煤矿井下过断层地质构造技术研究

张历峰 王路

摘要：煤矿井下煤炭生产的采集深度逐年递增，这带来了一系列技术、安全问题，巷道过断层施工是其中一项，急需我们提高开采技术，增强管理能力，以避免安全事故的发生。本文主要分析了煤矿井下过断层的技术方法，介绍了调整割煤高度、割顶底煤过断层、沿断层走向掘进巷道等技术方法，同时分析了超前探测等技术对采区地面探查和物探钻探一体化方法的探查研究，通过该方法来更好地确定断层结构状态，对于过断层作业来说具有指导性意义，更能有效地保障煤矿过断层的施工安全。

关键词：过断层;煤矿;巷道掘进;超前预报;地质勘探

中图分类号：TD163          文献标识码：A

长期以来地质条件是限制煤炭开采的一个重要因素，目前国内煤炭生产近85%由地下开采完成，在煤炭矿井的建设工程中，无论是岩石巷道还是煤层巷道都会遇到各种各样复杂的地质条件，由此给煤炭生产带来极大安全问题，有时甚至是毁灭性的灾难[1]。断层就是其中一种，作为地壳运动后产生的一种常见性多发性地质现象，极易在巷道掘进中遇到。破碎的断层地质条件给断层区域巷道支护带来极大的难度。在巷道通过时极易引发某些地质灾害，如突水、冒顶等，给煤矿安全生产带来极大的隐患。因此，一直以来国内外专家学者对于巷道过断层时的超前探测技术以及支护技术的研究从未间断[2]。合理且行之有效的过断层技术是煤矿采集掘进工作中的重点。同时，采用先进的超前预报探测技术对于过断层工作具有指导性意义。

1    过断层技术概述

1.1 平巷过断层技术

在煤矿井下巷道的掘进作业中，水平巷道作业时遇到的煤矿断层均可认定为倾向性断层，当岩体完整压力较小，同时无渗水时，挖掘可以沿断层进行，直至新煤层为止。当掘进中岩层破碎且受压力较大时，应快速穿过断层并在另一岩层中以平行断层走向的方向继续掘进。

1.2 倾斜煤矿巷道过断层技术

当在倾斜巷道中进行掘进时，遇到断层后，需要及时改变巷道前进坡度，从而对断层走向、傾向进行检测。在断层落差较煤层厚度要小的时候需要采用挑顶或是卧底的方法来对其他煤层进行探测。当断层落差较大时，可通过选择断层石门进的方式来挖掘另一煤层，从而确保煤炭采集总量。

1.3 过大断层技术

煤矿巷道掘进过程中，大断层对于掘进工作安全具有较大安全隐患，因此，在遇到大断层时，应该及时采取措施对断层岩石进行注浆加固，同时快速通过断层，确保作业安全。

2    煤矿井下掘进面过断层技术

煤矿井下掘进工作面过断层技术主要可以分为调整割煤高度、割顶底煤过断层，以及沿断层走向掘进巷道的方法来通过断层[3]。

2.1 对割煤高度进行调整

在煤矿井下掘进中，通过对割煤高度进行调整对于掘进工作面过断层有较大帮助，调整割煤高度之前需要对断层与工作面之间的长度进行合理的计算，从而为割煤高度的调整提供可靠的依据。一般情况下，顶底煤的预留厚度在100～150 mm内，以保证采煤机的切割厚度[3]。调整割煤高度的方法来过断层有一定的弊端，主要是该方法所需断层高差较小，当断层高差较大时则不适用。

2.2 割顶底煤过断层

割顶底煤过断层的方法需要将切割高度控制在半米内，如超出半米，则需要相关技术人员对割煤工作进行预防松动炮等辅助性工作，并且正式切割前可以采取爆破的方式来对采煤机的阻力进行一定的削减[4]。

在实际操作中，采煤机的作业位置应在断层处稍加倾斜，便于其进入断层。

2.3 沿断层走向掘进

掘进时需要对遇到的较小障碍物进行清除，技术人员应提前对前方断层的走向进行分析，从而确定行进路线。沿断层走向的掘进作业中，还需注意需要随时将破坏的岩石进行清除，沿断层走向掘进的方法可以提高掘进效率，同时降低行进过程中需要切割的岩体量。但同时，沿断层走向掘进也会带来更大的作业风险，在掘进的同时，需要对支护及通风工作进行加强，避免安全事故。

3    超前探测技术

地质超前探测技术在工程地质以及矿山地质的开采工作中应用广泛。其工作原理主要是通过地球物理场来对巷道前进方向的地层结构进行研究，从而明确巷道前方的地质情况，对不良地质体进行定位及预先警示[5]。

目前国内外普遍采用的物探超前探测技术可以根据其应用的物理场性质的不同分为以下几类，即研究弹性波的地震勘探方法、应用电磁波但采用地震勘探技术的地质雷达法以及通过电磁场进行超前探测的电法勘探方法（瞬变电磁等）[5]。不同方法所适用的范围及其精度均不同，因此，方法的选择需要根据实际的地质情况来进行选择。在条件允许的情况下，可采取多种物探方式进行联合测试以弥补各自的缺陷，从而达到更好的测试效果。同时在实际实施过程中，可以通过钻探的方式来对物探结果进行修正，减少多解性，大幅提升物探方法的准确性及探测精度。

