0.   引言

瓦斯事故给煤矿生产带来了严重危害，为预防煤体破坏与瓦斯突出等瓦斯灾害，切实有效地开展瓦斯防治工作的前提是必须探明瓦斯赋存及地质构造条件。研究表明，瓦斯赋存受控于地质条件。构造带附近往往应力集中^[1]、构造煤发育、高压瓦斯积聚，瓦斯事故多发生在断层、褶曲等构造带^{[2 − 5]}。因此须对地质异常区开展精细勘查和瓦斯赋存条件分析。

在确定采煤工作面前，煤层已经过多次勘探，大中型地质构造基本探明。但是对瓦斯抽采工程和回采生产而言，精细程度还不足，无法准确、高效的预测煤层破坏与瓦斯突出危险区，瓦斯防治工作针对性不强^{[6 − 8]}。小型地质构造（落差≤5 m或落差<煤层厚度的断层；波长≤100 m的褶曲）在前期地质勘探中难以查明，甚至在巷道掘进时都无法探测到^{[9 − 10]}。这些小型的隐伏构造可能会导致局部瓦斯积聚，构造应力作用下还会使煤体揉碎破坏，构造煤发育。应力集中、煤体破坏、瓦斯积聚，使得这些未能勘探到小型地质构造的区域具有很强的瓦斯致灾潜力。煤矿前期勘探往往需要施工大量瓦斯抽采钻孔及瓦斯参数监测钻孔等，这些专用工程钻孔的施工记录中包含着大量地质信息^[11]及瓦斯动力信息^{[12 − 13]}。在这些资料基础上，对小型地质构造进行预测^{[14 − 15]}，揭示瓦斯赋存条件随着采掘推进的变化规律^[16]，并对隐伏构造影响区域的瓦斯异常动态演化规律进行深入研究。

本文提出以采煤工作面为研究对象，利用瓦斯抽采钻孔记录，结合前期钻探、巷探、物探等勘查成果，形成预测小型隐伏构造与瓦斯异常区，研究方法和工作流程见图1^[17]。在此基础上，动态分析采煤工作面推进过程中地应力场与瓦斯赋存的演化规律^[18]，为矿井瓦斯防治工作和煤与瓦斯突出风险预测提供科学依据。

图  1  隐伏构造勘查和瓦斯异常区域预测技术工作流程

Figure  1.  Workflow of hidden structure exploration and gas anomaly area prediction technology

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.   瓦斯抽采钻孔数据采集

瓦斯抽采钻孔的布置分顺层钻孔和穿层钻孔。

顺层钻孔主要是在进风巷及回风巷中沿煤层施工，对落差大于煤厚的隐伏断层，具有较强的揭露能力。其地质勘查作用十分显著。

穿层钻孔是将抽采巷道设置于煤层底板/顶板岩巷内，然后对煤层进行穿层施工。由于回采前会施工大量穿层钻孔，依据钻场位置，钻孔方向以及钻进长度等资料，计算得到钻孔经过煤层底板/顶板穿层点的三维坐标，并可通过绘制勘测图^[19]与趋势分析等方法对回采工作面隐伏构造进行勘查和判断。

1.1   建立相对坐标系

建立精准可靠的相对坐标系是研究的基础。通过对井下煤层开采中常用到的各种坐标系进行分析和比较，建立基于抽采巷道布置水平的相对坐标系。其中，OX轴和OZ轴表示抽采巷道中线和重力反方向，OY轴和OXZ这两个轴构成的平面保持垂直，其基本结构见图2。

图  2  相对坐标系平面示意图

Figure  2.  Schematic diagram of relative coordinate system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   钻孔参数采集

钻孔数据精度与预测结果密切相关。为保证基础数据的真实性和有效性，在进行数据采集时需要有专人对钻孔参数及控制点坐标进行测量，并详细记录钻进过程中的动力现象等^[20]。

