煤矿采空区勘查设计技术研究

雷志国

(霍州煤电集团 丰峪煤业有限责任公司，山西 霍州 031400)

随着煤矿逐渐向深部开采，形成了大量的采空区，对煤矿的安全开采产生了严重的影响，为了解决采空区探测的问题，国内学者对此进行了一定研究。文献[1]采用地表勘探、物探、钻探等手段，对采空区进行综合勘查，掌握了煤矿采空区的位置、范围，在采空区勘查基础上，全面分析了采空区的隐患类型，为研究采空区进行综合治理提供了技术支持；文献[2]采用层析成像法，分析了煤矿采空区地球物理特征，反演结果与实际钻孔资料进行对比分析，表明该方法能够较好地预测采空区的位置；文献[3]采用高密度电法、瞬变电磁法、高密度二维地震法和三维地震综合法对煤矿进行了探测，得出三维综合探测结果和二维探测结果在空间上异常区域具有较高的吻合关系，表明了综合物探法对煤矿采空区的探测是有效的。鉴于此，本文研究了煤矿采空区勘查设计，主要包括收集资料、井下实测、瞬变电磁法、钻探、地球物理测井等工程方法。研究为类似工程条件煤矿采空区勘探提供了借鉴。

1 矿区地质概况

1.1 地层

霍州煤电集团紫晟煤业有限责任公司井田位于霍西煤田霍州矿区东南部，矿区内大部分被第四系地层所覆盖。根据地表出露及生产矿井和钻孔揭露，区域地层由老至新为：中太古界霍县群；元古界长城系；古生界寒武系下统、中统、上统；奥陶系下统、中统；石炭系上统；二叠系下统、中统、上统；新生界新近系、第四系。

(1)奥陶系(O)。井田位于霍西煤田霍州矿区辛置精查勘探区的西侧、北益昌普查区南部。峰峰组(O2f)为煤系地层基底，据区域资料厚度大于100 m，岩性一般以灰色厚层状致密石灰岩为主，其次有角砾泥灰岩、白云质灰岩、泥岩，中上部局部有一石膏层，地层中裂隙多为方解石脉充填。辛置勘探区以往118号钻孔揭露厚度51.07 m；井田内以往511号钻孔揭露厚度2.89 m。

(2)石炭系。①本溪组(C2b)平行不整合于峰峰组之上，厚度15.30 m，为海陆交互相，底部为山西式铁矿及铝土矿，其上为灰色砂质泥岩、砂岩，其中含不稳定灰岩1～3层，厚度多在1 m以下，局部有不稳定薄煤层。②太原组(C2-P1t)与下伏本溪组整合接触，是区内主要的含煤地层之一，全层厚度为78.86～98.39 m，平均厚91.60 m，为海陆交互相沉积，岩性主要由灰黑色泥岩、灰岩、薄层砂岩及煤层组成，沉积稳定，标志层明显，含煤4～6层，可采煤层有5号、6号、9号、10号、11号煤。

(3)二叠系。①山西组(P1s)。该组为一套陆相碎屑岩含煤建造，为井田主要含煤地层之一，厚度38.95～44.90 m，平均厚43.54 m。主要由深灰—灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、粉砂岩间夹灰色中细粒砂岩煤组成。该组含2号煤层，为井田主要可采煤层，泥质岩中富含植物化石。底部K7为灰色中粒砂岩，成分以石英为主，长石次之，分选性、磨圆度较差，斜层理发育，局部相变为粉砂岩，厚度1.25～10.11 m，平均厚3.85 m。②下石盒子组(P2x)。与山西组地层整合接触，全厚85.06～112.91 m，平均厚95.18 m，属陆相沉积，按岩性特征可分为2段：下段主要为灰色、黄绿色泥岩、砂质泥岩、砂岩互层，有时含不稳定的薄煤层，底部以灰白色中粒K8砂岩与山西组分界，K8砂岩多为细粒结构，成分以石英、长石为主，风化后明显的氧化铁圈，底部常含小砾，厚0～4.70 m，平均厚1.87 m。上段多为黄绿色薄层砂岩与砂质泥岩互层，风化后多呈陡崖，其顶部常有不稳定的紫斑泥岩发育，俗称“桃花泥岩”，底部K9细粒砂岩厚0～11.82 m，平均3.08 m，常相变为粉砂岩。③上石盒子组(P2s)。该井田该组地层赋存不全，其上部地层多被风化，仅残留其下部地层。本组底部以中粗粒石英砂岩K10与下石盒子组整合接触，其下部地层为杏黄色、黄绿色、紫色泥岩、砂质泥岩、薄层砂岩组成互层，上部地层为蓝灰色、紫色泥岩夹薄层砂岩，质软易风化，该区残留厚度177 m左右。

