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摘要：小断层的存在影响着井下巷道的正常、快速掘进。本文介绍了井下钻探方法探测小断层的基本原理，阐述了产生误差的原因，并探讨了提高探测精度的方法。
关键词：井下小断层；探测；误差分析
井下小断层的准确、超前探测对煤矿安全高效生产至关重要，目前探测方法有物探和钻探。由于井下环境比较复杂，直接影响物探准确性，因此大多数矿井采用钻探的方法进行探测。钻探法探测小断层经常会出错误的结果，主要原因有特殊断层(断顶不断底和断底不断顶的断层)和钻孔偏斜。钻孔要同时控制煤层顶板和底板，钻进过程中每隔一段要进行测斜，看钻孔偏离的方向和程度，并及时采取措施使钻头沿设计轨迹钻进。
一、断层形成原因分析
在矿井掘进期间，若是矿井围岩受力超出限度，就会引起岩体开裂，最初会有微裂隙，裂隙不断延伸发展、彼此结合，逐渐形成断裂面，此时断裂面的滑动就逐渐产生了断层面，其可分为正断层、逆断层和平移断层三种。正断层通常是上盘促使下盘逐渐往上移动，并且下盘也推动下盘往下移动，两端分离边界就形成了断层；逆断层因上下盘彼此挤压，进而引起上下盘各自分离，逐渐产生断层；平移断层就是上下盘以反方向平移导致的断层。
二、小断层对煤矿生产影响的表现
通常，小断层大致有三方面的含义：一是在常规勘探的地震资料解释中，利用通常的断层识别标准难以发现其存在；二是断层的断距和延伸长度上规模都比较小；三是把落差小于5m的断层称之为小断层。
1、复杂了开采技术条件。由于断层的存在使一些巷道不能直开，为了过断层寻找断失的煤层还要多掘巷道，特别是在采煤工作面内的断层，使顶板管理复杂化，同时也影响了对煤层的综合机械化开采。
2、破坏了煤炭储量。当某一地段小断层较多时，无法圈出合适的回采工作面，该地段的煤炭储量就无法开采，缩短了矿井的服务年限。
3、增加了事故发生的频率。小断层发育的地段容易发生安全事故，如巷道顶部容易冒落，断层带附近也容易发生淋水、滴水现象，甚至发生突水事故，在断层带的两侧或煤岩层扭曲转折地带容易发生瓦斯突出，有时也因断层煤柱而发生煤层自燃现象。因此，为了保证矿井的顺利生产，减少不必要的安全事故，降低生产成本，提高经济效益，必须对井下小断层进行及时而系统地研究，找出其赋存规律正确指导矿井的生产。
三、井下钻探方法探测小断层的基本原理
表征钻孔轨迹的基本参数有三个：孔深、倾角和方位角。利用井下坐标系统，或建立一个相对坐标系统(如图1所示，设Y轴指向正北)，在统一的坐标系下，确定井下钻孔的开口坐标、钻孔倾角和方位角、钻至煤层顶板(或底板)时的钻孔长度，然后根据式(1)计算煤层顶板控制点坐标：
式(1)中，为钻孔的倾角，°；为钻孔的方位角，°；为钻孔的钻进煤层顶板(或底板)孔深，m。一般钻孔的开孔位置选在煤层的中间，仰角用公式确定：（2）式(2)中，M为煤层厚度的一半，m；L为设计钻孔深度，m；为仰角，°。这样如果钻孔在设计深度之前打到煤层顶板(或底板)，则认为该位置存在断层。
四、误差分析
由于受各种条件的影响，在现实探测中常会出现许多较大的误差，使探测的结果准确性极大地降低。影响小断层探测准确性的原因主要有以下方面。