钻孔施工记录表应包括以下内容：

① 钻孔编号；

② 钻机型号、参数；

③ 钻头、钻杆参数；

④ 开孔时间；

⑤ 开孔点坐标；

⑥ 钻孔方位角、倾角；

⑦ 见煤点深度；

⑧ 穿煤长度；

⑨ 穿煤见岩点深度；

⑩ 孔深；

⑪ 钻机钻进压力曲线；

⑫ 动力现象记录。

1.3   钻孔数据误差分析及校正

对钻孔数据进行误差分析非常重要。必须对误差产生的原因进行详细的分析和校正，消除因人为误差造成的无效数据，修正因施工工艺等造成的系统误差。

（1）开孔位置误差

可通过建立严谨的钻孔施工规范来提高施工质量；确保钻机施工时的稳固性，可有效避免开孔位置移动。

（2）煤层控制点误差

在见煤点和穿煤点判断时，利用钻屑颜色，钻机声音和钻进压力3个客观指标与操作人员的施工经验进行综合判断，能有效提高控制点精度。

（3）孔斜误差

钻孔偏斜在钻探中是一个典型的系统误差问题，它主要与地质条件和施工工艺有关。地质条件方面，软硬互层、构造变化、地应力场等都会造成孔斜现象；施工工艺方面，钻机参数设置不合理以及技术操作不佳等因素也会引起孔斜现象。因此，应根据具体工况选择最优钻具；其次，应选择有针对性的钻井工艺，期间须综合考虑特定地质条件并对施工工艺进行合理设定；钻井过程中须保证钻口及主轴呈水平状态，且空间方位角与设计钻孔方位角及仰角一致。

在工程实践中即使严格按以上方法实施也有可能发生孔斜问题，需采用以下方法修正钻孔数据误差。

（1）地质规律分析

地质构造是由构造应力场所控制。在同一瓦斯地质单元内，构造发育存在着一定的规律性，如断层走向、倾向、倾角及褶曲轴向等都存在着规律性。若依据钻孔数据分析得到的煤层产状异常，最终判定识别出的小构造不符合该地区构造发育规律，那么极有可能为孔斜误差所致。

（2）实际测量

采用专用测斜仪器在已建钻孔中抽样测斜并总结出该工作面孔斜的一般规律，可有效地纠正由于地质条件及施工工艺不足而引起的系统误差。

（3）施工记录验证

地质异常可能伴有动力现象，因开工位置等施工质量较差导致的异常点，往往不会产生动力现象；但由于钻杆自重或煤层产状导致的孔斜常常在施工中伴有异常现象。因此，可根据施工记录中动力现象记录及钻机钻进压力曲线来判断钻孔数据异常的成因并加以校正。

1.4   煤层顶板/底板控制点坐标计算

为了得到钻杆穿煤层顶板/底板控制点的三维坐标，需要根据相对坐标系和钻孔施工的实际参数进行计算。

瓦斯抽采钻孔示意见图3，假设钻孔无偏斜，开孔点A、见煤点B、穿煤见岩点C，3点间为直线。钻孔轨迹水平投影线与观测线的夹角表示钻孔方位角（α），其轨迹与水平投影线之间的夹角为倾角（β）。

图  3  钻孔信息示意图

Figure  3.  Schematic diagram of borehole

下载: 全尺寸图片 幻灯片

依据之前建立的相对坐标系、钻场设计图和实际施工记录，易求得钻孔开孔点A的坐标（x_A, y_A, z_A）。同理，煤层顶板/底板控制点坐标可结合施工记录中的钻孔参数进行计算。

（1）钻孔见煤控制点B（x_B, y_B, z_B）计算：

（2）钻孔穿煤见岩控制点C（x_C, y_C, z_C）计算：

式中：α——方位角/（°）；

β——倾角/（°）；

l₁——钻孔在岩层中的长度（AB段）/m；

l₂——钻孔在煤层中的长度（BC段）/m。

（3）控制点坐标校正

由于地质条件和施工工艺等原因，钻孔轨迹会随着钻进长度的增加而逐渐偏离设计的直线状态，并产生一定的弯曲（图4）。

图  4  钻孔偏斜示意图

Figure  4.  Schematic diagram of borehole deflection

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在理想情况下钻进轨迹是AC直线段，而在实际情况下是AB弧线段。可根据钻孔原始施工参数计算出理想钻孔控制点C（x_C, y_C, z_C），通过钻孔测斜仪进行现场测量获得实际钻孔控制点B（x_B, y_B, z_B）。

由此可计算B点和C点之间的偏差（Δx, Δy, Δz），得到控制点向空间不同方向的偏移量。根据公式（3）即可对煤层顶板/底板控制点坐标进行计算和校正。

实际工作中，若地层导致钻孔偏斜现象严重，则须按比例选择不同地段开展钻孔偏斜测试，计算不同走向的钻孔偏斜系数并总结钻孔偏斜规律，校正整体钻孔偏斜误差。若钻孔钻进距离短，地层造斜特征不显著，且钻孔偏斜导致误差较小，则可得出钻孔偏斜误差不会对煤层中小构造识别精度有较大影响的结论，此种情况可直接选择钻孔现场施工数据。钻孔偏斜测试的工作应该根据现场钻孔施工技术和地质条件进行灵活的选择。

