華相征

（山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100）

隨著我國(guó)煤礦機(jī)械化開采水平的不斷提高，工作面順槽的掘進(jìn)長(zhǎng)度日趨增大，導(dǎo)致順槽掘進(jìn)時(shí)遭遇隱伏含水地質(zhì)構(gòu)造的可能性逐漸增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%礦井水害事故發(fā)生于掘進(jìn)工作面，其中大部分是由于遭遇了隱伏含水構(gòu)造。五里堠煤礦1130 工作面周圍存在斷層等地質(zhì)構(gòu)造，且頂板上方存在富水性較高的含水層，可能造成掘進(jìn)回采巷道時(shí)遭遇頂板淋水。因此，綜合采用遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)及礦井直流電法兩種探測(cè)技術(shù)[1-6]，對(duì)1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)面前方的隱伏含水地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè)。

1 工程概況

五里堠煤礦隸屬于山西潞安集團(tuán)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 Mt /a，主采14#煤層，平均煤厚4.57 m，煤層傾角3°～8°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。根據(jù)鉆孔觀測(cè)，14#煤層頂板巖性多為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，煤層底板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。在頂板上方存在兩個(gè)主要含水層，分別為L(zhǎng)9 灰?guī)r和 L4 灰?guī)r。其中，L9 灰?guī)r含水層位于14#煤層上方27.1 m 處，平均厚度8.3 m，中等富水；L4 灰?guī)r含水層位于14#煤層上方92.7 m 處，平均厚度12.7 m，裂隙巖溶較發(fā)育，部分裂隙與L9 灰?guī)r含水層貫通。

1130 工作面位于井田東部，北側(cè)及南側(cè)分別存在有斷層F30、F18，東部為煤柱。1130 工作面頂?shù)装辶严遁^為發(fā)育，L9、L4 灰?guī)r含水層富水性高，加之周圍斷層導(dǎo)水的影響，突水系數(shù)較高。因此，預(yù)見1130 回風(fēng)順槽在掘進(jìn)時(shí)會(huì)遭遇頂板淋水、底板突水等水害事故，嚴(yán)重影響井下的安全生產(chǎn)。為消除安全隱患，需在掘進(jìn)時(shí)提前探測(cè)掘進(jìn)面前方的隱伏地質(zhì)構(gòu)造及其富水性，為1130 回風(fēng)順槽的安全高效掘進(jìn)提供保障。

2 綜合物探技術(shù)原理

2.1 遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)原理

自然界中巖石的差異性較大，遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)通過(guò)人為激發(fā)地震波（聲波），差異性巖體在收到聲波后反射出的聲波也不盡相同，因此可根據(jù)反射波的不同對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。本次遠(yuǎn)距離探測(cè)采用DTC－150 防爆地質(zhì)超前探測(cè)儀，其工作原理如圖1，一般是在距掘進(jìn)面迎頭不遠(yuǎn)處的巷幫上炮孔，用以激發(fā)地震波既聲波，在遠(yuǎn)離炮孔激發(fā)點(diǎn)的后巷布置反射波接收器，并通過(guò)方向?yàn)V波等方式對(duì)接收到的反射波進(jìn)行處理，分析其反射時(shí)長(zhǎng)、能量大小、相位特征等信息，以此得出掘進(jìn)工作面前方的斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的分布情況。

圖1 遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)原理

2.2 礦井直流電法

礦井直流電法是以不同巖性巖石的導(dǎo)電性不同為基礎(chǔ)，人工向地層內(nèi)釋放電流，并根據(jù)地層中電流的分布情況判斷地質(zhì)構(gòu)造體的礦物特性及其含水性。其工作原理如圖2，在掘進(jìn)巷道中，將一個(gè)供電電極B 布置在距掘進(jìn)面迎頭“無(wú)窮遠(yuǎn)”處，另外3 個(gè)供電電極A1、A2、A3以一定間隔距離依次布置在掘進(jìn)面迎頭附近。探測(cè)時(shí)，對(duì)3 個(gè)電極Ai供電，使得電極Ai向四周發(fā)射電流并形成球狀等勢(shì)面，通過(guò)等勢(shì)面的變化探測(cè)前方的電性異常狀況，掘進(jìn)面后方的電極測(cè)量站M、N 可以測(cè)量出電性異常，通過(guò)處理分析可得到掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)構(gòu)造及富水情況。

圖2 礦井直流電法探測(cè)原理

3 綜合物探技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 綜合物探方案

地質(zhì)構(gòu)造體探測(cè)：采用遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)掘進(jìn)面前方隱伏的地質(zhì)構(gòu)造體具體位置及其大小。在距1130 掘進(jìn)面迎頭10 m 處巷幫布置第一個(gè)炮孔，隨后每隔1.5 m 布置一個(gè)炮孔，共布置24 個(gè)，炮孔孔深均為1.5 m，單孔裝藥量均為60 g，采用毫秒微差雷管依次起爆。在距最后一個(gè)炮孔后方20 m處布置聲波接收孔，使用DTC－150 防爆地質(zhì)超前探測(cè)儀進(jìn)行反射聲波的濾波收集，并通過(guò)軟件處理得到探測(cè)范圍內(nèi)異常地質(zhì)構(gòu)造體的空間分布。

