综合探测技术在三元煤业DF1 正断层探测中应用

2023-05-30秦泰山

煤炭与化工 2023年4期

秦泰山

（山西三元煤业股份有限公司，山西长治 046000）

1 概况

断层作为一种常见的地质构造对煤矿的安全生产影响很大。按照断层两盘的相对运动情况断层可分为正断层、逆断层和平移断层，断层形成后，上盘相对下降，下盘相对上升的断层称之为正断层。断层具有不可控性，小的断层延伸不过几米，对煤矿生产影响较小，但大的断层可延伸几百甚至上千米，这对煤矿的生产影响是巨大的。断层破坏了煤层的连续性，依据《煤矿防治水细则》，当断层落差较大时，需要留设保护煤柱，这就影响了产量。工作面回采时遇到断层，断层附近的煤很难回采，影响了工作进度和回采量。断层的发育导致其围岩破碎，高瓦斯矿井和水文地质条件复杂矿井掘进巷道遇到断层时易发生煤与瓦斯突出和突水事故。因此，在巷道掘进和工作面回采前有必要查清隐伏断层的位置和产状，为工作面安全顺利回采提供可靠的地质和水文地质资料。

三元煤业矿井井田占地面积22.935 km2，原煤储量约4.12 亿t，可采储量约2 亿t。可采煤层为3号煤、9 号煤和15 号煤。主采煤层3 号煤为优质瘦煤，具有中等灰份、低硫、低磷、高发热量的优点，是优质的动力煤和配焦煤。4326 工作面为3号煤综采工作面，4326 工作面切眼的掘进受DF1正断层的影响。因此，为保证4326 工作面安全回采，采用物探和钻探综合探测技术，对三元煤业DF1 正断层进行探测和验证。

2 DF1 正断层情况

三元煤业4326 工作面目前为主采工作面，运输顺槽和轨道顺槽已按掘进设计完成工作量，切眼正在掘进。依据三维地震成果，DF1 正断层位于勘探区南部，错断3 号、15-3 号煤层，为走向北东，倾向南东，倾角约69°左右的正断层。断层由勘探区东部向西南延伸至区外，区内控制长度约为2 740 m。断层在3 号、15-3 号煤层上最大落差分别为28 m 和30 m。在三维地震时间剖面上反射波同相轴错断明显，断点成像清晰，断层特征明显，该断层在高河井田有工程揭露但落差较小（约10 m），综合分析其为控制可靠断层。

成果图（图1）中显示4326 切眼西北侧距DF1 正断层约70 m。DF1 正断层的存在使4326 切眼的掘进存在安全隐患，因此有必要提前查清DF1正断层的详细情况。

图1 DF1 断层在三维地震时间剖面上的显示Fig.1 The display of DF1 fault on threedimensional seismic time section

4326 切眼是4326 回采工作面的回采巷道，其主要用途是用于4326 回采工作面采煤机的安装工作。工作面巷道底板标高在490—494 m，采用锚网索、钢筋梯子梁联合支护方式。掘进巷道的煤层为3 号煤层，埋藏深度445～449 m，煤层厚度稳定。

4326 切眼掘进过程中主要水患为K8 砂岩裂隙水及3 号煤顶板砂岩裂隙水，因靠近DF1 正断层，不能排除DF1 正断层附近区域时可能伴生小型地质构造或受DF1 正断层影响存在导通底板奥灰水和二叠系砂岩水的通道。

根据4326 运输顺槽已掘资料并结合三维地震资料分析4326 切眼工作面地质构造复杂程度为简单，局部煤层节理、裂隙发育。受层间滑动构造、临近DF1 正断层构造影响，掘进期间可能存在顶断底不断现象，夹矸局部变厚，导致顶、帮破碎，煤质酥软，巷帮局部节理发育，容易造成局部片帮。

鉴于以上情况，计划在切眼位置对DF1 正断层进行专项设计和探测来判断其富、导水性及断距。遵循矿井地质勘探物探先于钻探的原则，在钻探施工前先设计物探，对于物探的异常区再做有针对性的钻探验证工作，即采用物探和钻探相结合的综合探测技术对DF1 正断层进行详查。

3 物探

3.1 物探设备选择

根据探测目的、地质条件及现场工作环境，此次物探采用瞬变电磁技术对DF1 正断层的含水性进行探测。瞬变电磁具有对低阻体敏感、纯二次场观测、施工效率高等特点。此次瞬变电磁工作采用加拿大GEONICS 公司PROTEM CM 瞬变电磁仪。工作现场接收、发射框间距10 m，发射频率25 Hz。发射框尺寸1 m×1 m，接收线框为1D 线框。积分时间15 s，数据采集采用30 门。

3.2 物探设计

此次瞬变电磁在4326 切眼进行施工，设计探测角度为外帮+40°、+20°、0、-20°、-40°、-60°，共6 个角度，测点间距10 m，共完成多角度测线长240 m，如图2 所示。

