长走向大采宽回采工作面断层构造探查预测研究

李胜林

（开滦能源化工股份公司 吕家坨矿业分公司，河北 唐山 063100）

当今煤矿随着矿井机械化程度的不断提高以及智能化矿井建设的要求，采区工作面的布置越来越趋向于大采宽和长走向，但这种综采工作面降低了两巷掘进工程中对工作面内部隐蔽致灾因素的控制程度，预测预报工作难度加大，在实际开采工作中，两巷掘进实见断层在工作面内部延展变化情况及隐伏构造不清，进而影响工作面安全高效回采的问题比较突出。针对长走向大采宽回采工作面如何做好两巷掘进实见断层在工作面内部延展变化及内部隐伏构造的预测预报工作，是一个较大的难题。笔者近年来通过不断的实践总结，从基础资料的综合分析、加强物探钻探手段的应用以及强化现场观测等方面入手，利用多种方法展开联合探测，进行综合分析预测预报，能够较好的解决预测预报难题。本文以吕家坨矿6272 回采工作面为例来进行分析研究。

1 概 况

吕家坨矿-950 二采上采区位于矿井南阳庄-岭上背斜西翼，区域呈不规则扇形，该区北半部分煤层由西向东大致走向为由NW-SE 向逐渐转为E-W 向，南半部分煤层以东南角为高点，向四周煤层逐渐降低，倾角3°～15°，平均8°。根据该区域和相邻区域三维地震勘探资料、地面孔资料以及实见资料分析，该区未发现陷落柱、古河流冲刷等构造、岩浆岩侵入等现象。该区域断层主要以张性断裂构造为主，断层走向主要为NE-SW 向，影响该区回采主要断层有62 条，控制程度均为可靠，其中落差大于10 m 的断层3 条，落差为6～30 m 的F4′正断层为巷道实见，此断层对采区的设计影响较大。该区域目前只在7 煤层布置了采掘工程，上伏5 煤层和下伏8、9、11、12 煤层均暂尚未布置采掘工程。

6272 工作面是该区域7 煤层回采的第三个工作面，走向长度900 m，倾斜长度190 m，平均煤厚3.7 m。工作面掘进工程完工后，共揭露断层19条，断层走向均呈NE-SW 向，符合区域应力方向特征，其中落差大于4 m 的断层3 条，分别为f6271-50、62f3 和DF21，如图1 所示。综合分析，该工作面地质构造较为复杂，断层是影响工作面安全回采的主要因素，其中6271-50 和62f3 断层落差大于煤厚且初步预测断层走向与采面夹角较小，工作面通过断层十分困难，将对回采造成极大的影响，DF21 断层在停采线以外，回采过程中揭露不到该断层。

图1 6272 工作面掘进现场实测收录构造示意Fig.1 The diagram of structures measured by excavation on site and collected in No.6272 face

为精确查明6272 工作面两巷实见断层在工作面内部的延展变化情况和内部隐伏构造发育情况，以便指导施工单位提前制定相应安全技术方案，有计划的揭露地质构造，保证安全高效回采，在基础地质资料综合分析成果的基础上强化物探和钻探手段，利用无线电坑透、地质探测仪及钻探等手段开展精细化综合探测。

2 综合探测分析方法及成果

2.1 坑道无线电波透视法

坑道无线电波透视法是以不同岩性的岩层对电磁波的吸收能力差异，以及构造面对电磁波产生的折射、反射作用理论为基础，通过在相邻巷道每隔一定的距离发射电测波，在巷道接受电磁波信号，依据探测区域的电磁波能量变化圈定地质议程区域。该方法适用于探测工作面内部的陷落柱、断层等小构造、冲刷带范围、煤厚变化范围和瓦斯富集区等。

该项探测安排在工作面回采前，采取定点法，发射机相对固定，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。首先以皮带巷为发射巷道，轨道巷为接收巷道，在皮带巷测点G8 处发射至切眼位置，每60 m 布置1 个发射点，期间轨道巷从测点P5 后25 m处开始，每10 m 接收一次数据，前进120 m，后退60 m 重复上一操作，以此类推；皮带巷发射完毕后，切换到轨道巷为发射巷道，皮带巷为接收巷道。皮带巷和轨道巷分别布置18 个发射点，共计36 个发射点，每个发射点发射3 min，搬站2 min。将采集数据进行处理分析并解释，探测范围内共存在2 个构造区，如图2 所示。

图2 6272 工作面无线电坑透成果Fig.2 The results of radio wave tunnel perspective in No.6272 face

Ⅰ号构造区：根据探测资料分析，该区域的探测数值较小，依据邻近区域工作面揭露的水文地质条件分析，该区域内没有含导水构造，因此不受水害威胁，出现探测数据变化可能受f6271-50 断层的影响，此区域顶板破碎。

Ⅱ号构造区：根据探测资料分析，该区域的探测数值较小，依据邻近区域工作面揭露的水文地质条件分析，该区域内没有含导水构造，因此不受水害威胁，出现探测数据变化可能受DF21、f6271-3、f6271-4 和f6271-5 等断层的影响，此区域顶板破碎。

综合分析，此次探测范围内没有含导水构造，不受水害威胁。两巷实见断层，对位于工作面两端的f6271-50 断层（落差4.0 m） 和DF21 断层（落差6.5 m） 均给出了影响范围，但位于工作面中部的62f3 断层（落差4.8 m） 未解释异常，需进一步探测分析。

