煤矿掘进巷道断层识别.doc

煤矿掘进巷道断层识别 唐海 ，周义 (1湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201；2江西新鸣煤业有限责任公司，江西 乐平 333331) 摘 要：断层识别是巷道掘进的关键基础工作，不仅是获取可靠地质资料的基础，也是矿井安全生产的基础为确定断层性质，根 据断层出现的预兆并结合现场实例，研究了断层的各种识别方法研究表明，断层识别总体上可归纳为直接法和间接法两大类，由于 地质条件的复杂多样性，单一的方法很难识别断层性质，判断断层是多种方法的综合另外，处理断层可采取改变巷道的掘进方向和 掘进坡度。同时。巷道过断层还需要根据现场实际情况，加强巷道支护 关键词：巷道掘进；断层；识别；反射波法；综合分析 中图分类号：TD1631 文献标识码：A 文章编号：16745876(2009)04004704 详细可靠的地质资料是煤矿采掘工作的依据，而 可采煤层；石碳垄组含九、十、十一煤等3个煤层，其 巷道掘进中的断层识别不仅是获取可靠地质资料的 中九煤、十煤不可采，十一煤为局部可采煤层矿井内 基础，还是矿井安全生产的基础工作，随着煤矿开采 已探明的大型断层(垂直断距大于40ITI以上)只有5 深度不断的延伸，地质条件越来越复杂，因而断层的 条，但落差小于5ITI的断层较多，对矿井巷道掘进影 识别与分析判断直接影响矿井开采的真实可靠性，如 响较大总的来说矿井内构造属中等偏复杂类型矿井 果对断层的识别与分析判断不准确或不真实，会给矿 分为4个水平5个阶段开采，即+193水平，0水 井带来严重的经济损失和安全事故因此断层的识别 平，一200水平，一375水平(分上下山开采)，现生产水 与分析判断是煤矿地质工作中一个重要的基础课题， 平为一200水平，一375水平随着生产水平的延伸，矿 科技工作者对之进行了大量研究 。如文献2【，3】从煤 井地质条件越来越复杂，掘进过程中遇断层几率也越 岩层层位对比、断层面构造特征、规律类推、作图、生 大，正确识别断层类型，对保证该矿正常掘进施工显 产勘探法几个方面分析了煤巷掘进中小断层的识别 得尤其重要 文献4，5仟U用波遇到断层后的反射特征来识别断层 由于地质条件的复杂多样性，运用单一方法很难 在同一构造应力作用下形成的成组派生小断层的性 判断断层的特性，故本文结合该矿掘进，运用多种方 质与同生的主断层的性质相同，文献6【】认为可以利用 法，对在实际生产过程中断层的识别与判断进行了综 这些小断层的性质来预测主断层的性质文献7【运用 合分析 模糊数学方法、文献8运用神经网络方法，在煤矿断 层识别上取得了一定成果 1 断层描述 某煤矿位于我国南部，含煤地层为杨梅垄组和石 在井巷掘进过程中，发现只要存在这些现象之 碳垄组，杨梅垄组含一、二、三、付三、四、五、八等7个 一：巷道中出现煤岩层层序重复或煤岩层缺失；巷道 煤层，其中四煤为可采煤层，倾角为535。，煤层厚度 中发现煤岩层错位，煤岩层产状发生激烈变化；巷道 为1436m，而一、二、三、五煤为局部可采，其余为不 内发现煤岩层的特征(如：厚度、光泽、硬度、煤岩成分) 收稿日期：200907-03 基金项目：湖南省教育厅资助项目(08c325) 作者简介：唐海(1970-)，男，湖南祁阳人，讲师，博士，研究方向：采矿和岩石力学Email：tanghaiT07298163c0m 发生变化等，通常预示着有断层出现 曲的突出方向所指的方向一般是对盘的运动方向在 断层面上常常会有两盘在发生运动时留下的痕迹，在 11 断层位置 这些痕迹块上面可以用手从上往下触摸，如果擦痕面 通常是通过断层附近的测量点或井巷开口点的 是光滑，不会刺手，那就说明对盘的运动方向是和手 位置来确定断层面的具体位置 摸擦痕的移动方向是一致的，反之，如会刺手，那对盘 12 断层面 的运动方向和手摸擦痕的移动方向是相反的擦痕有 时也表现为一端粗而深，一端浅而细，一般浅而细的 主要描述断层面的形态特征是张性状还是压性 一 端为对盘的运动方向如本矿0水平大巷出现的 状，断层面的受挤压状况断层面两盘的擦痕，牵引，伴 F断层(断距H=50m)，就是通过该方法确定的 生小断层的发育情况，两盘的煤岩层特征，煤岩层组 3)标志层对比法，所谓标志层就是容易辨认的特 合关系等断层面的产状确定，在现场可直接用地质罗 点，而且分布广泛，层位较为稳定的煤岩层一般情况 盘测量断层面的走向和倾向 下，依据标志就能解决煤层的对比问题，为找断失的 13 断层带 煤层提供了可靠的对比如本矿的四煤层，在煤层底板 有一层比较稳定的含植物根化石灰黑色的页岩，厚度 主要描述断层带的宽度及变化情况，破碎带充填 在0102m之间变化，这一层页岩是四煤独有的标 物的岩性特征，碎裂块状的大小排列及胶结情况。 