富水性探測(cè)：采用礦井直流電法對(duì)掘進(jìn)面前方隱伏地質(zhì)構(gòu)造的富水性進(jìn)行探測(cè)。在1130 掘進(jìn)面正頭附近布置第一個(gè)供電電極A1，隨后每隔4 m 布置供電電極A2、A3，電極測(cè)量站M、N 之間間隔5 m。隨著掘進(jìn)面的前進(jìn)，由里向外依次收集電極數(shù)據(jù)，并通過(guò)專業(yè)的電法軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋，得出掘進(jìn)面前方探測(cè)范圍內(nèi)的地質(zhì)富水特征。

3.2 物探結(jié)果分析

圖3 為1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至166 m 通尺時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)法得到的掘進(jìn)面前方縱波結(jié)果?？梢钥闯?，在距掘進(jìn)面正頭前方63.6～78.5 m（通尺229.6～244.5 m）存在一組界面反射區(qū)，其縱波、橫波比值及泊松比都有明顯的增加?；诖丝赏茢喑鲈搮^(qū)域煤巖體裂隙發(fā)育，為斷層破碎帶。

圖3 遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)結(jié)果

圖4 為1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至166 m 通尺時(shí)，礦井直流電法得出的探測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，在距掘進(jìn)面正頭前方63.1～70.2 m（通尺229.1～236.2 m）范圍內(nèi)存在電阻異常，電阻率較周圍區(qū)域明顯變低，推測(cè)該區(qū)域煤巖體相對(duì)破碎或富水程度相對(duì)較高。

圖4 礦井直流電法探測(cè)結(jié)果

綜合兩種物探技術(shù)的探測(cè)結(jié)果，認(rèn)為在1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至166 m 通尺時(shí)，距離其掘進(jìn)面迎頭前方63.1～78.5 m（通尺229.1～244.5 m）范圍內(nèi)可能存在斷層破碎帶，煤巖體裂隙發(fā)育且相對(duì)富水，掘進(jìn)通過(guò)該區(qū)域時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)頂板淋水、底板突水、圍巖變形量較大等現(xiàn)象。

4 綜合物探結(jié)果驗(yàn)證分析

1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至230 m 通尺時(shí)，揭露出斷層F168，其主要參數(shù)為：落差達(dá)3.2 m，傾角為45°，方位角為332°，傾向與巷道掘進(jìn)方向近乎垂直。掘進(jìn)時(shí)頂板有明顯的淋水現(xiàn)象，同時(shí)伴有底板輕微涌水。實(shí)際揭露位置及情況與物探結(jié)果吻合度較高，其中，遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)法探測(cè)出異常區(qū)的開始位置與實(shí)際揭露斷層位置相差0.4 m，礦井直流電法探測(cè)出異常區(qū)的開始位置與實(shí)際揭露斷層位置相差0.9 m，說(shuō)明該綜合物探技術(shù)的準(zhǔn)確度較高。

在礦井前期的三維地質(zhì)勘探中并未篩查出F168斷層，表明其為隱伏含水構(gòu)造。通過(guò)該綜合物探技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，為掘進(jìn)工作面的防治水措施提供了依據(jù)，保障了礦井后續(xù)巷道的安全高效掘進(jìn)。F168斷層的揭露情況如圖5。

圖5 F168 斷層實(shí)際揭露情況

5 結(jié)論

五里堠煤礦14#煤層頂板存在2 個(gè)主要含水層，分別為L(zhǎng)9灰?guī)r含水層和 L4灰?guī)r含水層，并且兩個(gè)含水層間裂隙發(fā)育貫通，成為礦井隱伏構(gòu)造的主要充水源。為了保證1130 回風(fēng)順槽安全高效掘進(jìn)，基于遠(yuǎn)距離超前聲波探測(cè)及礦井直流電法的探測(cè)原理，結(jié)合1130 掘進(jìn)工作面的實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了綜合物探技術(shù)方案，并預(yù)測(cè)出：在1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至229.1～244.5 m 通尺時(shí)，可能遇到斷層破碎帶，富水程度相對(duì)較高，可能會(huì)出現(xiàn)頂板淋水、圍巖變形量較大等現(xiàn)象。實(shí)際揭露情況表明，1130 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至230 m 通尺時(shí)，揭露出隱伏斷層構(gòu)造F168，綜合物探預(yù)測(cè)斷層位置與實(shí)際揭露位置相差僅為0.4～0.9 m，說(shuō)明該綜合物探技術(shù)的準(zhǔn)確度較高。