地质雷达探测掘进工作面前方瓦斯突出构造.pdf

第2 5 卷第l 1 期 煤炭科学技术 1 9 9 7 年I 1 月 摘要简要回顾瓦斯预测的历史和现状，阐述了地质雷达探测掘进工作面前 方瓦斯突出构造 的新方法及进行综合分析预测的新 思路。介绍 了已开展的试验和取 得 的进展，评价 了预测效果，展望应用前景。 关 键词 重量 趄煎 盗 丑 ， 逝 窒当 盥 兰 ， 煤与瓦斯突出是煤矿、隧道等地下工程 中的一大灾害性 问题，煤巷掘进工作面是突 出最频繁的地点，且多发生在地质小构造附 近。国内外专家学者为解决该问题进行 了不 懈努力，从突出理论到预测预报技术均有突 破性进 展。如重庆分 院研制 的 A TV． 1 0 0瓦 斯突出预测仪和突出参数预测仪较好地进行 了近距离预测．为保障煤矿安全生产作出了 贡献。随着采掘速度的加快，现场对预测预 报技术的要求越来越高，超前预报的范围也 越来越大。在以往的研究和应用中，地质雷 达探测 技术 已成功 地应用 于煤炭行 业、公 路 、市政工程，探测充水小构造、地质构造 和灾害地质构造，包括溶洞、含水层、陷 落柱、老窑、裂隙带、风化带、采空区冒裂 高度、煤层厚度 、塌方 、空洞、滑坡面、地 面沉降带、地层结构等。另外还进行了探测 采空区隐蔽火源这一难题的初步试验，取得 了一定的效果。 重庆分院研制 的 K D L - 3型防爆 矿井地 质雷达探测距离较大 ≥6 0 m ，精度高， 技术性能先进，使用 简便快捷，机 动灵 活， 适合探测瓦斯小构造，进行 中、远距离预测 预报 为进一步发展煤与瓦斯突出预测预报 、 橱逆 技术．近几年陆续开展了雷达探测瓦斯突出 地质构造的研究、试验和初步应用，用物探 和地质相结合的新方法研 究探讨、预测和发 现煤层中的突出危险带。 1 思路与方法 煤与瓦斯突出的机理复杂，影响因素较 多。总体上说，受采动后的矿 山压力影 响． 既有构造的因素，也有煤层 自身结构和煤岩 特性 的影响。从地域上讲，多数突出发生在 掘进工作面，也有发生在采煤工作面，从突 出性质看，多数突出发生在小构造附近，也 有发生在无小构造 的煤层中。现着重 阐述应 用地质雷达超前探测小构造并结合构造的力 学性质进行突出预测，同时力求与煤层 自身 的沉积和结构性质结合起来进行预测。 1 ． 1 关于对煤与瓦斯突 出机理 的认识 根据有关 突出机理的动力理论，决定突 出危险性的主要因素是矿山压力 、煤 中瓦斯 含量和煤的物理力学性质。但根据这一理论 制定的多种区域性、局部性和日常突出预测 方法，其可靠性仅达 6 0 ％。看来 ，迄 今对 突出机理的研究尚不够全面和深入，忽略 了 地质因素。如前所述 ，突出危险性预测与地 1 3 维普资讯 弟2 5 卷第1 1 期 煤炭科学技术 1 9 9 7 年1 1 月 质条件结台起来，即研究储气构造和条件， 使其具有可 操作性和 具体化 ，从而 指导生 产。储气构造的研究主要从构造条件、沉积 条件和煤层本身的宏观与微观裂隙和孔隙储 气条件 3方面进行。 1 2 煤与瓦斯突出危险惶预测 的思路 煤与瓦斯突出是一种地质现象，离不开 地质体的赋存条件；而瓦斯是煤成气，即在 煤层形成过程中产生的气体。气体是可以运 移，在一定条件下储存于储气构造中，不具 备储存条件时通过运移而释放。煤与瓦斯突 出的危 险性 预测，其实质是 研究 在什么条 件、地方有储气构造。国外资料和我国高瓦 斯矿井实际开采的经验表明，发生煤与瓦斯 突出的位置，多与地质构造破坏有关，或发 生在小断层，或发生在 小背斜褶 曲，或发生 在裂隙带。但仅有 1 0 ％的小断层发生突出。 无论在同一煤层还是同一矿的不同煤层，煤 与瓦斯突出极不均～。因此，需要知道前方 构造 的空间位置的前提下进一步研究何种条 件下容易发生突出，在用矿井地质雷达准确 探测地质构造的位置和空间形态后，再根据 地质力学方法确定构造性质，结台沉积学分 析和煤岩性质，判定有无突 出危 险。