7509综采工作面地质构造发育情况探测研究.pdf

图 17509 工作面实测地质剖面图（单位：m）7509 综采工作面地质构造发育情况探测研究李扬（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西长治046200）摘要：煤矿井下地质构造复杂多变，地质构造在综采工作面内部的变化情况往往制约工作面安全有序推进。为确保工作面回采过程中不受地质构造断层变化带、陷落柱等影响，实现工作面安全高效开采，通过采用无线电波透视法和地质综合探测技术对 7509 综采工作面内的地质构造的发育情况进行勘探，为该工作面后续回采，提供切实可靠的依据。关键词：综采工作面；地质构造；发育中图分类号：TD163文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0168-0217509 综采工作面概况五阳煤矿 7509（全文简称 7509）综采工作面位于五阳煤矿+600 m 水平 75 采区南部，其北部为 7505采空区，西部为采区总回风巷，南部为实煤体，东部为75-2 号区段准备巷道。工作面走向长 573 m，里切眼倾斜长 125 m，外切眼倾斜长 23.8 m，实际回采面积78 507 m2，标高为+568+636 m。工作面开采对象为山西组中下部 3 号煤层，煤层赋存稳定，根据工作面附近地质钻孔数据分析，煤层厚度为 6.116.89 m，平均厚度 6.50 m，含两层夹矸，分三个自然分层，结构为 1.45（0.02）4.13（0.10）0.8。根据 7509 两侧顺槽、切眼及相邻巷道掘进资料分析，7509 工作面回采区域及周边地质构造交错复杂，主要有 75-3 号正断层（落差 1.48.0 m）、75-4 号正断层（落差 1.24.0 m）、五-201 钻孔逆断层（落差5.5 m）、7509-2 号正断层（落差 3.5 m）、7509-4 号正断层（落差 5.5 m）、WT-5 正断层（落差 4 m）、7509-3号正断层（落差 2.0 m）1。7509 工作面断层情况如表1 所示。其中，直接影响 7509 工作面回采的断层有 3条，分别为：7509-2 号正断层，7509-4 号正断层，7509-5 号正断层。工作面地质剖面图见图 1。为进一步探明工作面内部构造发育及变化情况，利用无线电波透视和地质综合探测等技术对 7509 工作面内部煤层赋存情况实施勘探，为工作面回采提供切实可靠依据。2探测方法及成果用一个固定频率的电磁波发射器向被探测地质体发射无线电波，由于煤（岩）层不同岩石间电性的特异性，对其电磁波能量吸收作用的大小亦各不相同，电阻率高的岩石对电磁波能量吸收作用小，相反，则吸收作用大。同时，断层界面、岩石裂隙面会使电磁波产生反射、折射和散射，造成其能量损耗。导水裂隙带还能强烈吸收电磁波。因此，在矿井下，电磁波信号在煤（岩）中传播时如遇到断层裂隙带、陷落柱或其他构造时，电磁波能量会出现明显衰减或完全被屏蔽的情况，则在接收巷道收到波信号明显微弱，甚至可能接收不到波信号，根据传播期间波形的异常，形成所谓的透视异常，从而进行地质推断和解释。矿井无线电波观测具体工作方法有定点法和同步法两种。把发射机放在所探测采煤工作面的运输顺槽内，接收机则放在该采煤工作面的回风顺槽内。1）同步法。发射机和接收机分别布置在工作面两侧顺槽内按同一点间距向同一方向同步移动，观测每个测点的电磁波场强值。一般较少采用此方法。2）定点法。把发射机位置相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机沿巷道按一定点间距（间距 10 m）移动，观测每个测点处的电磁波场强值。为解决当接收点逐渐远离发射机时所接收信号的信噪比不断降低，最后无法保证观测质量的问题，通常收稿日期：2022-09-21作者简介：李扬（1995），男，山西长治人，本科，毕业于防灾科技学院，勘查技术与工程专业，助理工程师，从事矿山地质及矿井防治水工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.064表 17509 工作面断层参数表构造名称预测位置走向倾向倾角/（）性质落差/m对回采影响程度7509-2号正断层工作面回采至060 m 范围S78E N 12E40正断层3.5影响较大7509-4号正断层工作面回采至0515 m 范围S85E S 5W85正断层5.5影响较大7509-5号正断层工作面回采至0120 m 范围N85E N5W65正断层1.5有一定影响600590580570560550540600590580570560550540N6E585.47567.977509 运输巷7509 回风巷7509-2 号 H=3.5 m407509-4 号 H=5.5 m85 7509-5 号 H=1.5 m65生产实践2023 年第 9 期每观测 611 个测点后，发射点相对固定位置需移动（发射点间距 50 m），分段观测，但相邻两个发射点要重复几个接收点。每一发射点，接收机可相应观测611 个点。7509 工作面无线电波透视探测施工分别在回风巷和运输巷内依次布置探测点。回风巷探测起点位于切眼，终点位于回风巷 0916 导线点位置；运输巷探测起点位于运输巷 h35 导线点，终点位于切眼位置。在回风巷内布设发射点 14 个，对每个发射点在运输巷设置 611 个实测场强值接收点，回风巷内标识 65 个点位；在运输巷布布设发射点 14 个，对每个发射点在回风巷设置 611 个实测场强值接收点，运输巷现内标识 65 个点位。