(4)上第三系上新统(N2)。该区最大残留厚度176.26 m，一般厚80 m，与下伏地层呈角度不整合接触。井田内沟谷处有零星出露。主要岩性：底部一般由砾石层组成，其上为灰色、浅灰色泥质灰岩，“淡水灰岩”，中上部为红色黏土，具水平层理。

(5)第四系(Q)。①中更新统(Q2)，厚0～30 m，平均厚10 m。与下伏地层呈角度不整合接触。主要由黄灰色、浅红色砂质黏土、黏土组成，常含钙质结核，有时夹砾石。②上更新统(Q3)，厚0～20 m，平均厚10 m。主要岩性为浅黄色、褐黄色砂质黏土，上部为次生黄土和耕植土夹砂砾层。

1.2 构造

井田位于霍西煤田霍州矿区东部，据钻探及井下开采资料证实，井田中的构造形态与区域构造密切相关，井田地层受区域构造影响，井田总体构造以轴向近南北的背斜构造为主，主要发育有70余条断层，断层发育受到褶皱控制，分布于褶皱轴部两侧。

(1)褶皱。北益昌背斜：总体为轴向近南北向S形背斜，背斜轴位于井田中部，两翼地层不对称，西南翼宽缓，地层倾角2°～5°，东北翼较陡，地层倾角10°左右，局部达23°。

(2)断层。井田断层发育，落差大于20 m的大、中型断层6条，落差10～20 m的小型断层7条，主要断层特征：①F1正断层，位于井田东南部边缘，为赤峪断层支叉，井田内延伸长度约0.43 km。走向N34°E，倾向NW，倾角70°，落差140 m。②F2正断层，位于井田外东南部，为赤峪断层支叉。走向N39°E，倾向SW，倾角70°，落差210 m。③F3正断层，位于井田西北部，走向N32°E，倾向NW，倾角70°，落差30 m，井田内延伸长度约2.0 km，为井下巷道所揭露。④F50正断层(推断)，位于井田西南部，走向北东24°，倾向NW，倾角66°，落差90～120 m，井田内延伸长度约2.191 km，为井下巷道所揭露。⑤F74正断层，位于井田南部，走向北东55°，倾向SE，倾角40°，落差20～25 m，井田内延伸长度约0.65 km，为井下巷道所揭露。

(3)陷落柱。井田内共揭露陷落柱9个，主要分布于井田中西部，空间形态为反漏斗型，其断面为近圆形或半椭圆形，直径20～60 m，为井下巷道所控制或钻探探测所控制，构造纲要图如图1所示。

图1 构造纲要Fig.1 Structural outline

2 采空区勘查设计

此次工作通过对各类资料的搜集整理和综合研究基础上对能进入的采空区及巷道均进行井下实测，井下实测工作不仅能直接测量出采空区范围，还为下一步瞬变电磁法扫面工作提供参数依据，在瞬变电磁法成果的基础上对无法进行井下实测的区域进行钻探验证，查明工作区内采空区的范围及分布。

