陳 冰，王 輝，楊景超

(河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670)

斷層是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中廣泛發(fā)育的構(gòu)造形態(tài)，斷層發(fā)育大小不一、規(guī)模不等，但都破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，大量實(shí)際資料表明，斷層是導(dǎo)致煤礦底板出水的基本因素之一，斷層水害的發(fā)生往往對(duì)煤礦造成巨大的損失，甚至?xí)斐裳途鹿实陌l(fā)生。所以，對(duì)大型斷層的賦存情況采用先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行探查，掌握斷層的發(fā)育情況，對(duì)斷層水害防治是極為重要的。

可用于探測(cè)斷層賦存情況一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)手段，就是槽波物探。槽波透射能量較強(qiáng)，實(shí)踐表明在厚1.0～3.5 m的中厚煤層中，最大透射距離可達(dá)1 km以上，能夠較好地探查出巷道前方的煤層以及構(gòu)造賦存情況[1-4]。

1 地質(zhì)概括

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告及三維地震勘探資料顯示，F(xiàn)10大斷層為礦井劃分22采區(qū)和23采區(qū)之間的邊界斷層，具有區(qū)域性斷層特征，斷層走向NE 40°～50°，北西傾向，北西盤(pán)下降，傾角為45°～65°，落差為10～110 m，由西向東落差增大，延展長(zhǎng)度10 km以上。因該斷層落差大，可能導(dǎo)通寒灰水，嚴(yán)重威脅著礦井鄰近該斷層布置的采掘接替巷道安全施工，因此，有必要對(duì)云蓋山超大斷層進(jìn)行探查并分析斷層的賦存狀態(tài)。

2 原理介紹

先在26煤巷進(jìn)行槽波地震探測(cè)，對(duì)云蓋山斷層的賦存情況進(jìn)行探查，然后在26巖石集中巷施工驗(yàn)證鉆孔，對(duì)槽波探測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。通過(guò)采取這種探控技術(shù)，來(lái)分析云蓋山斷層的賦存情況，留設(shè)相應(yīng)的斷層保護(hù)煤柱，從而解決斷層水害問(wèn)題[5-11]。

3 具體實(shí)施步驟

3.1 槽波探測(cè)技術(shù)

3.1.1 槽波物探的具體含義

所謂的槽波地震勘探，是地震勘探的一個(gè)分支，就是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，探查煤層不連續(xù)性的—種地球物理方法。槽波地震勘探可以探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，具有探測(cè)距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征較易于識(shí)別以及最終成果直觀的優(yōu)點(diǎn)，尤其在探測(cè)精度和距離上優(yōu)于其他煤礦井下勘探方法，是目前最有效的探測(cè)方法之一。

槽法反射法的有效波是反射槽波信號(hào)。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體，即遇到了地震波的波阻抗(速度和密度差異)的分界面，就會(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)，因此，識(shí)別出這些反射槽波信號(hào)就能直接判斷出煤層不連續(xù)體的位置。槽波反射法勘探如圖1所示，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)，炮點(diǎn)就在排列附近。槽波反射法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在一條煤巷中向兩側(cè)進(jìn)行小構(gòu)造的探測(cè)，這在采礦上的實(shí)用價(jià)值特別大。所以它是槽波地震探測(cè)技術(shù)的重要部分，但是，槽波反射法的應(yīng)用有一定的局限性，對(duì)其影響較大的因素主要有。

(1)槽波發(fā)育特性的限制。不同礦區(qū)的不同煤層，槽波發(fā)育特性是不同的，透射槽波發(fā)育特性影響

圖1 槽波反射法勘探示意Fig.1 Schematic diagram of trough wave reflection exploration

了反射槽波的發(fā)育特征。

(2)反射槽波信噪比低的限制。一般來(lái)說(shuō)，反射槽波的信噪比要低于透射槽波的信噪比，單次共炮點(diǎn)槽波反射記錄上很難看到較好的槽波反射信號(hào)。

(3)高頻槽波易衰減特性限制。槽波埃里相頻率高的煤層比較適合應(yīng)用槽波反射法，但頻率高衰減必然大，傳播距離縮短。

(4)頻散導(dǎo)致分辨率低。頻散使得槽波隨著傳播距離的增大而逐漸拉長(zhǎng)為一串變頻長(zhǎng)波列，降低探測(cè)分辨率。

(5)反射系數(shù)的限制。在地質(zhì)異常體界面，往往容易形成破碎帶或疏松帶。引起高頻槽波埃里相的強(qiáng)烈吸收。

(6)反射面產(chǎn)狀限制。反射面與巷道間的夾角，及反射面與煤層間的夾角，在不利情況下，難以獲得反射槽波信號(hào)。

(7)落差很小的斷層(小于煤層厚度的1/3)，通常難以獲得反射槽波。

(8)“大”斷層的阻擋。落差等于或大于煤層厚度，其后的斷層不會(huì)有反射。

(9)盲區(qū)的限制。由于頻散現(xiàn)象的存在，使得槽波反射地震勘探盲區(qū)加太，粗略地講，盲區(qū)近似為十倍的煤層厚度。

(10)其他因素的影響。例如，聲波、繞射波及巷道反射等。槽波透射法與槽波反射法是相輔相成的，根據(jù)具體探測(cè)條件與目的，聯(lián)合應(yīng)用效果最好。