现场施工发射点间距为 50 m，接收点间距为 10 m。根据 7509 工作面现场实际情况及施工目的，通过无线电波透视技术在工作面运输巷、回风巷道内设置发射和接收装置。通过对 7509 工作面内导线点坐标及顶板高程数据进行了工作面数值模拟及 3D 建模（见图 2），其中运输巷切眼为 3D 原点。由图 2 可见，7509 工作面整体呈单斜，回风巷高运输巷低，巷道开口高沿切眼低。最低洼处位于运输巷切眼处，对应标高约为+568 m，工作面最高处位于回风巷探测边界处，对应标高约为+605 m 左右。无线电波透视 SIRT 反演煤岩层吸收系数成像：利用 SIRT 算法计算反演各像元吸收系数值，实现工作面成像区内吸收系统反演成像，得到煤岩层吸收系数成像。该图中吸收系数的强弱表明煤层介质的差异，图中强吸收系数值表示存在异常的可能性越大，并根据强吸收系数值变化情况，对内部构造及其特征进行判定。综合分析，物探成果发现工作面煤层内主要存在3 个透视异常区，具体见表 2。利用钻探方式针对无线电波透视资料显示的 3个地质异常区针对性探测，对已实揭断层区段，根据断层发育特征及预测发育位置组织进行地质探测，1号异常区施工 3 组探测孔，每组孔 6 个（运、回两巷每组钻孔各布置 3 个点，交叉探测复杂构造发育区域，煤岩层赋存变化情况），2 号异常区分布范围小，距离运输巷侧较近，故在运输巷侧布置 6 组 18 个钻孔，每组孔 3 个（探明煤层赋存情况及构造延伸至此区域时发育情况）；对空巷（回风巷侧）影响区段显示的 3 号异常区，回风巷实施穿巷短探孔每组施工 3 个，运输巷侧施工长孔控制煤层赋存情况每组施工 3 个，钻孔具体布置见图 3。通过地质钻探综合探测分析，1 号异常区内主要为 7509-2 号、7509-4 号、7509-5 号正断层影响所致，区内未发育其他地质构造，工作面回采区域断层落差较大的 7509-2 号正断层和 7509-4 号正断层在区域内变化较大，7509-2 号正断层、7509-5 号正断层在工作面里程 50 m 左右位置于煤层中尖灭，7509-4 号正断层里程 50 m 左右位置落差由 5.5 m 下降为 4.0 m左右，里程 180 m 左右位置尖灭，2 号异常区受7509-4 号正断层尖灭段影响，煤层间裂隙发育影响所致。3 号异常区内主要为三条空巷影响所致，因 3条空巷均已在掘进期间完成疏放水工作，本次探测过程中未发现空巷内存有大量积水，该异常区内未发育较大断层和其他地质构造3。工作面里程 50 m 范围内受多断层构造破坏带组合影响，煤（岩）层赋存状态多变，尤其是 7509-2 号正断层与 7509-4 号正断层中部区域煤（岩）体受附近正、逆断层组合影响，导致煤层发生塑性变形，厚度、形态均发生一定变化，煤（岩）体破碎、酥软，工作面在此区域回采时，需做好顶帮防护工作。其图 27509 工作面 3D 建模示例图（单位：m）表 2探测解释构造异常区特征分析序号坐标位置对应巷道位置分析说明1 号X 方向：050 mY 方向：0125 m分布工作面内（靠近切眼）1 号异常区为 7509 工作面切眼实揭断层 7509-2 号、7509-4 号、7509-5 号的面内响应影响2 号X 方向：150180 mY 方向：2075 m分布工作面内2 号异常区推测为 7509 工作面隐伏构造、陷落柱影响所致3 号X 方向：330480 mY 方向：20140 m分布工作面内3 号异常区为 7509 工作面内已掘旧巷道影响所致，但不排除隐伏构造、陷落柱叠加影响的可能图 37509 工作面地质钻孔平面布置图1 号异常区2 号异常区3 号异常区（下转第 203 页）李扬：7509 综采工作面地质构造发育情况探测研究169窑窑2023 年第 9 期最大值分别为 309 mm、702 mm。通过聚能爆破后，顶板变形量及两帮移进量变化趋势无较大变化，顶板变形量及两帮移进量分别减小为 169 mm 和 450 mm，顶板下沉量较未切顶前减小了 281 mm，两帮移进量减小了 252 mm。可以看出，通过聚能爆破切顶卸压，可以有效达到顶板弱化效果，控制围岩变形，有效保障了巷道稳定性。3结论1）通过对不同炮孔间距下测点压力峰值进行分析发现，随着炮孔间距增大，压力峰值逐步增大，达到峰值的时间也同样增大，最佳炮孔间距为 1.2 m。2）对不同装药直径下应力峰值进行分析。不同炮孔直径下监测点的压力同样呈现出先增大后减小的趋势，最佳炮孔直径为 70 mm。3）随着径向不耦合系数的增大，岩石内部压力峰值呈现先增大后减小的趋势，最佳不耦合系数为 1.6。经过工业化实践发现，通过聚能爆破，巷道顶板下沉量及两帮移近量有了明显的降低，达到了弱化顶板的目的。参考文献1尤元元，崔正荣，张西良，等.爆破中双线型聚能药包最佳成缝角度J.爆炸与冲击，2023（2）：142-156.2张琪.多层复合空区安全高效爆破处理技术J.露天采矿技术，2022，37（1）：65-68.3朱礼渊.聚能切割光面爆破技术在谷家台铁矿的应用J.现代矿业，2021，37（11）：65-67.4程绘朋，冯金辉，高燎原.聚能爆破技术在硬岩巷道快速掘进中的应用J.内蒙古煤炭经济，2021（7）：126-127.