回采工作面地质构造精细化综合探测技术研究与应用

焦 阳 窦文武 谭 菁 李 刚 李梓毓

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术研究院，山西省晋城市，048006)

我国华北地区煤矿地质构造普遍发育，局部复杂，随着开采强度的加大、开采深度的增加，地质构造有更加复杂的变化趋势[1-5]，加之大采高和放顶煤的回采工艺，若无计划地揭露构造，不但会造成采面大范围割矸，且附带发生冒顶、片帮以及大批量压架事故，还可能导通承压水和瓦斯溢出通道，诱发瓦斯突出和突水事故，造成人员伤亡和巨大经济损失。因此，对矿井回采工作面内地质构造的准确探查至关重要。

目前，针对回采工作面地质构造的井下探测方法众多[6-13]，主要包括无线电波透视、槽波地震勘探和钻探等。无线电波透视的发展相对成熟，但传播距离有限，探测纵向分辨率较差，抗电干扰能力弱，异常多以矩形框显示，对陷落柱十分敏感；槽波地震勘探近些年发展迅速，传播距离远，抗干扰能力强，异常分辨率较高，但对多种异常均较敏感，如断层、陷落柱、煤体破碎区等，只可大体划分异常范围，无法进行构造定性；井下钻探若无固定靶区，便会造成施工成本高、周期长，费时费力。

因此，综合以上各种探测方法的优势，首先采用槽波地震勘探和无线电波透视对回采工作面展开综合物探，大体划分异常范围，并对陷落柱进行初判。然后，针对物探异常区域展开钻探和钻孔测井，确定地质构造性质，如断层、陷落柱、煤体破碎区等，最终通过精细化综合探测技术实现采面内构造的准确预测预报。

1 研究区域概况

成庄煤矿4321工作面走向长度1990 m，倾斜长度282 m，主采3#煤层，平均煤厚约6 m，稳定可采。地面三维地震勘探结果显示，采面内共发育有长轴大于30 m的陷落柱4个，分别为DX91～DX94。另外，根据工作面井下踏勘，发现工作面两巷道共揭露断距大于3 m的断层2条，分别为F159和F164，如图1所示。综合分析判断该采面地质构造较为复杂。

为精确查明4321工作面内部的地质构造发育情况和分布范围，保证安全回采，从物探和钻探角度出发，利用槽波地震勘探、无线电波透视、钻探及钻孔测井等手段开展精细化综合探测。

图1 4321工作面三维地震及现场踏勘收录构造示意图

2 综合探测方法

2.1 槽波地震勘探

槽波地震勘探是利用煤层与顶、底板岩体的物理力学差异，通过分析煤层中激发及接收到槽波的波场特征来探查煤层不连续性的一种地球物理勘探方法。槽波探测具有探测距离远、震源信号强、波形特征明显、不受电力干扰、解释精度高且直观等优点，能够精查煤层中的隐伏地质构造(短轴大于20 m的陷落柱和断距大于3 m断层)、煤体破碎区等地质缺陷。但该方法对多种异常均较敏感，只可大体划分异常范围，无法进行构造定性[14-18]。

槽波地震勘探根据激发点(炮点)和接收点(检波器)不同的布置位置及探测目的，可以分为透射法和反射法两种，本次研究主要采用槽波透射法进行探测。

2.2 无线电波透视

无线电波透视，即电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量的吸收也不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到因地质构造产生的界面时，电磁波将产生反射和折射，造成能量损耗。

因此，当电磁波在传播过程中遇到断层、陷落柱或其他构造时，电磁波能量被吸收或被完全屏蔽，便接收到微弱信号或接收不到透射信号，形成所谓的异常。可是，受电磁波传播距离的限制，该方法探测纵向分辨率较差，抗电干扰能力弱，异常多以矩形框显示，但是，该方法对陷落柱十分敏感，可进行初步判断。

2.3 钻探及钻孔测井

目前，井下钻探工程多无固定靶区，只是按照固定步距和角度布置钻场和钻孔，费时费力，探测成本较高。井下钻孔测井则是通过高分辨率视频、自然伽玛测井、孔斜测量等方法相结合，实现钻孔轨迹的标定和孔内岩性的判断。