2.   隐伏构造勘查和瓦斯异常区域预测

2.1   隐伏构造勘查和识别图件

根据计算所得煤层控制点^[21]的三维坐标可以绘制出隐伏构造勘探识别图^{[22 − 24]}。

（1）煤层顶板/底板等高线图

若煤层顶板/底板等值线光滑，分布较为均匀，说明煤层内无特殊构造；若煤层顶板/底板等值线间距发生突然改变，包括变稀疏或变密集，则说明此处可能有地质构造存在，需要结合其他资料作进一步分析，进而对地质构造作出较详细和准确的识别（图5）。

图  5  断层、褶曲等高线示意图

Figure  5.  Contour illustration diagram of faults and folds

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）煤层顶板/底板三维曲面图

利用MATLAB绘制煤层顶板/底板的三维曲面图（图6）。曲面分析可获得煤层产状和起伏变化的具体分布特征，隐伏小断层、小褶曲等构造异常都会对煤层曲面产生显著的影响。

图  6  煤层顶板/底板三维曲面示意图

Figure  6.  Three-dimensional surface illustration diagram of coal seam roof (or floor)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（3）瓦斯异常、动力现象分布图

结合钻孔施工记录中对瓦斯异常、动力现象及钻进压力异常点的监测，将其标注在工程平面图中。

记录主要包括喷孔、瓦斯涌出异常、夹钻、顶钻和钻进压力突变等，通过绘图软件标记出异常点并获得相应瓦斯动力现象的分布特征图，可辅助煤层隐伏构造勘探^{[25 − 27]}。

2.2   隐伏构造勘查分析方法

通过勘查图件可以识别煤层隐伏构造，为了更加准确地判断出构造具体类型并提高勘查结果精度，必须对基础数据做更加深入地分析，所采用的分析方法包括趋势面分析法、曲面磨光法^[28]。

（1）趋势面分析法

趋势面分析法是以趋势面图和残差图为基础，运用多元函数回归原理分析煤层顶板/底板等值线变化趋势、突出局部异常变化，以区分构造类型和产状参数。

不同地质构造类型对煤层影响差异明显^[29]，使得煤层顶板/底板等值线图和趋势面残差图各有其显著特征。隐伏构造类型可据表1进行识别。

表  1  不同构造类型趋势面分析表

Table  1.  Analysis table of trending surfaces for different tectonic types

构造 类型		构造模型	煤层顶板/底板 等值线示意图	趋势面残差示意图
断层	走向 断层
	倾向 断层
褶曲

下载: 导出CSV 

| 显示表格

（2）曲面磨光分析法

曲面磨光分析法是指利用磨光值与实测值之间的偏差ΔZ绘制相应的偏差图（图7），若研究区域为平面，磨光曲面与样条函数曲面保持一致，其偏差为零（即ΔZ = 0）；若研究区域为曲面，则对应的偏差不等于零。由此可识别煤层中的隐伏构造。

图  7  断层、褶曲曲面磨光偏差示意图

Figure  7.  Surface grinding deviation diagram of faults and folds

下载: 全尺寸图片 幻灯片

① 若曲面磨光图中粗实线不闭合且两侧正负区域对称性较好，无论粗实线局部弯折程度均表示断层结构（图8）。若曲面磨光图中粗实线总体闭合，但其中有一段具有正负圈对称性特征而延伸方向无固定规律，也可判定为断层。

图  8  断层构造曲面磨光示意图（不闭合）

Figure  8.  Surface grinding illustration diagram of faults

下载: 全尺寸图片 幻灯片

②若曲面磨光图中粗实线全部闭合且规则性良好，即可确定为背斜构造或向斜构造（图9）。

图  9  褶曲构造曲面磨光示意图（闭合）

Figure  9.  Surface finish deviation diagram of fold

下载: 全尺寸图片 幻灯片

这2种小型隐伏构造识别方法各有优劣，若数据量较大，趋势面分析方法精度较高；而曲面磨光法在参数不够完善的区域预测效果较好。在实践中，应全面考虑，相辅相成。

2.3   构造带周边应力场的数值模拟

受采掘活动的影响，隐伏的地质构造可能发生新的活动并造成力学性质的转化^[30]，采动应力场和小型地质构造所附加的构造应力场在工作面前方相互叠加^{[31 − 32]}，其周围的瓦斯渗流场也会发生动态变化。

在精细地质勘查和对区域构造应力场^[33]的研究基础上，对小型地质构造周围附加应力场进行数值模拟，动态分析采掘工作面推进过程中隐伏构造带周边的瓦斯致灾潜力^[34]。

