付雪峰，嚴浩銘

(國家能源集團 新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

斷層地質構造是自然力作用引起的巖石及巖層的破裂 (斷裂)，巖層或巖體順破裂面發(fā)生明顯位移的構造，是地殼運動、變化的具體表現(xiàn)。煤礦巷道掘進過程中，斷層構造帶一直是影響掘進效率及安全管理的一大難題。在煤礦掘進工作面發(fā)生的安全事故中，據(jù)不完全統(tǒng)計85%以上發(fā)生在斷層附近，如何查明掘進工作面斷層分布是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的重要問題[1]。

在煤礦開采前，地質普查報告已將井田范圍內(nèi)地質構造分布情況進行了調查，礦井在設計時就需要避開大斷層、陷落柱等不利于開采的構造，但無法避開的小斷層仍對生產(chǎn)有一定影響，在巷道掘進時需要對前方的斷層進行超前探測。目前對于斷層的地質超前探測方法有很多，主要有：三維地震法、水平聲波剖面法、瞬變電磁法、陸地聲納法、激發(fā)極化法、探地雷達法、紅外探水法、電阻率成像法等[2]。近年來隨著計算機的應用促進了小斷層探測技術發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)學地質模型計算、數(shù)字圖形處理、專家系統(tǒng)、地質數(shù)據(jù)庫等方法[3]，以上方法都能夠很好地探測斷層形態(tài)及產(chǎn)狀，但這些方法都有一個共同的局限性：其配套設備設施較為復雜，適用于地質普查這類的大范圍斷層探查，但對于精準預測斷層仍有其不適之處[4-9]。緩傾斜厚煤層綜掘工作面沿煤層底板掘進時，遇落差大于巷道二分之一的斷層時，如掘進層位調整不及時，容易出現(xiàn)大面積割巖現(xiàn)象。

1 工程概況

1.1 掘進工作面情況

屯寶礦井位于我國西部礦區(qū)，所采煤層為厚煤層，平均厚度4.2m，平均傾角18°，掘進工作面隨煤層底板沿走向布置，采取綜掘方式，配備EBZ160型綜掘機。礦井地質普查階段開展了三維地質勘探工作，結果查明了勘探區(qū)內(nèi)落差不小于5m、復雜地段不小于8m的斷層的性質、產(chǎn)狀以及延伸長度、幅度大于10m的褶曲。勘察結果表明礦井開采范圍內(nèi)存在大小斷層17條，其中落差大于5m 的11條，小于5m的6條；其中，正斷層4條，逆斷層13條，斷層走向以EW和NWW為主，按照DF1-DF17編號。目前正在生產(chǎn)的采區(qū)位于勘探出的異常區(qū)右側。

1.2 存在的問題

三維地質勘探結果中斷層預測的精度不高[10-12]，對于落差小于5m的斷層只預測出6條。礦井在開采041工作面時，沿M4煤層底板掘進了2條工作面巷道，切眼貫通形成工作面，041工作面掘進范圍內(nèi)根據(jù)三維地震勘探結果表明存在5m以下斷層4條，5m以上斷層1條，巷道掘進完畢后工作面上巷實際揭露出斷層11條，其中，1條落差大于5m，10條落差小于5m；工作面下巷實際揭露出斷層13條，其中，1條落差大于5m，12條落差小于5m。

工作面上巷在掘進至356m時，突遇一條落差4.2m的正斷層，M4煤層底板抬高導致工作面迎頭變?yōu)槿珟r，工作面隨即按照+8°上坡掘進調整層位。由于EBZ160型綜掘機不具備割巖能力，在嘗試輔助松動爆破兩日后效果不佳，被迫采取綜掘機后退20m上坡挑頂掘進后才順利通過該斷層，如圖1所示。繼續(xù)掘進至875m時又遇落差4m正斷層，采取了相同的方式處理。工作面下巷掘進滯后于上巷，在上巷遇此情況后，下巷提前采取了預警措施，但仍發(fā)生了1次相類似事件。

圖1 工作面后退挑頂掘進

2 工作面預測斷層方法

2.1 走向延伸法預測斷層

根據(jù)斷層成因的分析，斷層面斷裂面一般情況呈連續(xù)性，大斷層可能發(fā)育成為小的組合斷層，相反亦之。在周圍煤層覆存較為穩(wěn)定的情況下，斷裂面的延伸大致是按照斷層走向的方向進行的，結合多元線性回歸分析其產(chǎn)狀變化[13-16]，推測區(qū)域內(nèi)斷層分布情況。利用041工作面上、下巷揭露出的斷層情況，分析同一斷層在上、下巷分布的位置，分析斷裂面延伸方向及角度，推測出斷層在042工作面上、下巷的大致位置，如此得出042掘進工作面斷層分布預測，如圖2所示。

圖2 相鄰工作面幾何分析法預測斷層

由圖2可知，041工作面上巷在695m處揭露DF2正斷層，走向121°、傾向211°、傾角82°，落差0.7m；041工作面下巷在744m處揭露DF2正斷層，產(chǎn)狀與工作面上巷相似，按照該斷層走向方向向042工作面范圍內(nèi)延伸，即可預測出042工作面上巷DF2正斷層預計位置為755m。

斷層發(fā)育時，一部分小斷層由于其走向延伸距離較短，可能出現(xiàn)中途尖滅現(xiàn)象；另外也可能出現(xiàn)新發(fā)育的斷層，顯然走向延伸法對于此類情況無法預測，此時就需要利用工作面三維地震勘探結果結合地質勘察詳查結果進行分析，以判斷斷層尖滅及新發(fā)育情況。