1、断层本身的影响。由于煤层本身较软，而断层的形成必然伴随应力局部集中。一旦在煤层中形成断层，就会使煤层的赋存条件产生局部变化，如煤厚、煤层产状等。煤层中小断层落差较小，这样易形成一些特殊形态的断层，如断顶不断底或断底不断顶的断层。在掘进工作面或回采工作面遇到这样的断层，会给钻探探测的准确性造成很大影响。若前方的煤层并没有发生断裂，实际上是存在一条小断层的，如果这时候按正常的情况掘进巷道或进行回采，一方面会有安全危险(煤与瓦斯突出、突水)，另一方面当工作面掘进到断层位置只能采用破底推进，会耽误生产进度。此外，顶底板起伏、层间滑动引起的顶底板刺入、嵌入煤层等特殊情况，都会对探测的准确度造成影响。
2、钻孔歪斜因素分析。受地质条件和施钻技术等因素的影响，在实际施工中，钻孔会发生偏斜，产生钻孔轨迹误差影响断层的探测精度。钻孔偏斜产生的原因可归纳为以下两方面：1）地质条件因素。由于煤属于松散层，在钻进过程中钻孔周围的煤容易垮落，钻头与孔壁之间会产生间隙，这为钻具提供了偏斜的空间，从而使钻孔偏离原来的轨迹，且钻孔偏斜程度与钻孔深度成正比；2)施工技术条件因素。①钻孔打的越深，钻杆的自重力越大，当自重力大到一定程度，会造成钻孔轨迹向下偏移，最终钻孔的形态是一个不规模弧形，但施工人员依然按照规则直线去处理，这样就会造成预测错误；②工人无法保证钻头始终沿着预定方位钻进，最终会导致“偏之毫厘谬以千里”，钻孔越深，误差越大；③钻头、钻杆本身弯曲，或质量不合格等因素都会造成钻孔轨迹出现歪斜。④钻孔施工的排渣介质压力不够，导致施工时煤岩粉无法完全排出，沉底在钻孔下侧，对钻头及钻杆有向上的弯曲的阻力；⑤当钻孔钻进至岩层分界面（软硬交界面），尤其是斜穿岩层分界面时，不同岩层对钻头的抗破碎阻力不同，钻孔会向垂直于层面的方向弯曲。⑥钻头与钻杆外径相差较大时，钻孔容易在孔内甩动，导致钻孔与设计相差较远。
五、提高探测精度的方法
提高探测准确度的方法主要是预防钻孔偏斜，在钻孔施工过程中为预防偏斜，可采取以下措施。1、要先做物探，在物探基础上有目的地进行探测钻孔设计，其方位应重点探测物探效果不太好的地方；2、钻杆自重力导致的钻孔偏斜较难避免，因此井下小断层预测钻孔的深度不宜太大；3、钻进施工时，注意调整钻压，不要过量加压，严防钻杆打弯。对设计层位变化时（软硬岩交界面），提前减压，轻压钻进，待钻头完全进入软岩或硬岩，方可加压至正常钻进压力；4、钻进施工中，由完整变破碎，破碎变完整等情况，均应减压减速钻进，并对冲洗液的流量加以适当控制，每根钻杆施工结束要往返拉动钻杆，确保孔内煤岩粉排尽；5、采用组合钻具，减少孔底钻孔孔隙度。通过选用合理的扶正器，减少钻头后钻杆的孔隙间隙，并适当加长粗径钻杆的长度。另外，在钻进过程中，隔一段距离就对钻孔进行测斜，一旦发现钻孔偏斜较大，及时提钻并打分支孔继续按设计方位钻进。表征钻孔轴线空间形态的有孔深L、倾角和方位角三个主要参数，其点线面和角之间的关系见图2。
钻孔轨迹计算方法如下：
式(3)～式(5)中，为的倾角，°；为的方位角，°；为主设计方位角，°；为钻孔两个测点间的距离，m。
六、结语
我国大多矿井地质构造条件复杂，在煤矿采掘过程中，经常会遇到小断层等隐伏构造，但落差在5m以下的断层，在地面勘探阶段难以用勘探手段精确查明。因此，在采掘生产过程中，准确超前探测这些隐伏构造对保障煤矿安全高效生产至关重要。
参考文献
[1]张亚明.掘进巷道前方隐伏断层超前定量预报[J].煤田地质与勘探，2014．
[2]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2014．