(1)资料收集。资料搜集与分析研究是这次工作的重点之一，该项工作从野外调查至成果报告编写始终进行，要贯穿于项目实施的全过程。在井田范围内勘查、开采积累了大量资料，此次工作主要收集1956年6月—1958年5月原华北煤田地质勘探局144勘探队在辛置勘探区、北益昌勘探区进行的精查勘探，在提交的《霍西煤田辛置勘探区精查地质报告》《霍西煤田北益昌勘探区普查地质报告》的基础上，求得2号煤层C级储量为6 164.5万t，并经原煤炭工业部华北煤田地质勘探局审查批准，可供参考利用。同时，收集整理霍州地区2019年以前的补勘资料，结合矿井采掘活动范围进行详细分析研究。

(2)井下实测。①采空区拐点、采掘巷道实测，选用TS-06型全站仪采用支导线法进行测量，利用井筒近井点坐标联测。坐标系采用国家80坐标系。②采煤厚度采用钢尺丈量配合气动钻机探煤的方式，对煤厚点进行部分验证。③对已经密闭的以往生产巷道及采空区、矿井瓦斯涌出量、煤尘爆炸性、煤的自燃、水文地质条件、顶底板特征等开采技术条件以调查、访问、搜集资料为主要手段，通过对资料的分析整理、绘制采掘工程平面图、充水性图等各种综合性图件，完成报告的编写。

(3)瞬变电磁法工作。本次工作采用瞬变电磁法进行施工。瞬变电磁法方向性强，对导电体范围和导电覆盖层的分辨率较高，不易受高阻屏蔽及地形影响，在探测地下水的分布和空间位置精度较高，可根据地质结构、地下水的特征分析判断矿井充水水源及范围。正式开工前，在勘探区内2号煤层选XZ-2钻孔布置试验坐标点5个，进行勘探深度、参数选择试验[4-9]。

(4)钻探工作。钻探是此次工作最直接、最重要的勘探手段，其主要目的是验证物探工作成果，探明采空范围及分布。此次设计4个钻孔，钻探总进尺2 351 m。设计钻孔根据测量和物探成果部署。

(5)地球物理测井工作。对所施工钻孔需进行综合测井，设计测井深度为2 301 m，旨在划分地层，判定采空区的深度及厚度等参数，分析煤岩层的物性数据，确定含水层位置及其相互补给关系。测井方法采用视电阻率、放射性、井径、密度等测量。

3 工作方法及技术要求

3.1 井下实测

测量工作采空区拐点实测选用TS-6型全站仪采用支导线法进行，坐标系采用国家80坐标系，不同的坐标系还需选择合理参数进行转换使用。利用已知的坐标点对井下巷道位置进行测量，对采空区范围应多次复测，误差应满足《煤矿测量规程》(1989年版)的要求(小于10 cm)，并对部分煤厚点应用探煤钻进行验证，经井下实测与收集的煤厚点资料对比，误差均应小于0.20 m。

3.2 瞬变电磁法工作

此次测量采用PROTEM 67D瞬变电磁勘探系统。

(1)设计工作量。根据所承担的地质任务，主要查明勘探区内采空区的赋水情况和地质构造，以及50 m以上断层位置走向及其富含水性。测网布设原则为主测线大致垂直于本测区的主构造方向且兼顾施工方便，测线方向为近东西向布设。测网密度为：40 m(线距)×20 m(点距)。全区共布设瞬变电磁测线105条，设计坐标点6 258个，检测点按总坐标点5%计算，计312个；试验瞬变点50个；共计瞬变电磁物理点6 620个。

(2)资料处理解释及提交成果。资料处理流程如图2所示。

图2 资料处理流程Fig.2 Data processing flow

(3)预计勘查成果。形成瞬变电磁勘探文字报告，得出实际材料图及煤层采空区范围分布图。

3.3 钻探工作

(1)钻探工艺。①施工装备。根据勘查区的地层、水文、地貌、工作量、技术要求、工期等条件，勘查选用 XY-4等型号钻机和与此相匹配的附属设备。②钻孔结构。钻孔结构设计是以满足各分部工程为目的及施工工艺要求为原则，力求达到钻探工艺的合理性和最佳的经济效果。根据本区地质情况及设计目的，普查中设计的钻孔终孔孔径要求不小于91 mm，岩芯直径不小于60 mm。结合水文地质测绘、地面物探、水文测井、抽水试验(单孔)、水化学分析及同位素测试、岩石物理力学性质测试、动态观测及工程测量等综合勘查手段，从多方面获取地质及水文地质资料信息，经过综合分析和研究，取得良好的勘探成果。