用FLAC^3D软件建立地质构造模型，煤层叠加应力场受采动的影响而发生显著变化^[35]，不同构造类型其应力场表现具有明显特征（表2）。通过井下瓦斯浓度实时监测与构造带应力场的数值模拟，开展回采工作面瓦斯涌出量分源计算，综合分析瓦斯浓度动态变化特征及其影响因素。基于对隐伏构造的精细化勘查以及钻孔瓦斯流量和涌出特征，可对隐伏构造区瓦斯赋存规律进行精确分析和预测。

表  2  不同构造类型叠加应力场数值模拟

Table  2.  Numerical simulation of superimposed stress fields of different tectonic types

构造 类型	0°夹角断层	45°夹角断层	90°夹角断层
构造模型
开采前
20 m迎头
6 m迎头

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.   隐伏构造勘查与瓦斯异常区域预测实例

根据上述采煤工作面隐伏构造勘查与瓦斯异常异常区域预测流程，以古汉山煤矿为实例，验证该预测方法的可行性。

3.1   研究区域简介

古汉山煤矿位于焦作煤田中部，生产能力为1.2 Mt/a。矿井采用立井多水平上、下山开拓方式；采用主、副井进风，东翼风井、西翼风井回风的混合式通风方式，通风系统完善。

研究区为14171采煤工作面，工作面倾向长度123 m、走向长度592 m、标高−336～−391 m；煤层平均厚度4.8 m、走向31°～44°、倾向121°～134°、倾角16°；采用分层走向长壁采煤法、综采采煤工艺，平均采高3.0 m；具有煤与瓦斯突出危险性。14171采煤工作面布置如图10所示，其中红色线段表示已探明的构造带，黄色部分为此次构造预测区域，平面图中可以看出底抽巷的相对位置。

图  10  14171采煤工作面布置示意图

Figure  10.  Layout diagram at 14171 coal mining working face

下载: 全尺寸图片 幻灯片

该主采煤层原始瓦斯含量为24.44 m³/t，采用底抽巷穿层钻孔与顺煤层钻孔相结合的方法对本煤层瓦斯进行预抽，底抽巷的相对位置见图10。穿层钻孔列间距3 m、组间距6 m、每组14个，共施工瓦斯抽采钻孔5025个，钻孔总长度273581 m，为隐伏构造的勘测提供了大量的基础数据。

3.2   研究区瓦斯地质分析

提取图10黄色区段的穿层抽采钻孔记录，根据钻孔数据误差分析校正，排除了由于钻机和人为记录失误而产生的单个孤立控制点，并计算了煤层底板的控制点三维坐标，编制了地质异常勘测图。

（1）煤层底板等值线图

如图11所示，这段煤层底板等高线一般比较整齐，但是FF'连线区域由缓变密，并带有方向性。初步认为该区域可能存在地质构造。

图  11  煤层底板等值线图

Figure  11.  Contour map of coal seam floor

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）煤层底板三维曲面图

如图12所示，煤层总体分布较光滑，但ABDC区标高变化显着，这对应着煤层底板等值线图上所圈定的异常部位。

图  12  煤层底板三维曲面图

Figure  12.  Three-dimensional surface diagram of coal seam floor

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（3）煤层等厚线图

如图13所示，颜色深浅代表了煤层厚度。从图14中可以看出工作面煤层厚度为5 ～ 6 m，煤厚比较均匀，但是圈注处煤厚发生了突变，与识别出的构造位置大体一致。

图  13  煤厚等值线填充图

Figure  13.  Contour filling map of coal thickness

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  14  采煤工作面地质模型

Figure  14.  Geological model of coal mining working face

下载: 全尺寸图片 幻灯片

以上勘测图件共同证实了煤层在FF'段有局部地质异常，为了进一步查明该处地质构造类型及产状特征，利用趋势面分析法做煤层底板的三次趋势图和三次趋势面残差图（图15—16）。

图  14  煤层底板等高线三次趋势图

Figure  14.  Three times trend map of coal seam floor contour lines

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  15  煤层底板等高线三次残差图

Figure  15.  Three times residual map of coal seam floor contour lines

下载: 全尺寸图片 幻灯片

煤层的走向、倾向和倾角等产状参数可根据趋势图16计算得出。从残差图17来看，FF′段为地质异常，具有单一的0等值线，正负残差位于0等值线的两侧，依据表1可知该处地质异常符合小断层特征，由此可推断该断层走向为N45°W。断层落差可按断层两侧正负残差值的差值来测定，计算可得断层落差为1.5 m、延伸20 m、其位置为X（360 m，390 m）和Y（0 m，−15 m）。