槽波CT層析成像技術(shù)(簡(jiǎn)稱CT技術(shù))是一種斷層掃描的技術(shù)，它根據(jù)物體橫斷面的一系列投影數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理之后，得到物體橫斷面的圖像，從而得到物體內(nèi)確切位置上的各物質(zhì)物性的信息，所以，它是一種由數(shù)據(jù)到圖像的重建技術(shù)。地震CT(層析成像)是一種通過(guò)分析觀測(cè)的地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，獲得沿射線路徑上介質(zhì)物性信息的重要方法。根據(jù)不同的研究目的和需要，既可以利用人工地震也可以借助于天然地震來(lái)獲得不同條件地下介質(zhì)的分層或構(gòu)造圖像。

3.1.2 施工方法

本次26工作面槽波地震探測(cè)主要沿運(yùn)輸巷外側(cè)布置檢波器和炮點(diǎn)。在26工作面運(yùn)輸巷外側(cè)采用10 m接收道距，共布設(shè)檢波點(diǎn)105個(gè)，同時(shí)在26工作面運(yùn)輸巷外側(cè)采用20m炮間距，共布設(shè)炮點(diǎn)63個(gè)，如圖2所示。

圖2 26煤巷放炮點(diǎn)與檢波器布置位置示意Fig.2 Layout of shooting points and geophones in 26 coal roadway

實(shí)際施工過(guò)程中，將檢波器與錨桿耦合良好，并對(duì)接到煤層中部的錨桿露頭上。炮孔方向應(yīng)垂直煤壁，深度3.0 m，單孔藥量0.33 kg，采用黃土炮泥封孔，封孔長(zhǎng)度2 m。炸藥雷管等爆破材料及爆破人員由礦方提供，并且由礦方負(fù)責(zé)實(shí)施了全部爆破作業(yè)。

數(shù)據(jù)采集采用西安院院研發(fā)的存儲(chǔ)式無(wú)纜遙測(cè)地震儀(YTZ-3)，每個(gè)炮點(diǎn)激發(fā)，所有接收點(diǎn)均接收，采樣間隔0.25 ms，記錄長(zhǎng)度2 s。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)預(yù)編輯→建立觀測(cè)系統(tǒng)→初至校正→槽波能量擴(kuò)散補(bǔ)償→寬頻濾波→波場(chǎng)類(lèi)型和速度分析→頻散分析。

3.1.4 分析結(jié)果

2020年1月初，委托具備做槽波物探資質(zhì)的單位在26煤巷進(jìn)行了槽波地震探測(cè)，對(duì)28采面的煤層賦存情況進(jìn)行了勘探，根據(jù)探測(cè)結(jié)果顯示：F10斷層傾向315°，傾角45°～65°，落差>煤厚，位于26煤巷南側(cè)110～190 m，工作面內(nèi)延展長(zhǎng)度約1 200 m，為可靠斷層，槽波探測(cè)結(jié)果如圖3所示，斷層發(fā)育及延展情況如圖4所示。

CT成像圖顯示出接收反射波能量大小的情況，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)檎^(qū)域，紅色部分以及黃色部分為異常區(qū)域(能量集中區(qū)域)，其中紅色部分為最異常區(qū)域。因斷層落差已超過(guò)煤層厚度，無(wú)法探測(cè)出斷層落差的情況，但可以根據(jù)地質(zhì)異常區(qū)域的顏色分布狀態(tài)，推測(cè)出斷層的走勢(shì)。

圖3 26煤巷0～1 240 m反射槽波能量CT成像Fig.3 CT imaging of 0～1 240 m reflected trough wave energy in 26 coal roadway

圖4 推測(cè)F10大斷層在勘探范圍內(nèi)發(fā)育位置及延展情況Fig.4 Development position and extension of inferred F10 large fault within exploration scope

