缓斜厚煤层掘进工作面断层预测技术研究与应用

付雪峰，严浩铭

(国家能源集团 新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027)

断层地质构造是自然力作用引起的岩石及岩层的破裂 (断裂)，岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，是地壳运动、变化的具体表现。煤矿巷道掘进过程中，断层构造带一直是影响掘进效率及安全管理的一大难题。在煤矿掘进工作面发生的安全事故中，据不完全统计85%以上发生在断层附近，如何查明掘进工作面断层分布是保障煤矿安全高效生产的重要问题[1]。

在煤矿开采前，地质普查报告已将井田范围内地质构造分布情况进行了调查，矿井在设计时就需要避开大断层、陷落柱等不利于开采的构造，但无法避开的小断层仍对生产有一定影响，在巷道掘进时需要对前方的断层进行超前探测。目前对于断层的地质超前探测方法有很多，主要有：三维地震法、水平声波剖面法、瞬变电磁法、陆地声纳法、激发极化法、探地雷达法、红外探水法、电阻率成像法等[2]。近年来随着计算机的应用促进了小断层探测技术发展，出现了数学地质模型计算、数字图形处理、专家系统、地质数据库等方法[3]，以上方法都能够很好地探测断层形态及产状，但这些方法都有一个共同的局限性：其配套设备设施较为复杂，适用于地质普查这类的大范围断层探查，但对于精准预测断层仍有其不适之处[4-9]。缓倾斜厚煤层综掘工作面沿煤层底板掘进时，遇落差大于巷道二分之一的断层时，如掘进层位调整不及时，容易出现大面积割岩现象。

1 工程概况

1.1 掘进工作面情况

屯宝矿井位于我国西部矿区，所采煤层为厚煤层，平均厚度4.2m，平均倾角18°，掘进工作面随煤层底板沿走向布置，采取综掘方式，配备EBZ160型综掘机。矿井地质普查阶段开展了三维地质勘探工作，结果查明了勘探区内落差不小于5m、复杂地段不小于8m的断层的性质、产状以及延伸长度、幅度大于10m的褶曲。勘察结果表明矿井开采范围内存在大小断层17条，其中落差大于5m 的11条，小于5m的6条；其中，正断层4条，逆断层13条，断层走向以EW和NWW为主，按照DF1-DF17编号。目前正在生产的采区位于勘探出的异常区右侧。

1.2 存在的问题

三维地质勘探结果中断层预测的精度不高[10-12]，对于落差小于5m的断层只预测出6条。矿井在开采041工作面时，沿M4煤层底板掘进了2条工作面巷道，切眼贯通形成工作面，041工作面掘进范围内根据三维地震勘探结果表明存在5m以下断层4条，5m以上断层1条，巷道掘进完毕后工作面上巷实际揭露出断层11条，其中，1条落差大于5m，10条落差小于5m；工作面下巷实际揭露出断层13条，其中，1条落差大于5m，12条落差小于5m。

工作面上巷在掘进至356m时，突遇一条落差4.2m的正断层，M4煤层底板抬高导致工作面迎头变为全岩，工作面随即按照+8°上坡掘进调整层位。由于EBZ160型综掘机不具备割岩能力，在尝试辅助松动爆破两日后效果不佳，被迫采取综掘机后退20m上坡挑顶掘进后才顺利通过该断层，如图1所示。继续掘进至875m时又遇落差4m正断层，采取了相同的方式处理。工作面下巷掘进滞后于上巷，在上巷遇此情况后，下巷提前采取了预警措施，但仍发生了1次相类似事件。

图1 工作面后退挑顶掘进

2 工作面预测断层方法

2.1 走向延伸法预测断层

根据断层成因的分析，断层面断裂面一般情况呈连续性，大断层可能发育成为小的组合断层，相反亦之。在周围煤层覆存较为稳定的情况下，断裂面的延伸大致是按照断层走向的方向进行的，结合多元线性回归分析其产状变化[13-16]，推测区域内断层分布情况。利用041工作面上、下巷揭露出的断层情况，分析同一断层在上、下巷分布的位置，分析断裂面延伸方向及角度，推测出断层在042工作面上、下巷的大致位置，如此得出042掘进工作面断层分布预测，如图2所示。

图2 相邻工作面几何分析法预测断层

由图2可知，041工作面上巷在695m处揭露DF2正断层，走向121°、倾向211°、倾角82°，落差0.7m；041工作面下巷在744m处揭露DF2正断层，产状与工作面上巷相似，按照该断层走向方向向042工作面范围内延伸，即可预测出042工作面上巷DF2正断层预计位置为755m。

断层发育时，一部分小断层由于其走向延伸距离较短，可能出现中途尖灭现象；另外也可能出现新发育的断层，显然走向延伸法对于此类情况无法预测，此时就需要利用工作面三维地震勘探结果结合地质勘察详查结果进行分析，以判断断层尖灭及新发育情况。