据此， 1 9 9 2年 以来陆续开展了这方面 的研 究并取 得了进展。 1 ． 3 地质 雷达探测资料 结台地质力学分析 方法、煤岩学方法鉴别地质构造有无煤与瓦 斯突出危 险 1 要 明确探测点位置是在煤巷还是在 何种巷 道，是 掘进工 作面，还 是石 门、上 山、下 山、平巷。 2 对测点所在位置及探测前方进行应 力场分析。 3 用雷达进行超前探测。 4 对探测到的前方构造形迹，结合第 二步确定的应力场，用地质力学方法确定构 造的力学性质，即压性 、张性 、扭性或过渡 i 4 性质，以及复合改造后的力学性质。如张性 断层和裂隙带即是很好的储气构造；压性断 层的断层面本身一般不是含气构造，而其两 侧次一级的张性节理裂隙却是储气构造。但 压性 断层 逆断层有时却是很好的封闭边 界，如有煤层，逆断层在煤层倾斜上端或逆 断层上盘有煤层，则有突出危险。扭性断层 也不是很好的储气构造，但经二次改造后也 可成为储气构造 。过渡类型的构造形迹，视 其以何 为主而定，如扭张性以张性 为主，是 好的储气构造 ；张扭性则储气 条件差一 些； 压扭性 、扭压性构 造则是透 气性很 差的条 件。 5 通过构造分析、沉积分析、煤层宏 观和微观结构 三要素分析 确定有无 突出危 险。构造要素分析的内容有煤岩层倾角、背 斜、小褶曲背斜、断层力学性质；沉积分析 内容是煤系地层中是否有灰岩、煤层顶板有 无石英砂岩 后期 冲刷、岩层 横 向沉 积稳 定 性 煤层分析 内容是首先了解煤层的变质程 度及煤层的横向稳定性，中变质程度的烟煤 的瓦斯含量最高，煤层就宏观分层多、软弱 层的存在和横向突然加厚都加剧了煤与瓦斯 突出的危险性。 煤层厚度 、软硬程度、裂隙发育程 度、 丝炭化物质的含量及微观孔隙也都是影响因 素。如果丝炭化物质中的丝炭 原树干、树 枝木质部中的细胞空腔未被矿物质充填或 很少充填，这些微观孔隙越多，则瓦斯含量 越高。如南桐矿务局的几个煤层，矿子洞层 中含有大量黄铁矿结晶体，煤质坚硬，煤层 较薄，瓦斯含量相对低一些。大连子煤层的 矿化丝炭化物质含量很高，煤层厚且裂隙发 育，煤质较 软， 因此 经常发 生煤 与瓦斯 突 出；而楼板洞煤层恰好相反，只有煤层中夹 丝炭薄层，而且软分层有局部加厚地段，在 一 定条件下有可能发 生突出。 根据上述众多条件提出煤与瓦斯突出的 维普资讯 第2 5 卷第1 1 期 煤炭科学技术 1 9 9 7 年l 1 月 危险性预测，并由此建立雷达探测瓦斯突出 构造的模式。将该模式用图表示，也可看成 雷达探测瓦斯突出地质构造的专家系统框图。 雷达探 瓦斯 窦出地质殉造 的寺索系统框 哥 2 应用实例 ． 迄今为止，已在成渝高速公路中梁山隧 道、中梁山矿务局进行了试验研究及应用． 还即将在平顶 山矿务局继续深入研 究和应 用。现以中梁山隧道为例进行阐述。 中梁山隧道是成渝公路的关键工程，左 右线各长 3 1 0 0多米，是当时国内最长的公 路隧道，也是国内隧道开挖史上地质构造复 杂、岩层破碎 、塌方、岩溶水和瓦斯多处喷 出等危险频生、难度大的罕见工程。为了施 工安全和加快工程进度。重庆市重点公路建 设指挥部决定由重庆分院负责用地质雷达对 两隧道共 3 0 0 0 r f l 进 行跟踪超前探测岩溶 、 裂隙水及瓦斯构造并提出预报。现仅就探测 瓦斯构造 、预报瓦斯喷出部分概括说明。 隧道穿过中梁山背斜核部龙潭组煤系顶 部的炭质泥岩，其上覆为长兴灰岩，溶洞发 育，往往积聚大量瓦斯，其下 3 0 m 依次赋 存 K1 ～K1 0煤层，在 中梁 山煤矿井下该隧 道附近测得 K1 煤层瓦斯压力为 5 MP a 。另 有 2条走向延伸数十公里、落差 1 5 0多米 向 西倾斜的大逆断层向下切割煤层。在这样恶 劣的地质条件下须先查 明前方 瓦斯地 质条 件，指导施工。 用地质雷达跟踪探测预报该瓦斯段左右 线各长 4 0 0 m。掘进时，右线 比左线保持超 前 5 0 m开挖，起探巷和引导作用。