高河矿W4302工作面地质构造状况研究

王大力

（山西高河能源有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

我国煤矿地层结构复杂多样，不同地区的地层千差万别，由于不同区域地质力学条件的不同，在构造应力的作用下，会形成不同的地质构造，其中断层以及陷落柱是主要且常见的复杂地质构造[1-2]。由于断层及陷落柱的存在，为煤矿井下工作面回采带来了诸多问题，它们破坏了地层原岩应力状态，使局部地区具有较大的应力集中，从而导致工作面在回采过程中矿压显现不规律且来压作用较强，造成工作面液压支架压死，回采巷道围岩变形严重等问题，使得矿井不能安全高效生产，造成严重的经济损失；除此之外，恶劣地质构造还会造成岩层裂隙通道，使得煤层瓦斯聚集以及地下水紊流，容易发生瓦斯大量突出以及突水事故，具有极高的安全隐患。因此，对煤矿井下工作面地质构造的准确勘察，对实现矿井安全高效生产具有重要价值。

1 工程背景

W4302工作面所属3#煤层，位于山西组下部，距9号煤层55.72～79.70m，平均58.04m。煤层厚5.18～8.44m，平均厚6.71m。含泥岩及炭质泥岩夹矸0～5层，一般1～2层，以距底板约1.2m左右的一层较为稳定（平均厚度0.27m），纯煤厚4.85～12.10m，平均6.42m。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色粉砂岩。在回采巷道掘进过程中，发现多处断层及陷落柱，地质构造较为复杂，因此工作面共分为3个阶段进行回采，为探明隐伏的地质构造，利用综合物探技术对W4302工作面地质构造情况进行详细分析确定。

2 综合物探技术

目前针对井下工作面地质构造的勘察手段主要有两种方法，一种为无线电波透视，另一种为槽波地震勘探。两种手段各有优劣，无线电波透视对陷落柱及断层具有较强的捕捉能力，能够准确分辨构造性质，但是其纵向分辨率不高且传播距离有限，不能够准确定位构造位置。槽波地震勘探技术对构造异常区具有较强的反应，其传播距离大且分辨率较高，但是对构造异常性质难以区分。因此，本文对两种勘测技术进行综合使用，对W4302工作面地质构造情况进行综合探测，并对勘测结果进行分析解释，以此来对W4302工作面地质构造情况进行精准判断及定位。

2.1 无线电波透视原理

无线电波透视技术[3]是利用不同煤岩体对电磁波的吸收能力来对复杂地质构造进行勘测，一般完整煤岩体的电磁波吸收能力是不变的，只有当遇见异常地质构造面时，电磁波的能量就会有所损耗，造成信号异常，因此在遇见断层及陷落柱时，电磁波的能量会被大量吸收乃至完全消失，所以会出现信号接收端收到信号弱甚至收不到信号，造成信号异常。

如图1为无线电波透视法信号发送与接收原理图，一般该方法需要在两条回采巷道内同时进行，一条巷道内布置发射点，另一条巷道布置接受点（图中为双发双收的布置方式）。在发射点巷道向煤层发送一定频率的电磁波，在接收点巷道进行接收，对电磁波信号频率变化进行观测，如果出现信号一定程度的减弱或者收不到信号，证明工作面内具有异常地质结构。

图1 无线电波透视原理示意图

2.2 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探[4-5]是利用槽波来对地质构造进行勘探。当向煤岩体中发射地震波时，波能除了向三维空间扩散外，部分波能由于顶底板边界的反射作用被限制在煤层内，使其在煤层中发生相互干涉以及叠加，从而形成槽波。

根据探测目的不同可将探测方式分为反射、透射以及二者联合的探测方式，如图2所示为槽波地震勘探原理示意图。同样，地震波在一条巷道内布置发射点，在对应巷道内布置接收点，来对形成的槽波信号进行接收处理，从而判断煤层地质构造类型及位置。

图2 槽波地震勘探原理示意图

3 W4302工作面综合物探结果分析

通过上述测试方法原理介绍及布置方式，对W4302工作面分别进行无线电波透视及槽波地震勘测，并对得出的结果进行分析。

3.1 无线电波测试结果

无线电波透视在两条巷道内进行双发双收的布置方式，其中发生点间隔为50m，接收点间隔为5m。如图3为无线电波透视结果，其中冷色代表构造异常区，测试结果共发现5处异常区，分别为图中显示的条带状及矩形区域，通过分析断定为YC1为断层构造，YC2-YC5为陷落柱。可以看出，无线电波透视结果虽然能够反映出异常地质构造类型，但是其纵向分辨率较差以及传播距离的限制，导致很难对其的影响范围进行判定。

图3 无线电波透视结果

3.2 槽波地震勘探结果

槽波地震勘探布置方式为：在回风巷道以及二三阶段切眼巷道内共布置112个发射孔，布孔间距为20m，在运输巷道及第一阶段切眼巷道内布置104个接收孔，布孔间距为20m。通过发射孔对煤层内发生地震波，并在接收孔进行槽波接收，在得到探测范围内的槽波信号值后，对其进行处理，处理方式分为两种，一种为SIRT层析成像，一种为BPT层析成像，并依次绘制出槽波衰减系数云图，根据云图中槽波能量衰减系数变化特征，来判断异常地质构造的位置，范围等异常情况。

图4 槽波地震勘探结果

如图4为槽波地震勘测结果图，由SIRT层析成像法确定了工作面异常区共13处，BPT层析成像法确定了异常区共11处，两种层析方法分析结果大致相同，基本确定了W4302工作面异常区域范围及位置，但是两种方法针对异常区地质构造类型不能给出明确的测试结果，因此需要与无线电波透视结果进行综合分析确定。

3.3 综合勘测结果分析

根据两种测试分析结果，以及W4302工作面原有的详细地质资料，综合分析出W4302工作面共有陷落柱5处，断层12处，以及其他地质异常区9处，这9处异常区可能为煤体变质、构造应力导致的煤岩体破碎以及煤层夹矸等异常所造成。

4 物探结果验证

为对综合探测结果进行验证，进行了工作面回采及打钻验证，目前W4302工作面已回采180m，在异常区1中共揭露了6条断层，其中2条断层断距约为6m，4条断层断距均小于3.5m，且6条断层的延伸长度均在异常区1矩形范围内；通过打钻的方式对异常区2-9以及探测到的断层及陷落柱区域进行了验证，结果表明，异常区2-9为构造应力导致的煤岩破碎区；断层F1-F12存在，且延伸范围与探测结果相差不大；陷落柱X1-X5存在，且破碎影响范围与圈定的范围基本相同。

综合分析结果表明，无线电波透视与槽波地震勘测法相结合的综合勘测法应用效果显著，两种方法能够弥补彼此方法的缺陷，对异常地质构造区域能够清晰准确的进行探测，判断异常构造类型、影响范围及位置，对工作面的安全高效回采提供了有效保障。

5 结论

1）应用无线电波透视对工作面异常地质构造区域进行了探测捕捉，由分析结果表明该方法能够准确的对异常地质构造类型进行判断，但是限于其传播距离的影响，导致其纵向分辨率不高，从而不能准确的对异常地质构造影响范围进行判定。

2）槽波地震勘测法能够准确的捕捉到地质异常区，且能够准确的确定其位置以及影响范围，对地质异常区具有明显的反应，但是不能对异常构造类型进行区分。

3）通过将无线电波透视及槽波地震勘测法相结合，能够准确的对异常地质构造类型、位置以及影响范围进行确定，从而为工作面安全高效生产提供有力保障。