物探超前探测方法，按照其布设空间又可以分为巷道空间、钻孔空间等。

3.1 巷道空间超前探测技术

3.1.1 MSP矿井地震波超前探测

该技术主要在矿井巷道中的有限空间中进行作业，在煤矿矿井中，尤其可能存在易燃易爆气体，因此只能通过锤击的方式产生弹性波，MSP法主要的探测对象为巷道迎头前方的地质体，并且由于地震波是基于物体波阻抗差异来进行探测的方法，它对于地质体中的断层、陷落柱、空洞等异常地质体较为敏感。锤击作为激发源时的最大有效探测深度通常为50 m左右，精度可达到1 m。

MSP法的观测系统如图1所示，当数据采集完毕后，提取信号中的纵波进行深度偏移成像，即可对测试前方的地质体有直观的展示，典型的测试结果图如图2所示：

從图2中可以明显看出，在R1、R2、R3（108～151 m）处存在较明显的反射信号，说明该处地层波阻抗发生了变化，因此，结合地质资料可以判定该位置存在断层。

3.1.2 矿井瞬变电磁法

瞬变电磁法的探测原理是基于岩体同地下地质构造间所存在的导电性的差异，通过电磁线圈来向地质体中发射一次脉冲电磁场。在脉冲过程中，间断的瞬时时间内，通过仪器上的线圈来对被测物体产生的感应电磁场即二次场进行观测，从而对二次场进行研究，实现对被测结构的物理特性规律进行研究的一种物探方法[6]。

而矿井瞬变电磁法的基本原理同瞬变电磁法相同，差异在于井下的可操作空间小，因此，用于发射接受电信号的线圈更改为周长小但匝数增多的小线圈。相比瞬变电磁而言，矿井瞬变电磁法的有效探测深度会大打折扣。一般情况下，可以探测前方100 m内的地质富水区域。

3.1.3 地质雷达法

地质雷达法是一种基于电磁波的无损探测技术，其原理是通过发射天线来发射高频的电磁信号并且接受其在地质体内部的反射信号来研究被测物体内部情况的技术。

地质雷达法能够在矿井巷道中对地层中的断层、空洞、富水区域有明显的反映，其测试深度同采用的雷达天线频率有关，通常100 MHZ天线的超前预报有效深度在20～30 m左右，其精度较高。典型测试结果剖面图如图3所示，当地层中岩层破碎时，电磁波信号反射能量会增强，且反射同相轴不连续。

4    过断层施工流程

过断层施工具有一定的风险性，因此需要提取对采取断层数量及位置进行摸排。在巷道过断层施工难度大的区域需要对可能遇见的施工风险问题进行充分考虑。在施工技术的层面上来说，应该就煤矿井下巷道的施工前掌握各断层具体的位置，同时还需要对巷道周边的围岩地质条件有详细的了解和把握[5]。

4.1 地面探查

在过断层施工前，应该进行地面探查，且地面探查技术是超前探测技术的主要工作空间之一。地面探查通常采用物探及钻探相结合的方式进行，目的是对采取地质结构进行详细的了解。

4.2 断层循环超前探查

断层的超强探查通常采用的物探方法为瞬变电磁、直流电法、MSP地震法等，建议采用多种物探方法进行联合勘探。例如可采用直流电法同瞬变电磁法进行配合，直流电法对于浅部异常更明显，而瞬变电磁对于深部的异常较直流电法要更加明显。

4.3 超前钻探

在物探工作的基础上，通过钻探法来进行验证及控制。

4.4 孔内超前探测

利用钻孔来进行物探超前探测，可以提升探测范围及精度。

5    结语

在煤矿井下的过断层技术施工中，除了选择适合的施工技术外，还应在施工前做好地质超前探测工作，提前明确采取地质围岩条件、断层位置、隐藏地质灾害等，并且对可能出现的问题提前做好预案。物探方法的选择上应该多样化，充分考虑各自优缺点，从而形成互补。合理地应用技术、加强施工安全管控，只有这样才能更好地保证煤矿井下掘进工作的进度及效率。

参考文献

[1] 代文磊，宋鹏伟.煤矿掘进工作面过断层安全施工研究[J].大科技，2014（16）：214-215.

[2] 毛强.司马煤矿掘进工作面过断层时主、被动联合支护技术[J].煤，2014（8）：69-70.

[3] 李鹏.煤矿掘进工作面过断层技术方法研究[J].石化技术，2020，27（5）：256，258.

[4] 冯福现.煤矿掘进工作面过断层安全施工研究[J].建筑工程技术与设计，2016，11（2）：567.

[5] 薛大伟.钱营孜煤矿石门过断层技术及管理研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.

[6] 尚中磊. 瞬变电磁法在煤矿矿井中的应用研究[D].太原：太原理工大学，2012.