图2 瞬变电磁超前探测工作设计示意Fig.2 The design diagram of transient electromagnetic advanced detection work

3.3 物探成果

此次瞬变电磁沿探测方向解释距离为120 m，盲区20 m，解释成果如图3 所示。图中视电阻率的分布规律采用深浅不同的渐变颜色表示。不同色界代表视电阻率相对高低，数值越小，视电阻率越低，富水性相对越强。在岩层整体连续性较好的情况下，视电阻率等值线基本上反应了煤系地层垂向的变换规律，沿巷道走向等值线延展连续性较好，而沿探测方向等值线成递变规律性变化。

图3 瞬变电磁探测视电阻率对数等值线断面示意Fig.3 The section diagram of transient electromagnetic detection apparent resistivity logarithmic contour

从图3 中可看出探测范围内视电阻率曲线呈规律性分布，整体上比较高，视电阻率等值线连续延展较好，说明探测范围内岩层整体含水性弱，没有大的含水异常体存在。故判定DF1 断层不含水。

4 钻探

钻探是对物探的验证，也是最直接、最有效的异常区验证方式。它具有精度高、直观性强、适应面宽等优点。目前在煤矿构造探测、老空区探测、探放水、瓦斯泄压等隐蔽致灾因素探查中发挥着重要的作用。

4.1 钻孔布置设计

根据探放水要求和现场实际情况，选用ZDY2800L 型千米定向钻机。根据4326 运输顺槽掘进期间对DF1 正断层进行初步探测，结果该断层落差12 m，走向、倾向、倾角与地面三维地震勘探成果基本一致。结合《煤矿防治水细则》要求，参考物探结果，此次计划施工6 个钻孔，其中水平方向1 个，底板方向2 个，顶板方向3 个，待4326 切眼掘进到位后，在切眼外帮处架设钻机进行钻探。钻孔具体参数见表1。

4.2 单孔设计

为防止钻孔出水，而无法控制水量，需预先固结孔口管，放水钻孔机构开孔孔径135 mm，孔深6 m 后，下入φ85 mm 套管5 m 作为孔口管（孔口管选用3 寸无缝钢管），钻孔直径为65 mm。如图4 所示。

图4 探水孔结构示意Fig.4 The structure diagram of water exploration hole

4.3 孔口管固管

将套管下入孔内规定的深度，用水泥浆或封固剂封闭套管外的环状间隙。水泥浆固结不小于48 h后扫孔，待深度达到原孔深后，向孔内压水，耐压试验压力值大于孔口管末端承受静水压力值的1.5倍，兼做注浆钻孔的，应当综合注浆终压值确定，并稳定30 min 以上，当孔口管牢固不动，周围没有渗漏水现象，说明符合要求，否则重新注浆加固。最后在孔口管上安装水压表、水阀门等。孔口管结构如图5 所示。

图5 孔口管结构示意Fig.5 The structure diagram of orifice tube

4.4 验证情况

6 个施工钻孔的现场情况见表2。

表2 钻孔施工验证记录Table 2 The verification record of drilling construction

依据表2 钻孔情况可得出以下结论。

（1）断层位置变化。

三维地震成果显示DF1 正断层距切眼70 m，根据此次探测结果显示DF1 正断层距切眼34.5 m，位置与三维地震勘探成果相比有所变化。

（2）断层落差变化。

三维地震成果显示DF1 正断层落差0～28 m，此次探测成果显示该区域断层落差27 m，与三维地震成果显示DF1 正断层落差基本一致。

（3）断层充填情况。

根据实际探测钻孔反水情况分析，在打钻过程中反水颜色主要以白色、灰白色为主，成分为各粒级砂岩、砂质泥岩，打钻过程中钻机压力表无明显变化，未发现断层破碎带，该断层落差较大，落差明显，致密性较强，不能排除断层有破碎带发育的可能。

（4）断层富水性及导水性。

三维地震和井下瞬变电磁成果显示4326 切眼探DF1 正断层附近区域无富水异常区，根据钻探成果分析，该断层不导水。

（5）断层产状变化。

三维地震成果显示DF1 正断层产状为走向N37°E，倾向N53°W，倾角69°，落差28 m，根据此次探测成果并结合4326 回风顺槽掘进期间对右帮的探测情况综合分析，DF1 正断层走向与三维地震勘探成果基本一致，目前探测最大落差在切眼处为27 m，倾角为52°，综上，该断层产状最终为走向N37°E，倾向N53°W，倾角52°，落差27 m。

（6）断层对工作面影响。

根据4326 回风顺槽掘进资料和4326 切掘进眼资料综合分析，掘进期间未发现受DF1 正断层引发的隐伏地质构造，但受DF1 正断层构造影响，巷道掘进期间局部煤层节理、裂隙发育，顶板、煤帮局部较破碎，巷道整体左高右底，煤层倾角变化较大，最大为12°，针对DF1 正断层已留设安全距离，综合分析DF1 正断层对巷道影响较小。