煤峪口矿首采工作面复杂地质条件“四位一体”综合探测技术研究

郭兴泉

（晋能控股煤业集团地测勘探公司，山西 大同 037000）

1 背景介绍

晋能控股煤业集团煤峪口矿井田位于大同煤田向斜的东北端，大部位于向斜东南翼。上覆对应多层侏罗系采空区，因条件不足，无法开展地面三维地震勘探工作查明井田范围内地质构造发育情况，分析开拓区域地质条件仅靠地面钻孔、上覆侏罗系实际揭露及周边矿井资料，可能存在以下问题：一是据井田范围内地面钻孔资料分析，存在多处煤层底板等高线异常区域；二是据周边石炭系已开采矿井，矿井石炭系延伸区域地质条件相对复杂；三是在石炭系三条盘区大巷掘进期间揭露多条隐伏断层、煤层不同程度受无规律火成岩侵入，给巷道掘进及支护增加困难，综上所述隐伏地质构造将给矿井开拓部署造成一定的影响。

C3-5#层8101 工作面为石炭系延伸首采工作面，能否按期圈出对矿井的整体衔接计划及生产至关重要。两顺槽设计长度均为938 m，煤层厚度9.1~32.3 m，平均煤厚17.4 m，煤层倾角3~12.5°，2101 巷、5101巷分别掘进至538 m、762 m 处受断层及火成岩影响，工作面迎头均为全岩，利用履带式全液压坑道钻机超前探测，两巷共计施工16 孔，工程量1 480 m，由于钻孔无法控制偏斜情况，探测结果进行分析后无法确定掘进前方地质构造及煤层赋存情况，故采用综合探测手段为矿井首采面圈出提供技术支撑。

2 研究技术路线

2.1 收集井田及周边地质资料综合分析研究

首先,收集井田及周边永定庄、同忻矿地质资料，分析区域煤层及构造发育情况；其次，井下收集巷道已揭露的岩石岩性、发育特征等内容，据此设计探孔数量及钻孔参数；配合井下钻孔探测，在地面布置补勘钻孔，以便在更大范围获取地质信息；最后利用各钻孔成果数据及收集资料进行综合分析研究，绘制两顺槽掘进前方预想剖面图，进一步确定地质构造发育及煤层赋存情况，为地质构造发育的规模及空间展布特征的确定提供依据。2101、5101巷井下迎头情况见图1。

图1 2101、5101巷井下迎头情况

2.2 “四位一体”综合探测技术体系

首先采用普钻超前钻探，其次采用槽波地震探测方法进行探查，其中包括：工作面双透反槽波、2101 巷反射槽波、5101巷、2101巷槽波超前探测，最后利用井下千米定向钻探手段对该区域物探异常区、煤层赋存及构造发育情况进行专项探测分析，根据综合探测成果修绘两顺槽掘进前方预想地质构造、煤层赋存剖面图，进一步验证该区域煤层赋存及构造发育情况，为矿井下一步掘进提供可靠的地质依据。

3 探查工程

1）地面补勘工程

为进一步查清该区域地质构造发育及煤层赋存情况，前期已施工10 个地面补勘孔，工程量6 538 m。基本探明了该区域煤层发育情况，弥补了补勘不足的问题。

2）8101工作面透、反射槽波探测工程

确定在5101 巷、2101 巷分别布置激发点和接收点，测线总长度为970 m，其中5101 巷长550 m，2101巷长420 m。采用透射槽波能量CT 成像法、反射槽波叠后偏移成像法进行数据处理，反射异常与透射异常存在部分区域重合，结合矿方提供的地质资料进行综合分析，其异常区如图2所示。DZ1、DZ5解释为断层，DZ2 为夹矸或煤层破碎，DZ3 为顶板冒落影响，DZ4 为多断层引起的煤层破碎带。

图2 8101工作面地震槽波勘探综合地质成果解释图

3）2101巷反射槽波探测工程

在2101 巷东侧施工反射槽波探测，设计46 炮，实际完成45 炮（P39 塌孔）；2101 反射槽波设计46 道，实际布置46 道。依据巷道的反射槽波叠后偏移成像图（见图3），结合地质资料成果解释工作面存在1处异常区，该异常成条带状，走向与测线走向夹角约18°，结合地质资料，推断该异常为煌斑岩侵入所致。