2.2 地质探测仪

目前地震波主要分为体波和面波两大类，体波包括纵波（P 波） 和横波（S 波），面波分为锐利面波和勒夫波。此次探测使用KDZ1114-6A30 地质探测仪，该仪器主要是P 波，频带0.5～5 000 Hz，而沉积岩的频带在50～2 000 Hz，其中煤层的频带集中在100～130 Hz，因此KDZ1114-6A30 仪器可以有效探测和区分煤层和其他岩石界面的差异，P波在探测煤层、煤厚、断层前后岩性的变化、火成岩与煤层的关系和采空区探测等方面具有更好的性能。

使用地质探测仪探测的主要目的是进一步查清掘进工程揭露的落差较大断层在工作面内的延展方向、落差变化趋势及影响范围，为工作面施工提供准确的地质依据，因此该项探测安排在回采期间进行。正常情况下每回采50 m 进行1 次超前震波探测，对于两巷已实见的落差较大的断层，在距断层60 m 进行1 次超前探测。

此处以探测f6271-50 断层为例进行说明，探测时间安排在6272 采面回采至距f6271-50 断层在皮带巷揭露位置60 m 时，分别在采面第100 组、70 组和40 组支架位置附近，垂直煤壁水平向采面前方探测，采用外触发模式（信号接收器呈水平布置，接收器间距0.5 m） 进行探测，如图3 所示。

图3 6272 工作面地质探测仪施工布置示意Fig.3 The construction layout of geological detection instruments in No.6272 face

此次探测施工探测3 组数据，探测距离分别为50、60、50 m。第100 组支架位置垂直采面水平探测，探测成果波长数据在11 m 和48 m 左右位置发生变化，波长缺失，数据减小；第70 组支架位置垂直采面水平探测，探测成果波长数据在11 m 和42 m 左右位置发生变化，波长数据变小、缺失；第40 组支架位置垂直采面水平探测，探测成果波长数据在9 m 和26 m 左右位置发生变化，波长数据变小、缺失。三组数据中的两组11 m 和一组9 m 的探测异常距离探测盲区较近，因此不作为参考依据，如图4 所示。

图4 6272 工作面地质探测波形图Fig.4 The waveform diagram of geological detection in No.6272 face

此次探测探查了f6271-50 断层的预计走向趋势及其附近煤层变化情况，最终解释断层延展方向偏向采空区，如图5 所示。

图5 6272 工作面地质探测仪探测f6271-50 断层成果Fig.5 The results of F6271-50 fault detection by geological detection instruments in No.6272 face

2.3 钻 探

钻探手段主要针对回采范围内掘进揭露落差较大的f6271-50 断层和62f3 断层，在前期工作的基础上，钻探施工能有针对性的合理布设钻成和钻孔，开展钻探工作，对影响回采的地质构造进行精准控制，为工作面安全高效回采，提供准确的地质资料。

对于f6271-50 断层，第一次钻探施工安排在工作面回采至距地质探测仪探测解释f6271-50 断层揭露位置5 m 处，利用德国风钻在采面探测，探测后未发现断层，经过分析后决定采面继续正常退采。根据回采的实际揭露情况，第二次钻探施工安排在工作面回采至距f6271-50 断层轨道巷实见位置30 m 处，从采面设计钻孔进行探测，共施工6个钻孔，总工程量239.8 m，通过钻探施工分析控制了f6271-50 断层在工作面内部的延展方向及落差变化情况，如图6 所示。

图6 6272 工作面探测f6271-50 断层钻孔成果Fig.6 The drilling results of f6271-50 fault detection in No.6272 face

对于62f3 断层，在6272 轨道巷设计地质钻孔对62f3 断层进行探测，此次探测共设计4 个钻孔，根据钻进施工情况，最终施工了8 个钻孔，总工程量262.5 m。经过钻孔分析控制了62f3 断层在工作面内部的延展方向，如图7 所示。

图7 6272 工作面探测62f3 断层钻孔成果Fig.7 The drilling results of 62f3 fault detection in No.6272 face

3 探采对比

6272 工作面目前已安全回采完毕，回采工程中未揭露陷落柱等地质异常体。推断6271-50 和62f3 断层在工作面内的延展情况与实际揭露较为吻合。此次地质构造综合探测效果良好，不仅能有效结合各种探测方法的优势，较为准确的圈定地质构造赋存位置，推断构造的影响范围，实现了采前地质构造精准预测预报。

4 结 论

长走向大面宽回采工作面地质预测预报工作中应从以下方面入手。

（1） 加强物探工作。根据各种物探方法的特点结合实际地质情况，有针对性的开展物探工作。做好物探探采对比，在总结成功勘查实例基础上总结失误的原因，研究切实可行的解决办法，在实践中逐步提高物探技术水平。

（2） 多开展超前钻探工作。物探手段虽然操作简单，成果体现快，但是容易受井下环境因素的影响而形成物探盲区，物探结果较容易出现一定误差。因此在物探基础上，加上钻探验证手段会使预测预报更准确，而且通过钻探也可以确定构造的准确位置及影响范围。

（3） 夯实地质预报基础资料。物探、钻探只能作为一种探测手段，来对未知区域进行一种推测性预测，地质构造揭露现场情况才是对构造进行定性判断、延伸趋势的第一手资料。煤矿常见的地质构造断层、褶曲最重要的因素是落差和构造延伸趋势，这些通过物探、钻探都是无法准确掌握的。因此，对于地质构造的准确预测预报，必须有大量基础的、现场原始资料做依据。这就必须从原始记录本到地质构造卡片再到各类剖面图等，只有完善、充实了这些最基础的地质资料，今后的地质预测工作开展起来才能有据可查。

（4） 加强现场跟踪观测。工作面过构造是一个潜在隐患较多的施工过程，现场情况复杂多变。因此过构造期间，地质人员应及时对构造跟踪观测，并针对现场变化情况提出专项预报，指导施工单位及时修改过构造措施，确保安全过构造。