（编辑：郭萍茹）Research on the Technology of Cutting Top and Retaining Roadway Along the Gob by DeepHole Energy Accumulation Blasting in Hard Rock Strata of Guandi MineLiu Jianqi（Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity Guandi Coal Mine,Taiyuan Shanxi 030053,China）Abstract:In order to solve the problem of shallow depth and wide range of crushing area caused by traditional blasting pressure relief inGuandi Mine,with 23512 working face as the engineering background,it is proposed to use shaped energy blasting for top cutting pressurerelief.Using numerical simulation software,the parameters of shaped charge blasting were studied,including hole spacing,hole diameter,and radial uncoupling coefficient.The optimal hole spacing was determined to be 1.2 m,hole diameter to be 70 mm,and radial uncouplingcoefficient to be 1.6.Industrial experiments were conducted on the simulation results,and after shaped charge blasting,the subsidence of theroadway roof and the displacement of the two sides were significantly reduced,achieving the goal of weakening the roof.Key words:shaped charge blasting;borehole spacing;deformation of surrounding rock;numerical simulation他回采区域，煤（岩）变化相对稳定，断层两侧煤（岩）体赋存状态变化较小，对工作面回采影响相对较小。3结语综采工作面地质构造探测研究采用的无线电波透视技术配合地质钻孔综合探测效果明显，探明了工作面内地质构造发育实际情况，为工作面实际回采提供了科学、可靠的地质资料。从根本上防范工作面误揭较大地质构造，为矿井安全生产奠定了基础。参考文献1常蓝天.五阳煤矿构造发育特征及其对开采的影响J.江西煤炭科技，2021（4）：136-138.2刘志达，吕伟魁，张贵彬.断层对工作面顶板涌突水影响的数值模拟研究J.山东煤炭科技，2021，39（4）：165-167.3樊斌，赵明，李世念，等.潞安矿区五阳煤矿 8005 工作面关键层分布特征及离层发育监测J.中国煤炭地质，2022，34（7）：34-38.（编辑：苗运平）Exploration and Research on Geological Structure Development of 7509 Fully MechanizedMining FaceLi Yang（Wuyang Coal Mine,Shanxi Luan Environmental Protection and Energy Development Co.,Ltd.,ChangzhiShanxi 046200,China）Abstract:The underground geological structure of coal mines is complex and variable,and the changes in geological structure within thefully mechanized mining face often restrict the safe and orderly progress of the working face.To ensure that the mining process of the workingface is not affected by geological structural fault zones,collapse columns,etc.,and to achieve safe and efficient mining of the working face,the development of geological structures in the 7509 fully mechanized mining face is explored using radio wave perspective method andgeological comprehensive detection technology,providing a practical and reliable basis for subsequent mining of the working face.Key words:fully mechanized mining face;geological structure;development（上接第 169 页）柳建琦：官地矿坚硬岩层深孔聚能爆破切顶沿空留巷技术研究203窑窑