(2)钻探工程质量。①勘查过程中，设计钻孔均要求山西组地层全取芯，直至终孔。②终孔层位。设计钻孔终孔层位为2号煤层底板10 m，要求终孔层位必须取芯证实，且保证测井需求。③孔深检查。此次所设计钻孔均要求于见基岩、见验收煤层前后10 m、每钻进100 m、终孔和取灰浆样均进行孔深检查，对孔深误差超限者应进行合理平差和孔深校正。验收煤层部位出现误差，均要进行校正。④孔斜测量。凡竣工钻孔均进行孔斜测量，并按有关标准进行验收。为防止孔斜，在施工中按有关规定进行中途测斜，并依据测斜资料进行孔斜换算。⑤钻孔封闭。所有竣工钻孔都要按封孔设计要求和钻探规程规定进行封闭，并做好封孔记录。封闭层段为2号煤层上60 m至终孔全封闭、断层带上、下各封10 m，孔口封5 m，并埋暗标或明标。封闭层段的沙浆顶面要取样检查，沙浆面低于设计深度5 m者，必须重新补封。封孔所用材料：水泥强度等级应为32级以上，变质失效水泥不得使用。⑥原始资料记录。各项原始记录应按统一规定的格式、内容认真填写，做到数据准确，内容齐全，字迹清楚，并进行评级验收，合格率≥85%。总之，此次布设钻孔要求各专业人员在编制钻孔设计时均要严格按有关规定做好施工和验收。

3.4 地球物理测井工作

(1)测井的地质任务。①确定采空区或煤层埋藏深度、厚度、结构和夹矸岩性；②划分钻孔岩性剖面，提供煤岩层的物性数据。③利用测井曲线进行煤、岩对比，研究煤岩层变化规律及地质构造；④测定钻孔孔径、顶角、方位角。

(2)仪器设备及测井参数方法。①此次地球物理测井采用PSJ-1型数字测井系统，主要仪器设备为PSJ-1型数字采集记录仪、PSM-1型密度三向探管、PSX-1型数字连续井斜检测探管、PSV-1型声波测井仪、PSDF-1型电极系探管、PSWL-1型井温、井液电阻率探管。数据处理采用河北省邯郸市工业自动化研究所的《ClogProV2.0》处理系统。对井上、井下仪器，按规范要求定期进行校验、标定、刻度，其数据要存档备查。②常规测井采用的参数方法，测试项目视电阻率等[10-11]。

(3)钻孔数据采集。①对煤、岩层按规范规定的采样间隔进行数据采集：目的层不大于5 cm；其他层可不大于10 cm(特殊要求除外)。②地质孔含煤层段必测参数不少于4种。其中，自然电位(DZW)、视电阻率(DLW)、自然伽马(HG)、伽马伽马(HGG)4种必不可少；非含煤段不少于3种。③各种参数的测量技术符合规范要求。

(4)单孔提交的图件。①1∶200、1∶500数字测井综合成果图；②1∶50数字测井煤层段综合成果图；③测井剖面解释成果；④测斜记录表。

4 结语

本文分析了煤矿采空区勘查设计，主要包括收集资料、井下实测、瞬变电磁法、钻探、地球物理测井等工程，并研究了其工作方法及技术要求。通过对各类资料的搜集整理和综合研究基础上，井下实测工作能直接测量出采空区范围，可以为瞬变电磁法扫面工作提供参数依据，在瞬变电磁法成果的基础上，对无法进行井下实测的区域进行钻探验证，采用该综合探测方法，能够有效查明工作区内采空区的范围及分布。