矿井深部复杂含煤区域断层探测实践

巩 起 立

（鹤壁煤电股份有限公司第九煤矿，河南 鹤壁458000）

0 引 言

矿井深部断层的准确探测不仅可以有效防治矿井采掘活动中水害事故的发生[1-3]，还能确保煤层的安全开采并促进煤炭资源合理开发利用[4]，因此矿井深部断层探测一直是学界的研究热点之一。安鹤煤田3206工作面底抽巷已形成，根据已有资料F150断层落差80～100m，而在此两者之间距底抽巷约30m 处可能存在落差达到40m 左右的推测断层，上述两条断层在工作面区域的存在与否、产状发育情况及其形成的特殊水文地质条件，可能对工作面的后续生产产生严重的制约作用。因此，需要对该两条断层在工作面附近区域的空间发育形态及相应水文地质条件进行探查。

1 井田构造特征

1.1 断层发育特征

安鹤煤田位于华北板块（内）南部，夹持于汤东断裂与林县断层之间，属于太行构造亚区之太行断隆，受汤东断裂直接控制。研究区断层总体上为北东走向的正断层，向南东倾斜，近似平行排列，有少量东西向断层（见图1）。局部断层非常发育，在剖面上互相切割，常出现阶梯状，成错综复杂的构造形态，对煤层破坏较大。区内落差大（等）于10m 断层33 条，其中落差大于100m 的7 条、50～100m 的3 条、10～50m 的23 条。此处重点介绍与探测区可能相关的断层F153、F150及F150-1。

图1 断层发育特征图

1）F153断层：位于井田中部，南起井田浅部一煤煤层露头，向北东横穿矿区，为区域性正断层，在井田内延伸3500m，走向NNE，倾向SEE，倾角78°，落差110～450m。

2）F150断层：位于井田北部，F153之东侧，为F153断层的分支，正断层，伸展长度为1.80km。走向NNE-NE，倾向75°～123°，倾角70°，落差由北向南逐渐变大，为40～200m。

3）F150-1断层：位于井田北部，F153与F150之间，为F150的分支。正断层，走向NNE，延伸长度为900m，倾向SEE，倾角75°；北端起于F150断层，南端尖灭，落差0～40m。

1.2 构造充水特征

本区主要可采煤层二1 煤层即可同太原组L8 灰岩相对接，已发现有以下充水构造：

1）F153断层：为勘查区西部边界断层，走向NNE，落差110～450m，断层具有一定的张性特征。二1 煤层与奥陶系灰岩含水层直接对接。根据钻孔对断层带的抽水结果，其单位涌水量0.0012～0.0215L/s.m，富水性较强，具有导水性质，奥陶系灰岩含水层极易通过断层破碎带向井田内充水，成为本区主要的充水水源。

2）F150断层：走向NNW，落差80～100m，局部二1煤层与太原组上段灰岩含水层直接对接。910-17 钻孔在钻进过程中遇断层出现微弱漏水，断层具有一定的富水性。

3）F150-1断层：落差0～40m，为压扭性正断层，中间落差最大，致使二1 煤层与太原组上段L8灰岩含水层直接对接，开采至该断层附近时应引起重视。

2 矿井深部F150 断层探测

基于现有技术手段，为探清矿井深部F150断层的分布状态及其导水特征，现采取物探与钻探相结合的研究思路进行分析，首先采用矿井震波超前探测技术和矿井瞬变电磁探测技术对该断层进行超前探测，然后基于物探勘查成果针对性的布设钻孔开展验证工作。

2.1 矿井震波超前探测

2.1.1 测线布置与数据采集

本次矿井MSP 探测采用KDZ1114-6B30 型号的超前探测仪，采用外置检波器、单检后置的工作方式。工作地点位于北翼边界回风巷2#钻场，现场施工时C1（检波器）布置在巷道右帮，共锤击21 锤（次），P1～P17 布置在右帮敲击，锤击点间距约为0.2m，P18～P21 在迎头敲击，C1 距迎头6.8m。