志，在全矿范围内比较稳定 14 断层落差 4】煤层特征对比法，各个煤层的厚度、结构和物理 性质具有不同的特征，可以利用厚度大小、夹石层数、 断层落差指的是断层两盘同一煤层之间的标高 出现的部位和形态或夹有特殊类型的煤可作为对比， 差如断层的落差不大，在巷道内断层的两盘均见同一 各煤层的物理性质、光泽、硬度、煤质好坏等，利用煤 层煤，可以用尺直接量断层的落差如断层的落差大， 层本身特征，可以直接识别层位，在生产中判断对盘 通常是通过生产勘探法或作图法分析断层落差 煤层具有良好的效果如本矿的二煤层，含硫比较高， 2 断层判断 在煤层中有 12层砂质泥岩，夹石厚度在0205nl 之间变化，这些都是本煤层独有的标志 巷道掘进过程中遇到断层落差较小，并揭露出断 5)煤岩层组合特征对比法，在矿区范围内，煤岩层 层两盘，可直接判断断层类别当在生产过程中遇到断 组合特征比较明显时，煤层与标志层的组合关系进行 层落差较大，不能看到对盘的煤层时，需先确定断层 煤层对比，同时在标志层控制的基础下，煤层与标志 的性质后，再去寻找断失的煤层因此，确定断层的性 层又比较稳定时，可利用层间距进行煤层对比，寻找 质和落差成为确定巷道掘进方向的首要的基础工作， 对盘煤层如四煤与五煤之间，只隔一层灰黑色、含植 其断层判断方法可分为直接法和间接法 物根部化石的砂质泥岩，层间距为05443m 21 直接法 61古生物化石层对比法，通过古生物化石的组合 特征可确定煤层的层位，有的煤层顶底板本身就含有 通过总结，在实际生产过程中确定断层的性质和 判断断层的落差直接方法通常有以下几种： 一 些古生化石层，采用古生物化石层对比，也可以解 1)煤岩层对比法，根据巷道揭露的断层两盘的煤 决寻煤的基本问题如本矿五煤煤层底板往下193m 岩层层位岩性来确定断层的性质，寻找断失的煤层该 之间有一层厚度为0610m的植物化石，这也是五 方法比较简单实用，但要断层两盘均揭露出来，才能 煤层独有的标志层，在全矿范围内都比较稳定 判断断层类别，这对落差较小的断层适用 71生产勘探法，在以上几种方法都取不到良好效 2)伴生派生构造判断法，断层面附近常伴生派生 果的时候，可采用生产勘探法，生产勘探法主要有：巷 一 些小型及微型的次生构造，在成因上与断层有联 探和钻探两种，(1)在断层性质已确定，而落差不能确 系，在分布上与断层相伴，它们既可以作为断层存在 定的时候，采用巷探；(2)在落差和性质都不能确定的 的标志，也可以作为判断断层的性质主要伴生派生构 时候，在生产中又需要先查明断层的性质和落差才能 造有：牵引褶曲、断层擦痕等，在断层两盘牵引褶曲弯 确定巷道的掘进方向时，采用钻探 22 间接法 31 改变巷道的掘进方向 结合其他学者和自己的研究成果，在实际生产过程 当工作面的运输巷遇到落差大于35m的断层， 中确定断层的性质及落差的间接方法分为以下几种： 如已掘的运输巷长度符合正常生产的工作面运输巷 1)规律类推法随着矿井地质资料的累积，对矿区 长度，可把断层作为回采工作面的自然边界处理，巷 出现的断层得到一些规律性的认识：在小区域范围 道不过断层，退后一定距离(留一定煤柱)沿煤层作切 内，在同一构造应力作用下形成的成组派生小断层的 眼如本矿4441运输巷，沿四煤走向掘进到400m处， 性质与同生的主断层的性质相同可以利用这些小断 遇一垂直断距为6m正断层，根据现场条件和理论计 层的性质来预测主断层的性质如在本矿区所揭露的 算，巷道退后 10m，改变方向，沿四煤顶板掘进作切眼 断层一般正断层比逆断层多，断层倾角较大的一般都 布置工作面如已掘巷道长度不够满足生产需要，巷道 为正断层，此规律不是完全正确，是其它判别方法的 过断层后需改变掘进方向寻找煤层，如44采区的 辅助手段 4443运输巷 (见图1)掘进100m时，遇到垂直断距 2)作图分析法当遇到大断层时，可充分利用各种 =5m的正断层，由于断层附近围岩不稳定，处于应力 矿图(包括地质剖面图、采掘工程平面图、煤层底板等 集中区，还存在淋水现象，4443运输巷先不改变掘进 高线图等)，将新揭露的断层位置点画在图上，根据断 