2.2 鉆探法預測斷層

042掘進工作面在鄰近預測斷層位置時采用鉆探進行預測[17-20]。為防止鉆探造成突水事故，工作面掘進期間嚴格遵循“逢掘必探”原則，由專用探放水鉆機施工，按照“探120m、掘90m”原則，探明前方水害情況，并堅持鉆探先行、物探驗證。

由于落差小于1m的斷層對于掘進層位影響不大，且即使探明位置也無需提前進行層位調整，因此本文所述的鉆探法只針對落差大于1m的斷層，掘進至距預測斷層位置20m時，每日早班掘進前，先在工作面迎頭向前施工鉆探孔，探孔直徑42mm，深度10m，仰角-5°～10°，使用風煤鉆配合?42mm可接鉆桿施工，鉆探孔布置如圖3所示，鉆探孔參數(shù)見表1。

圖3 042上巷掘進面鉆探孔布置(mm)

表1 042掘進面鉆探孔參數(shù)

工作面巷道沿M4煤層底板、破底板0.5m掘進，1#孔距煤層底板垂距1.1m，2#孔垂距3m，3#孔垂距2m，4#孔垂距3.25m，5#孔垂距0.6m，根據(jù)各鉆孔不同探煤、巖情況，可分析出前方斷層位置及底板調高、降低情況，各鉆探孔煤巖勘探情況對應斷層產(chǎn)狀見表2。

施工探孔時，先施工1#、2#孔，如均正常全煤，則可判斷前方10m范圍無斷層，不再施工其余孔；1#、2#其中一個見巖，則繼續(xù)施工3#孔，即可判斷前方斷層情況；1#、2#、3#孔都見巖時，再施工4#、5#孔；如出現(xiàn)1#—5#孔都見巖，可以判斷前方斷層落差大于4.5m，此時需要增大仰俯角再施工探孔，鑒于該情況比較少見，因此不再詳細介紹探孔布置方式。判斷出斷層落差及底板抬高、降低情況后，提前調整工作面掘進坡度以減少過斷層后割巖石厚度。

表2 各鉆探孔煤巖勘探情況對應斷層產(chǎn)狀

3 實施效果

042工作面上、下巷掘進期間，采用上述方法預測斷層，首先利用幾何分析法預測出了上、下巷各斷層的分布位置及產(chǎn)狀，具體見表3。

表3 042掘進面上巷斷層預測位置及產(chǎn)狀

根據(jù)預測出的斷層產(chǎn)狀及位置，042工作面上巷在臨近斷層位置20m時在工作面迎頭施工鉆探孔，以T0斷層為例，上巷在掘進至95m時開始在迎頭施工鉆探孔，第一、二、三日未見異常，第四日掘進至113m時，1#孔8m見巖，2#全煤、3#孔8.3m見巖，由此判斷出前方121m處有斷層，落差在2～3m之間，底板抬高，與預測情況相符。工作面調整掘進層位，不再沿底板掘進，改為+8°上坡掘進，掘進至121.5m遇T0斷層時，底板割巖石平均厚度1.44m。042工作面上巷T0斷層鉆探及層位調整如圖4所示。

圖4 042工作面上巷T0斷層鉆探及層位調整(mm)

掘進至736m臨近預測的T5斷層時，該斷層在041工作面下巷揭露出時為底板降低，考慮到其落差較大，為避免遇斷層時出現(xiàn)全巖導致綜掘機無法截割，工作面在掘進至716m時就提前調整為-5°下坡掘進，并開始在迎頭進行鉆探，第三日掘進至728m鉆探時前方7m出現(xiàn)異常，確定前方為T5斷層，底板降低落差約3m，巷道隨即調整為-8°掘進，至揭露T5斷層后巷道底板丟煤1.6m，上部割巖石厚1.4m。042工作面上巷T5斷層鉆探及層位調整如圖5所示。

圖5 042工作面上巷T5斷層鉆探及層位調整(mm)

經(jīng)分析比較，042掘進工作面實際揭露出12條斷層，落差在0.5～4.8m之間，其中，落差1.1m以上斷層共計10條，準確探測出了8條，準確率80%，根據(jù)探測出的斷層位置及產(chǎn)狀，工作面提前調整層位，使得該工作面掘進過斷層時割巖厚度未超過1.6m，避免了因割巖過多造成無法正常掘進現(xiàn)象。

4 結 論

1)根據(jù)掘進工作面臨近巷道已揭露斷層走向方向及產(chǎn)狀，通過走向延伸法預測臨近工作面斷層發(fā)育情況，在煤層覆存穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，其準確度較高，但對于尖滅斷層，新發(fā)育斷層仍需要借助三維地震勘探及其他地質勘察進行判斷。

2)根據(jù)斷層預測結果，使用鉆探法超前進行預測，在工作面最多施工5個鉆探孔，探孔長度取10m為宜，根據(jù)各探孔煤巖情況可準確地分析出前方斷層位置及底板升降情況，并將斷層落差誤差控制在1m以內(nèi)，再根據(jù)結果提前調整掘進層位，以減少遇斷層時割巖厚度，避免過斷層時因巖石占比過大造成無法正常掘進現(xiàn)象。對于落差小于1m的斷層，由于其對掘進影響不大，可不進行探測。