图2 2#钻场迎头MSP 超前探测测线布置示意图

2.1.2 数据处理

数据处理时统一以1#检波点为相对零点，巷道前方为X 正方向，Z 正方向指向左帮，Y 方向指向顶板建立坐标系，分别来确定锤击点、检波点坐标。将现场采集到的物探数据经过处理转化为可利用的物性图件，MSP 震波探测数据在MSP2.0 软件平台上进行，其处理流程为：数据预处理—频谱分析—直达波求取—反射波提取—速度分析—深度偏移—界面提取。根据速度谱特性曲线和现场岩性情况，结合其他单位以往施工过的探测数据及验证结果，本次MSP探测取综合速度为2.5m/ms 进行偏移处理速度，最终得到深度偏移剖面（图3）。

图3 MSP 深度偏移剖面

2.1.3 成果解释

从MSP 法深度偏移剖面（图3）中可以看出，在迎头前方不存在反射异常界面，初步分析测试点正前方80m 范围不存在大的地质构造。

2.2 矿井瞬变电磁探测

2.2.1 工作布置

本次探测采用YCS512 矿用本安型探水仪在北翼边界回风巷2 号钻场和4 号钻场开展工作。超前探测时以迎头正前方为零度方向，分为左60°、左30°、正前0°、右30°、右60°五个方位角。在垂直方向上进行顶板斜上45°、0°（水平）、底板斜下45°三个倾角的探测。在2 号钻场及4 号钻场各布置5 个测点，数据量共计30 组。

2.2.2 探测成果

本次应用矿井瞬变电磁法在2 号钻场和4 号钻场的探测成果见图4。本次工作圈定了1 个相对低阻异常区（1#异常区），位于4 号钻场的正前探测方向，探测深度10～20m。

图4 北翼边界回风巷2 号、4 号钻场探测断面图

2.2.3 成果解释

从北翼边界回风巷2 号、4 号钻场探测断面图分析，北翼边界回风巷2 号和4 号钻场超前探测范围内视电阻率值分布均匀稳定且电阻率值普遍偏高，因此认为探测区域内富水性较弱。4 号钻场正前探测方向的1#相对低阻异常，范围较小，距钻场较近，不排除钻场积水引起的异常。

2.3 物探探测结论

根据矿井震波超前探测成果及矿井瞬变电磁探测成果来看，在3206 工作面里段底抽巷外侧80m 范围内未发现构造及水文异常反应，即在矿井深部3206 工作面里段底抽巷外侧80m 范围内无断层分布。

3 钻探验证

3.1 钻探布设

为验证物探探测成果、准确确定3206 工作面向外85m 安全煤柱范围内是否存在断层，在3206 工作面底抽巷最里端布设扇形孔。自里向外分A、B、C 三个方位进行。A 方位325°，B 方位295°，C 方位263°，各设计钻孔2 个，总计6 个钻孔。所有钻孔均为仰角，设计总进尺551m。

3.2 钻探结果分析

钻探实际施工615m，根据钻孔揭露情况认为：

1）在3206 下顺槽里端向外85m 范围内，根据钻探钻进中已揭露的无破碎、无出水的情况看，所探范围内不存在断裂。

2）所探范围未揭露较大的或畅通性较好的开放性裂隙，且所有钻孔均没有出水现象，加之高压下也未能进行有效注浆施工，表明所探范围不存在与强含水层贯通的导水裂隙，由此推断工作面对应范围不存在来源于外侧水平以上方向的水害隐患。

4 结 论

结合井田断层发育特点及构造充水特征，通过在北翼边界回风巷开展矿井震波超前探测及矿井瞬变电磁探测，并基于其探测成果，针对性的开展了钻探验证工作。主要结论有：①在3206 下顺槽里端向外85m 范围内不存在断裂；②所探范围不存在与强含水层贯通的导水裂隙，由此推断工作面对应范围不存在来源于外侧水平以上方向的水害隐患；③矿井深部复杂含煤区域的断裂探测可联合采用震波超前探测、矿井瞬变电磁探测两种方法，其探测结果具有可靠性，可为其他矿井深部断裂探测提供借鉴。