2.2 钻探法预测断层

042掘进工作面在邻近预测断层位置时采用钻探进行预测[17-20]。为防止钻探造成突水事故，工作面掘进期间严格遵循“逢掘必探”原则，由专用探放水钻机施工，按照“探120m、掘90m”原则，探明前方水害情况，并坚持钻探先行、物探验证。

由于落差小于1m的断层对于掘进层位影响不大，且即使探明位置也无需提前进行层位调整，因此本文所述的钻探法只针对落差大于1m的断层，掘进至距预测断层位置20m时，每日早班掘进前，先在工作面迎头向前施工钻探孔，探孔直径42mm，深度10m，仰角-5°～10°，使用风煤钻配合∅42mm可接钻杆施工，钻探孔布置如图3所示，钻探孔参数见表1。

图3 042上巷掘进面钻探孔布置(mm)

表1 042掘进面钻探孔参数

工作面巷道沿M4煤层底板、破底板0.5m掘进，1#孔距煤层底板垂距1.1m，2#孔垂距3m，3#孔垂距2m，4#孔垂距3.25m，5#孔垂距0.6m，根据各钻孔不同探煤、岩情况，可分析出前方断层位置及底板调高、降低情况，各钻探孔煤岩勘探情况对应断层产状见表2。

施工探孔时，先施工1#、2#孔，如均正常全煤，则可判断前方10m范围无断层，不再施工其余孔；1#、2#其中一个见岩，则继续施工3#孔，即可判断前方断层情况；1#、2#、3#孔都见岩时，再施工4#、5#孔；如出现1#—5#孔都见岩，可以判断前方断层落差大于4.5m，此时需要增大仰俯角再施工探孔，鉴于该情况比较少见，因此不再详细介绍探孔布置方式。判断出断层落差及底板抬高、降低情况后，提前调整工作面掘进坡度以减少过断层后割岩石厚度。

表2 各钻探孔煤岩勘探情况对应断层产状

3 实施效果

042工作面上、下巷掘进期间，采用上述方法预测断层，首先利用几何分析法预测出了上、下巷各断层的分布位置及产状，具体见表3。

表3 042掘进面上巷断层预测位置及产状

根据预测出的断层产状及位置，042工作面上巷在临近断层位置20m时在工作面迎头施工钻探孔，以T0断层为例，上巷在掘进至95m时开始在迎头施工钻探孔，第一、二、三日未见异常，第四日掘进至113m时，1#孔8m见岩，2#全煤、3#孔8.3m见岩，由此判断出前方121m处有断层，落差在2～3m之间，底板抬高，与预测情况相符。工作面调整掘进层位，不再沿底板掘进，改为+8°上坡掘进，掘进至121.5m遇T0断层时，底板割岩石平均厚度1.44m。042工作面上巷T0断层钻探及层位调整如图4所示。

图4 042工作面上巷T0断层钻探及层位调整(mm)

掘进至736m临近预测的T5断层时，该断层在041工作面下巷揭露出时为底板降低，考虑到其落差较大，为避免遇断层时出现全岩导致综掘机无法截割，工作面在掘进至716m时就提前调整为-5°下坡掘进，并开始在迎头进行钻探，第三日掘进至728m钻探时前方7m出现异常，确定前方为T5断层，底板降低落差约3m，巷道随即调整为-8°掘进，至揭露T5断层后巷道底板丢煤1.6m，上部割岩石厚1.4m。042工作面上巷T5断层钻探及层位调整如图5所示。

图5 042工作面上巷T5断层钻探及层位调整(mm)

经分析比较，042掘进工作面实际揭露出12条断层，落差在0.5～4.8m之间，其中，落差1.1m以上断层共计10条，准确探测出了8条，准确率80%，根据探测出的断层位置及产状，工作面提前调整层位，使得该工作面掘进过断层时割岩厚度未超过1.6m，避免了因割岩过多造成无法正常掘进现象。

4 结 论

1)根据掘进工作面临近巷道已揭露断层走向方向及产状，通过走向延伸法预测临近工作面断层发育情况，在煤层覆存稳定的区域内，其准确度较高，但对于尖灭断层，新发育断层仍需要借助三维地震勘探及其他地质勘察进行判断。

2)根据断层预测结果，使用钻探法超前进行预测，在工作面最多施工5个钻探孔，探孔长度取10m为宜，根据各探孔煤岩情况可准确地分析出前方断层位置及底板升降情况，并将断层落差误差控制在1m以内，再根据结果提前调整掘进层位，以减少遇断层时割岩厚度，避免过断层时因岩石占比过大造成无法正常掘进现象。对于落差小于1m的断层，由于其对掘进影响不大，可不进行探测。