方向，而是直接过断层，进入到另一盘15I11后再平行 层的产状进行上下左右的对比连接，和附近以往查明 断层走向掘石门，寻找缺失煤层 的断层产状基本一致，特征相同，并能连接，就可以认 4443 为新揭露的断层是已知断层的延伸，由此推断新断层 运输巷 的性质和落差及延伸长度 3)反射波法依据波动理论知，当波在传播过程中 遇见断层时，发生反射，其发射波的能量、频率和相位 均发生，利用这些变化特征可以判断断层类别如文献 图1 4443运输巷过断层 图2 52探煤下山过断层 Fig14443haulage Fig252seeking 8【j用反射波的振幅、平均频率、相似系数、主频带能 roadwayoverfault coaldownhmoverfault 量比、容量维等特征，结合人工神经网络法比较准确 地预测了断层类别和落差利用反射波法是以后矿井 32 改变巷道的掘进坡度 识别断层的发展方向 当上下山巷道遇断层时，通常采用降低或加大巷 4)专家系统专家系统是一个智能计算机程序系 道掘进坡度过断层，寻找另一盘煤层落差比掘进巷道 统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经 高度低或相差较小的断层，采用卧底和挑顶相结合的 验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处 方法来降低和加大巷道坡度，如52探煤下山过断层(见 理该领域问题该方法需要建立有代表性的、本矿井的 图2)，42探煤上山过断层(贝图3)对落差较大的断层， 断层(包括断层类别、产状、断距，岩性，两盘煤层及煤 先掘石门过断层，后再降低或加大巷道坡度进入另一 层顶底板岩性)的数据库，当生产中遇见新断层时，可 盘煤层，如4l探煤下山过H=15m的大断层(见图4) 把该断层信息输入到专家系统中去判断断层类别 通常，由于地质条件的复杂多样性，运用单一方 法往往很难判断断层的特性，为准确识别断层。在生 产实践中常采用上述几种方法综合进行分析判断，以 便互相补充验证 图3 42探煤上山过断层 图4 41探煤下山过断层 3 断层处理 Fig242seeking Fig441seeking coaluphilloverfiult COaldownhilloverfault 主要根据断层和巷道掘进方向、断层的性质、落 通常断层附近围岩不稳定 0l，处于应力集中区， 差大小、巷道的用途、运输方式等综合考虑处理断层 无论采取那种方法过断层，均需要根据现场实际情 一 般采用改变巷道的掘进方向或改变巷道的掘进坡 况，加强巷道的支护通常采取锚喷支护，同时在顶帮 度方法处理断层 打锚索加强支护拐外，对顶板破碎、围岩压力大的巷 49 道，除采取前述一般措施外，还需采用全封闭u型棚 2【】侯守道煤矿掘进工作面小断层识别及处理忉煤矿开采。2007，l2(2)： 1920-38 进行第二次支护 HOUShoudaoRecognitionanddipxo ofBIIlallfaultduringdriving roadwayin eryBCoalMiningTechnology，200712(2)：l920，38(in 4 结论 Chniese) 3【】何东印掘进工作面遇小断层的判断和处理方法田中州煤炭2OO6 巷道掘进中的断层识别不仅是获取可靠地质资 141(3)：45-46 HEDongyinRceognitionanddisposaloffaultduringdrivingroadwayJ 料的基础，也是矿井安全生产的基础工作由于地质条 ZhongzhouCoal,2006，141(3)：45-46(inChinese) 件的复杂多样性，运用单一方法往往很难判断断层的 4】杨润海。