图  17  采动影响下工作面前方断层周围应力场的数值模拟

Figure  17.  Numerical simulation of stress field around fault ahead of working face under mining influence

下载: 全尺寸图片 幻灯片

按此方法预测，14171采煤工作面统尺360 ～ 390 m、距运输巷35 m处发育一条走向NW45 °、落差1.5 m、延伸20 m的小断层。

3.3   隐伏断层周边应力场的数值模拟分析

上述预测方法在工作面发现一条小型断层，该隐伏构造可能造成煤体破碎和局部瓦斯异常。随着工作面的推进，在该区域可能出现额外的局部构造应力，扰动煤体、促进瓦斯逸散或加压瓦斯气体。

为探究采动影响下，工作面前方隐伏断层附近应力场的变化，利用FLAC^3D软件对回采工作面小断层影响区域建立走向长度为130 m工作面模型，模型设置为260 m×250 m×130 m，由于煤层倾角较小，按水平地层处理建模、断层带以宽度为2 m的软弱带来模拟（图16）。

模型底面及四周约束法向位移，顶部为应力边界。据实测资料，X轴施加10 MPa载荷模拟最小水平主应力，Y轴施加20 MPa载荷模拟最大水平主应力，Z轴施加8 MPa竖直载荷模拟上覆岩层重力。之后开始对工作面推进模拟，工作面长度110 m、采高3 m，每次开挖距离3 m。采空区垮落过程用弱力学性质充填体进行充填模拟。模拟结果见图17。

由图17可知，小断层附加构造应力场在工作面前方30 m以外与采动应力场不相互作用。随着工作面的推进，构造应力场与采动应力场在断层前21 m处开始叠加，工作面进入断层影响范围，煤体破碎、瓦斯解吸量逐步提升，煤体有突出危险并随着工作面的推进危险程度逐步加剧。煤炭回采工作中，最危险的位置可能在靠近小断层的采煤工作面中部。

3.4   研究区瓦斯异常监测数据分析

工作面推进过程中，利用瓦斯气体检测仪所记录的进、回风流瓦斯浓度数据等。监测小断层附近采煤工作面瓦斯浓度随时间变化的异常数据（图18）。

图  18  靠近小断层的采煤工作面瓦斯浓度监测图

Figure  18.  Gas concentration monitoring diagram for coal mining working face near small fault

下载: 全尺寸图片 幻灯片

古汉山矿采煤作业遵循“两采一准”的循环作业形式，指2个采煤班、1个准备班；采煤班内进行“落、装、运、支、移”等工序，准备班主要是设备检修。24 h为一个工作循环，是完整的设备维护、割煤、回采、支护流程。因此，在记录瓦斯涌出量时，以24 h为基本单元，记录每分钟瓦斯监测仪数值。测点位置见图10，其中，T3为进风流瓦斯气体检测仪，T1、T2分别为回风流回采面近端、远端瓦斯气体检测仪（图18）。

随着工作面的推进，统尺350 ～ 370 m、近运输巷30 m处揭露一条小断层，该断层延伸30 m、倾向N、落差1 m，与推断基本吻合。工作面回采前经超前顺层钻孔探测验证了预测结果，矿山及时采取强化瓦斯治理的措施，使工作面安全平稳地穿过该隐伏构造带而未发生任何瓦斯灾害。

4.   结 论

（1）瓦斯地质研究是防治瓦斯灾害的前提与基础。回采前未探明的小型地质构造往往导致局部瓦斯异常、地应力场和采动应力场叠加，高应力、高瓦斯和破碎的煤体可能引发煤与瓦斯突出或其他瓦斯灾害。充分利用前期勘探成果、结合瓦斯工程所反映的瓦斯地质信息，对工作面局部进行隐伏构造精细化勘探与瓦斯异常区域预测势在必行。

（2）本文提出了基于瓦斯防治工程进行回采工作面隐伏构造、局部瓦斯异常勘测的工作思路和操作方法。主要包括钻孔数据的采集和校正处理、隐伏构造对瓦斯异常影响的成像分析及勘查识别方法选择、区域地应力场分析和构造应力场数值建模、瓦斯浓度时空监测和动力现象标注。该方法可以精准的探查工作面前方煤厚变化、小型断层、瓦斯包等异常现象，有效的预测生产过程中瓦斯、地质因素的致灾潜能，为今后开展矿井瓦斯灾害预防与治理，优化瓦斯防治措施设计提供了科学依据。