可靠资料。虽然利用钻探结果分析断层存在各种局限因素，但利用定向钻孔施工、钻孔轨迹仪、钻孔成像仪等技术手段，可以有效消除误差。