3.2 鉆探驗(yàn)證情況

3.2.1 超前探查鉆孔設(shè)計(jì)情況

為驗(yàn)證26煤巷槽波探測(cè)結(jié)論，探明F10大斷層中部情況，在26巖石集中巷26DC22測(cè)點(diǎn)以西8 m巷道下幫處設(shè)計(jì)施工3個(gè)探查鉆孔，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔設(shè)計(jì)布置平面圖如圖5所示。需要說(shuō)明的是:①若鉆孔打至設(shè)計(jì)孔深，未見(jiàn)煤，適當(dāng)延長(zhǎng)0～15 m；②鉆孔需下φ108 mm孔口套管15 m，利用水泥漿和水玻璃固管；③為防止鉆孔偏斜，開(kāi)孔時(shí)必須使用φ133 mm導(dǎo)正器進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔固管后，透孔時(shí)使用φ94 mm導(dǎo)正器鉆進(jìn)。

圖5 26巖石集中巷探查F10大斷層設(shè)計(jì)鉆孔布置平面Fig.5 Layout plan of boreholes designed for exploration of F10 fault in 26 rock concentrated roadway

所有鉆孔埋好孔口管后，采用清水進(jìn)行試壓，壓力不小于6 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間不低于30 min，若試壓不合格需重新注漿加固，然后再次透孔試壓，否則嚴(yán)禁鉆進(jìn)[12-15]。

根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中的實(shí)際情況，如遇嚴(yán)重破碎巖層，出現(xiàn)夾鉆、卡鉆等異?，F(xiàn)象，鉆孔出水量達(dá)到1～3 m3/h時(shí)要進(jìn)行預(yù)注漿。其目的是在鉆孔沒(méi)有揭露含水層之前先對(duì)該段巖層中的裂隙進(jìn)行封堵。掃孔試壓不合格，鉆孔孔壁出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象時(shí)需要再進(jìn)行預(yù)注漿加固，直到試壓合格后，方可繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，鉆孔注漿封孔終壓不低于8 MPa。

3.2.2 施工情況

自2021年1月中旬開(kāi)始施工，1月底施工結(jié)束，累計(jì)施工鉆孔3個(gè)，鉆探進(jìn)尺414 m，注漿量P.O42.5普通硅酸鹽水泥2.5 t，鉆孔實(shí)鉆布置平面如圖6所示，鉆孔具體施工情況見(jiàn)表2。

3.3 化探情況

(1)T2號(hào)孔160 m見(jiàn)水后進(jìn)行了水質(zhì)化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果：K++Na+為60.75 mg/L，Ca2+為145.78 mg/L，Mg2+為47.86 mg/L，對(duì)以上離子對(duì)比礦井以往水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果分析，此孔出水主要為灰?guī)r水(表3)。

通過(guò)水質(zhì)化驗(yàn)比對(duì)分析，T2號(hào)孔水樣Ca2+、Mg2+含量遠(yuǎn)高于K++Na+的含量，結(jié)合礦井以前水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果綜合分析，推測(cè)受云蓋山正斷層影響導(dǎo)通了寒武系灰?guī)r含水層。

圖6 26巖石集中巷探查F10大斷層實(shí)鉆布置平面Fig.6 Layout plan of actual drilling for exploration of F10 fault in 26 rock concentrated roadway

表2 26巖石集中巷探查F10大斷層施工參數(shù)Tab.2 Construction parameters for exploration of F10 fault in 26 rock concentrated roadway

表3 水質(zhì)化驗(yàn)對(duì)比分析Tab.3 Comparative analysis of water quality test

4 探查分析結(jié)果

4.1 槽波物探結(jié)果

推測(cè)F10大斷層傾向315°，傾角45°～65°，落差大于煤厚，位于26煤巷南側(cè)110～190 m，工作面內(nèi)延展長(zhǎng)度約1 200 m，為可靠斷層。

4.2 鉆探驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)鉆孔施工結(jié)果，T1、T3號(hào)孔提前見(jiàn)煤，T2號(hào)孔未見(jiàn)煤，在140 m見(jiàn)鋁土質(zhì)泥巖，160 m處巖層變硬，且出水，水量約5 m3/h，表明T2鉆孔已穿過(guò)斷層的上盤(pán)，進(jìn)入到寒灰?guī)r層中。由此，推測(cè)出F10大斷層上盤(pán)實(shí)際的斷煤交線位置比槽波物探顯示的位置再往南偏移15.5 m。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦井中部大型斷層探控技術(shù)的實(shí)施，對(duì)斷層的賦存情況已摸清，為井下巷道施工提供了較為可靠的地質(zhì)資料。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用能夠使礦井在受水害威脅大落差斷層附近順利布置采掘巷道，避免因地質(zhì)資料不清楚而造成水害事故的發(fā)生。同時(shí)該項(xiàng)目主要采用槽波地震探測(cè)以及鉆探驗(yàn)證的方式查明大落差斷層的具體賦存情況，可為制定大型斷層探控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考價(jià)值。