在右线 跟踪超前探测 l 0次，成功地预报了 3次大 的瓦斯与水相伴涌出、2条大断层的位置及 其含瓦斯情况、1次大的破碎带 、若干出水 点及含瓦斯情况。3次大 的瓦斯喷出位置最 大绝对距离误差为 2 ． 0 m。据统计。其 中前 2 次的瓦斯涌 出量均 为 2 ． 01 0 5 m 3 ，最后 一 次较少。每次瓦斯涌出都伴有高压水柱喷 出，烟雾弥漫并伴有吼声。由于及时进行了 超前探测．并比较准确的预测预报，采取了 有力措施，没有因掘进前方的瓦斯构造等问 题造成人员伤亡事故，有效地保障了安全生 产，加快 了工程进度，降低了生产成本。 3 效果与前景展望 1 煤与瓦斯 突出预测预报 分区域 预 测、点预测和 日常预测。用地质雷达进行的 煤与瓦斯突出危险性预测介于点预测和区域 预测之间的中长距离预测，对于煤层掘进工 作面预测范围已达 6 0 m。 2 在揭石 门时超 前探测前方煤 层位 置、进行突出危险性预测具有广阔前景。在 揭煤层时，常规作法是在距煤层很远的地方 打钻孔穿透煤层，则瓦斯源源 不断地涌出， 呈有可控制排放量的能力和方法．但污染环 境．无法继续掘进。揭开一条石门往往需要 2 3年．如开滦马家沟矿。若采用雷达超 前探测，确定煤层的具体位置，在掘到较近 处时再打钻排放，可大太缩短时间。 l 5 维普资讯 第2 5 卷并 n期 煤炭科学技术 1 9 9 7 年1 1 月 删 { | 薯 。曲 峨 鳍 蒜 _ 懑 ‘ 摘要 自防水混凝土技术是在混凝土中按一定比例， 掺加 C E A 复 奋膨胀剂， 使混凝土在硬化过程 中产生微 膨胀， 提 高混凝土 的密实 性， 使地下 室钢 筋混凝土结 舳 防 C EA 足 关 键 词 地 下 室 工 程 自 防 水 混 凝 土 膨 韭 趔 一 7 一 、 一 _ ， 一 、 ⋯ 我国大中城市新建的大型建筑不断向 高空和地下发展，防水技术要 求越来越高， 如何保证地下防水工程的质量，已成为建筑 设计 、施 工 的重大技术课题。近年 来，各 种新型卷材、防水涂料不断 出现，但都局 限 于封闭型外防水形式。防水材料自身的延伸 性能、抗老化 性能虽有很大改进，但仍未 根本解决，高层建筑 下沉时出现防水层 局 部拉裂和长时间使用后防水材料老化开裂等 同题 ，致使很多地下 室工程在使 用一定 时 间后不回程度地出现渗漏现象，且一旦出现 渗 漏，极难处理，严重影响了地下宣工程 的正常使用。 为了彻底解决这一技术难题，我处会同 有关设计、科研单位，先后在中科院住宅楼 工程、煤炭部科研生活楼、中央政策研究室 办 公楼、煤炭部科技苑小区等地下室工程 中，采用 自防水混凝土技术 代 替传统的外 防水作法，取得了很好的效果。以上地下宣 工程使用 最久的已 6 年时间，至今无一发 生渗漏。 1 自防水混凝土的防水原理 普通湿凝土之所以不能防水，主要有两 点，一是混凝土在硬化 和使用过程中，体 积发生收缩，采用 1 0 c m1 0 c m3 0 c m试 块作试验，普通 水泥混凝土收缩量达 4 ． 4 1 0 - 。 。由于收缩，混凝土结构层不可避免 地出现裂缝，造成渗漏。二是混凝土在硬化 过程中，由于多余水分 的 蒸发，混凝土结 构中会出现大量孔隙，在长期地下水压力作 用下， 这些孔隙形成通道而发生渗漏。 3 在独头巷道中超前探测是地质雷 达的优势，再与地质力学相结合，进行构造 及沉积岩层三要素的综合分析，从而判断有 无突出危险。这种模式可有效地解决生产实 际 问题 。 4 煤与瓦斯突出的机理是复杂的，相 信该新方法在生产中通过不断实践，获得多 种地质条件下的预测技术和方法，丰富预测 16 经验，为煤矿安全生产作出贡献。 作誊简升王连成 1 9 6 0 年生．高级工程师，1 9 8 2 年山乐矿业学院毕 ．现在煤炭科学研究总院置庆分院M 事地质冒进研究工怍．其科研面目获省郁缎科技进步一、 二等奖3 霹．授麦论文 1 0 余■。地址萱庆市上桥．邮 码 6 3 0 0 3 7 。 收稿 日靳1 9 9 7 0 8 1 8 ；责任编辑 许开阳 维普资讯