图3 2101巷反射槽波叠后偏移成果图

4）2101、5101巷超前槽波地震探测工程

2101、5101 巷超前探共设计28 炮，实际放炮28炮。2101、5101 巷超前探共设计112 道，实际布置112道。

5101 巷超前探测成果解译左、右帮各存在3 处异常区。综合对比分析左帮和右帮成果，并结合地质资料，对反演成果进行综合推断和解释，DZ7 异常（左帮YC1 异常、右帮YC4 异常）推断解释为煌斑岩侵入界面；DZ8异常（左帮YC2异常、右帮YC5异常）推断解释为断层；DZ9异常（左帮YC3异常、右帮YC6异常）推断解释为断层。5101巷超前探测平面图见图4。

图4 5101巷超前探测平面图

2101 巷超前探测成果解译左、右帮各存在3 处异常区。综合对比分析左帮和右帮成果，并结合地质资料，对反演成果进行综合推断和解释，DZ10异常（左帮YC1 异常、右帮YC4 异常）推断解释为煌斑岩侵入界面；DZ11 异常（左帮YC2 异常、右帮YC5 异常）推断解释为断层；DZ12 异常（左帮YC3 异常、右帮YC6 异常）推断解释为断层。2101巷超前探测平面图见图5。

图5 2101巷超前探测平面图

5）井下定向钻探工程

为了进一步验证及探明掘进前方构造发育及煤层赋存情况，在较复杂的2101巷施工2个定向钻孔，工程量为270 m，已基本探明其构造发育及煤层赋存情况，结合物探、钻探及地面钻孔资料绘制了两顺槽预想剖面图如图6所示。

图6 2101巷及5101巷预想剖面图

6）井下探孔窥视技术

针对物探异常区共施工20 孔，工程量1 600 m，分别对2101 巷6 孔、5101 巷8 孔进行测斜，同时使用YCJ90/360 型矿用钻孔测井分析仪实测14 孔，更为准确地分析掘进前方构造及煤层赋存发育情况，如图7所示。

图7 钻孔测斜、轨迹及曲线图

7）验证成果综合分析研究

根据物探、钻探成果及地面钻孔资料绘制了C3-5#层2101 巷及5101 巷地质探测成果图，通过两顺槽实际揭露情况与之前预计地质构造、火成岩影响区域位置及煤层赋存情况进行对比发现，结果相差不大，证明综合探测技术成果能进一步提高预测预报精度同时给矿井顺利圈出工作面提供可靠的地质保障。

4 应用推广及经济效益

1）准确、可靠的地质资料是指导矿井生产部署的依据，受当前勘探手段的局限，我们主要依靠钻孔及地震成果获取地质资料，因此，在构造发育复杂区域，常常由于煤层赋存突变或揭露隐伏构造而影响采掘，甚至影响到采区部署。在巷道掘进过程中，掘进经济成本动辄每米上万元，不合理的工作面设计不仅造成重大的经济损失，也造成不可再生资源的浪费，因此采取综合的构造探测手段，提供准确的地质资料，可以及时调整采区或工作面布置，节约大量的资金及资源。

2）本研究成果为煤峪口矿首采工作面起到了技术支持作用，根据物探成果，针对重点区域仅施工15 孔（其中定向钻孔2 个）已基本探明其地质条件，减少钻探进尺约1 500 m，节约成本约15 万元，同时解决了矿井提前拐切的难题，保障矿井石炭系水平延深建设整体进度，工作面可采储量增加了110 万t，保证按时投产并完成目标值，给后续矿井开拓提供了地质依据，降低了无效进尺，提高了生产效率，保证了矿井安全生产。

3）槽波探测不仅在煤巷中验证效果较好，在岩巷或者半煤岩巷道中也可以施工探测地质构造。不仅可以探测巷道周围的断层，也可以探测陷落柱、破碎带以及岩浆岩侵入，同时对构造中导水导气也有一定的预测作用。

通过研究综合物探技术可以有效判断工作面掘进及回采区域隐伏地质构造发育、火成岩侵入及煤层赋存情况，结合相关常规地质分析手段，综合资料分析，可进行全面、多方位的探查，提高预测预报精度，为煤矿安全生产提供有力技术手段。针对掘进工作面前方隐伏地质构造的预测预报具有一定的推广价值。