许昭永，王彬，等多波浅层地震勘探中的断层识别叨地震研 究，1999，22(3)：280-283 特性，本文结合现场实践，研究了断层的识别，得到了 YANGRunhai,XUZhaoyong,WANGBin,et以 Rceognitionoffaultin 以下几点结论： explorationtechniqueofmultiwaveforshallowearthquakeJ1Journalof 1)巷道中出现煤岩层层序重复，煤岩层缺失等现 SeismologicalResearch，t999,22(3)：280-283(inChniase) 5【】陈双庆，陈昌武，王树敏，J、断层的分辨识别与反射波特征叨山东科 象；巷道中发现煤岩层错位，煤岩层产状发生激烈变 技大学学报(自然科学版)，2005，24(4)：5154 CHEN Shuangqing,CHENChangwu，WANG ShuminDistinguishing 化；巷道内发现煤岩层的特征(如：厚度、光泽、硬度、煤 andIdentificationofmini-faultsnadtheircharactersofreflcetionwaveB 岩成分)发生变化出现这些现象，通常预示着有断层 mJournalofShnadongUniversityofSciencenadTcehnology(Natural 出现 Science)，2005，24(4)：51-54(inChinese) 6【】丁宽利用派生成组性质相同的小断裂判断主断层的性质】雁北 21识别断层通常有直接法和间接法直接法包括 师范学院学报，2006，225()：5557 DING KunaJudgingthecharactersofthemailfaultbyusinghte 煤岩层对比、伴生派生构造判断、标志层对比、煤层特 charactersofthegrowofhtederivativelittleafults叨JournalofYanbei 征对比、煤岩层组合特征对比、古生物化石层对比、生 NormalUniversity,2006，22(5)：55-57(inChinese) 7【】胡建平模糊数学在采掘工作面断层类型识别中的应用叨煤炭工 产勘探等方法，间接法包括规律类推、作图分析、反射 程师1997(6)：45_47 波、专家系统等方法为准确识别断层，在生产实践中 HUJinapnigApplicationoffuzzymathematicsonrecognitionoffault 常采用前述几种方法综合进行分析判断，以便互相补 styleniminniganddrivingfacemCoalEngincer,19976【)：45-47in Chniese) 充验证 8【】崔若飞王磊应用人工神经网络识别断层J】煤田地质与勘探，1997。 3)综合考虑断层和巷道掘进方向、断层的性质、落 25(3)：57-60 CUIRuofei。WANGLeiRceognitionoffaultwithneuralnetworks叨 差大小、巷道的用途、运输方式等内容，采用改变巷道 CoalGeologyExploration，1997。25(3)：57-60(inChinese) 的掘进方向、掘进坡度处理断层，同时，巷道过断层还 9【】郑全九，陈鹏。王永志断层破碎带大断面巷道掘进与支护方式叨煤 矿开采2004，9(1)：6566 需要根据现场实际情况，加强巷道的支护 ZHENGQunjiuCHENPeng,WANGYongzhiDrivingnadsupporting oflargesectionroadwayinbrokenfaultzoneJCoalMiningTcehnology, 20049(1)：65-66(inChinese) 参考文献： l【O】张东升，张吉雄，徐金海预掘巷过断层及其矸石井下处理技术田中 【1】王广阔，张西军平移断层性质的正确判断及在生产中的应用田煤 国矿业大学学报，200433(2)：178182 矿现代化，2006，(81)：18-19 ZHANGDongsherhZHANGJixi0ng，XUJinha1Pre-Drivenroadwayin WANGGuangkon，ZHANG XijunRecognitionandapplicationof afultnadundergrounddisposalofassociatedwagte叨JournalofChina sniffingfaIdtscharacterinyield田CoalMineMdeemization，2006(s1)： UniversityofMiningnadTcehnology，2004，33(2)：178-182(inChinese) l819(inChinese) Recognitionoffaultdrivingroadwayincoalmine TANGHai，ZHOUYi2 (1HunanProvincialKeyLaboratoryofSafeMiningTechniquesofCoalMi