本次研究主要通过综合物探手段划定靶区，利用钻探和钻孔测井技术推断异常性质，最终实现回采工作面地质构造的精细化综合探测。

3 综合探测成果

3.1 槽波地震勘探

综合地面三维地震资料及现场踏勘结果与探测目的，本次槽波地震勘探采用透射法，设计测线长度为1500 m，如图2所示，在43213巷布置检波器孔75个，道间距20 m，43211巷布置炮孔75个，炮间距20 m。

图2 4321工作面槽波地震勘探观测系统布置图

图3为本次比较典型的槽波单炮记录，可以看出槽波能量相对较强，速度相对较低、频率相对较高。另外，经过分析，发现每个单炮记录均能接收到槽波，只是不同地区槽波透射能量稍有差别。

图3 典型槽波单炮记录

本次槽波地震勘探成果主要利用槽波能量衰减系数CT方法，共推断断层2条，命名为CBF1～CBF2，异常区10处，命名为CBYC1～CBYC10，如图4所示。图4中黄～红色表示槽波能量高衰减区域。

图4 4321工作面槽波地震勘探成果图

3.2 无线电波透视

本次无线电波透视在两条巷道进行，采用一发一收方式施工。43213巷布置发射点29个，发射点间距50 m，43211巷布置接收点290个，接收点间距5 m。

本次反演结果以实测场强曲线和SIRT法CT成像图表示，共圈定5处异常，命名为KTYC1～KTYC5，如图5所示。图5中，SIRT法CT成像图为煤岩层电磁波吸收系数值图，数据值大小用不同色标值表示，其中，冷(蓝)色调为高电磁波吸收系数值。

图5 4321工作面无线电波透视成果图

结合槽波地震勘探成果，再根据无线电波透视对陷落柱反应敏感，推断KTYC1对应的CBYC1区域、KTYC2对应的CBYC3区域、KTYC3对应的CBYC4区域、KTYC4对应的CBYC9区域、KTYC5对应的CBYC10区域均为陷落柱反应。

3.3 钻探及钻孔测井

综合槽波地震勘探成果与无线电波透视成果所圈异常，在工作面两巷道合理布设钻场和钻孔，展开钻探和钻孔测井工作。可以看到陷落柱、断层、煤体破碎区反应明显，结果如图6所示。

图6 钻孔窥视成像图

当窥视及测井结果显示有煤岩体杂乱，并含有煤层顶板破碎岩块，可判断为陷落柱；当窥视及测井结果依次出现“煤层—破碎区/裂隙带—煤层顶板/底板”等现象，可判断为断层；当窥视及测井结果出现煤体破碎且无明显穿岩界面时，可判断为煤体破碎区。

3.4 精细化分析结果

综合以上3种方法对4321工作面进行精细化综合探测，共圈定陷落柱5个，命名为ZHX1～ZHX5，推断断层1条，命名为ZHF1，推断煤体破碎区5处，命名为ZHYC1～ZHYC5，结果如图7所示。

图7 4321工作面地质构造精细化探测成果图

4 探采对比

4321工作面目前已安全回采完毕，共揭露陷落柱5个(X1～X5)，断层一条(F1)。对比精细化综合探测结果与地面三维地震勘探成果发现，地面三维地震圈定陷落柱(KDX91～KDX94)与实际揭露陷落柱均存在位置和大小的偏差，且实际揭露的X2陷落柱并无反应，而精细化综合探测圈定陷落柱与实际揭露陷落柱位置和大小均较吻合，另外，圈定的ZHF1断层与实际揭露的F1断层较为对应，ZHYC1～ZHYC5异常也均有片帮、冒顶的表现。4321工作面探测对比结果如图8所示。

图8 4321工作面探测对比结果

综上所述，本次地质构造精细化综合探测效果良好，不但能有效结合各种探测方法的优势，准确圈定地质构造赋存位置，而且可以较准确地推断异常性质，实现采前地质构造的精准预测预报，对回采工作面的安全高效开采和智能开采具有重要的指导意义。

5 结论

(1)槽波地震勘探与无线电波透视可以大体圈定采面内的地质构造及地质异常的位置和范围，并对陷落柱进行初判。

(2)针对物探异常区域的钻探和钻孔测井能够对地质构造进行准确定性，如断层、陷落柱、煤体破碎区等。

(3)物探与钻探相结合的回采工作面地质构造精细化探测技术，可以实现采面地质构造的准确预测预报，杜绝相关事故发生，对矿井的安全高产高效以及智慧矿山建设意义重大，具有广泛的推广和应用价值。