巷道突水分析及槽波地震法探明小断层的应用

刘建伟

（山西新景煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

山西新景煤矿15010 工作面井下位于+414 m水平，埋深为560～640 m。 工作面井下位于保安东区南翼东部，为15#煤层的首采工作面，工作面走向长1 500 m，倾斜长210 m。 15#煤层为井田的主要可采煤层，上距9#煤层45.0～65.80 m，平均55.87 m；煤厚3.68～7.56 m，平均6.14 m，属厚煤层，结构简单。 本井田内15#煤层上方有三大含水层，即：①第四系砂砾石孔隙含水层组；②二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层组；③二叠系下石盒子组砂岩裂隙含水层组。 其中③号含水层最厚， 含水层厚度为20.2～25.8 m，主要由粉砂岩、粗细砂岩组成，是最主要含水层。

依据15#煤层一采区的地质钻孔404 孔、357孔、627 孔探测结果，下石盒子组砂岩含水层单位涌水量1.3～11.18 L/s.m，渗透系数18.15～86.57 m/d。15#煤层一采区首先进行15010 回风巷的掘进，巷道掘进期间，迎头多次出现涌水异常，涌水量最大达到35 m3/h。 为确保15010 工作面的安全准备和回采，需对掘进工作面的涌水机理及防治方法展开研究。

2 掘进巷道工作面突水类型分析

煤矿巷道掘进过程中突水现象很常见，依据地质和开采技术条件，对新景矿15010 工作面回风巷掘进期间突水现象进行分析：

（1）突水水源分析

井下巷道掘进工作面常见的突水水源可分为人为形成的和天然形成的水源[1]。 ①人为形成的水源主要指掘进工作面上方煤层采空区形成的积水（老空水）。 新景矿15#煤层与上方9#煤层采空区层间距为45.0～65.8 m，而15#煤层回采导水裂隙带发育高度为

远小于煤层间距，因此可以排除上层老空区积水的影响； ②天然形成的水源主要指大气降水、地表水和地下水。 大气降水为地表水的主要补给水源，地表水通过岩层中的节理裂隙，断层，岩溶裂隙等多种途径补给地下水。 15#煤层埋深较深， 所以15101 工作面的涌水水源为地下水， 大气降水和地表水间接和直接补给地下水。 按照含水层的性质又分为灰岩岩溶裂隙含水层水和砂岩裂隙含水层水。灰岩含水层主要位于煤层下方，太原组灰岩水和奥陶系灰岩水具有承压性，当掘进工作面底板破坏深度导通隔水层时，突水事故即刻发生，突水的规模相对较大；砂岩裂隙含水层普遍存在于煤矿上覆岩层中， 掘进工作面顶板裂隙发育导通砂岩含水层时， 巷道顶板将发生大量涌水。 根据新景矿15010回风巷掘进期间工作面的涌水量和涌水位置可知，其直接充水水源为工作面上方的二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层组。

（2）突水通道分析

图1 突水通道

突水通道的形成原因可分为原始通道型和采动影响型。 ①采动影响型指由于掘进工作面的采动应力，导致巷道围岩变形破坏、裂隙发育扩展，导通上覆含水层，见图1（a）。裂隙的发育为渐进过程，突水过程中水量多表现为逐渐增大而后减小的趋势；②原始通道型指巷道掘进之前，该区域存在原始导水裂隙或者原始导水断层等，见图1（b）。 当巷道掘进至该区域时，工作面即发生突水，突水发生通常较为突然，水量猛然增大。 根据新景矿15010 回风巷掘进期间工作面的涌水情况可知，工作面突水通道主要为原始导水断层。

3 工作面地质构造反射槽波地震探测技术

根据上述理论分析，新景矿15010 回风巷掘进工作面突水主要由于断层导通上覆砂岩含水层。 为保证15010 工作面其余巷道的安全施工，需确定工作面范围内断层的分布。 为了精确查明15010 工作面回风巷两侧断层构造的发育情况，经分析，决定采用透射槽波地震的方法进行探测。 测线沿回风巷布置，总测线长度1 500 m，巷道两侧横向探测范围约为1 000 m。

3.1 槽波地震勘探方法的选择及过程

槽波地震勘探法[3-4]主要是通过在煤层中激发和传播导波，根据导波传播速度、强度的差异，判断煤层中小断层、陷落柱、采空区等地质异常区域的分布，具有探测距离大、精度高、探测结果直观易识别的优点。 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质勘探法最为常用、最可靠的一种探测方法，其原理见图2（a）。 在工作面一侧的回采巷道内布置震源，另一侧的回采巷道内布置槽波接收点，根据槽波信号的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。 ②槽波反射法其原理见图2（b），该种方法主要有效利用反射槽波信号，如果槽波在煤层中传播遇到了煤层中的不连续体，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差异）的分界面，就会产生反射槽波信号，识别出这些反射槽波信号，就能直接判断出煤层不连续体的位置。 震源和检波点布置在同一巷道内，该种方法的最大优点就是可以仅利用一条回采巷道探测其两侧的小构造，在巷道的掘进施工中具有重要意义。 新景矿一采区现阶段仅完成了15010 回风巷的单巷掘进，因此选用槽波反射法勘探该区域的断层等构造。

图2 槽波地震勘探法原理

3.2 槽波地震勘探方案设计

（1）方案设计

为了探明15030 回风巷两侧的构造发育情况，设计目标以最大限度地接收有效数据，提高成像精度。 本次槽波探测测线布置在15010 进风巷内，布置炮点和检波器，采用阳泉新宇岩土工程有限责任公司自主研发的GeoCoal 槽波地震数据处理系统，经过正演模拟及计算测试，确定设计方案：

①检波点：10 m 道距， 回风巷左侧帮78 个，回风巷右侧帮78 个；

②炮点：10 m、20 m 炮距， 回风巷左侧帮50个，回风巷右侧帮57 个。

依据巷道揭露情况和煤层的变化趋势，在施工中要求检波器对接到巷道侧帮锚杆露头上，与锚杆耦合良好，并尽量靠向巷道底板煤层；炮眼打孔位置位于巷道煤层中部，炮孔深2.5 m，方向垂直于煤壁，药量0.3 kg，正向装药，炮泥填充1 m。 每个激发点放炮，所有的接收点均接收。 数据采集采用存储式无缆遥测地震仪（YTZ-3），采样间隔0.25 ms，记录长度2 s。 施工过程中，按测点标记位置布设仪器和检波器。 检波器与仪器之间用测线连接，固定到巷道侧帮煤层中。 测线布置完成后，放炮前其他人员撤离到安全地带，由具有井下放炮资质的爆破人员负责放炮，严格按照安全规程和专项安全技术措施规定进行作业，确保施工安全。 所有激发点放炮完毕，回收全部设备后，结束井下资料采集。 整理得到图3 中的勘探结果。 15010 回风巷北侧存在一条沿工作面倾斜方向的导水断层（断层1），回风巷南侧存在三条明显的导水断层（断层2～3），为一采区其余巷道的布置和掘进提供了可靠的地质资料。

图3 构造解释成果

4 结语

新景煤矿15#煤层一采区15010 回风巷掘进期间多次出现异常涌水。 根据工作面的地质条件，通过理论分析、数值计算，确定其突水水源为煤层上方的二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层组，突水通道主要为原始导水断层。 为确保采区工作面顺利布置，需精确查明15010 工作面回风巷两侧构造的发育情况， 设计采用槽波反射法进行勘探， 发现了15010 工作面小断层4 条， 为合理布置巷道和巷道掘进过程中的水害防治提供了可靠的地质依据。