馬雪峰

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

0 引言

斷層是煤礦井下一種常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，斷層及其附近通常呈現(xiàn)出圍巖穩(wěn)定性差、巖石破碎、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低等特性[1]，造成支護(hù)困難，有可能導(dǎo)通承壓含水層。因此，掘進(jìn)工作面過(guò)斷層期間，必須提前探明斷層的產(chǎn)狀、是否含水等情況，并制定針對(duì)性過(guò)斷層措施，以保證安全過(guò)斷層。目前常規(guī)地質(zhì)勘探方法為超前鉆探，該方法存在效率低下，且可能發(fā)生鉆孔偏移導(dǎo)致分析誤差較大[2-3]。為此，提出瞬變電磁法及TSP物探技術(shù)對(duì)斷層進(jìn)行探測(cè)分析。針對(duì)過(guò)斷層區(qū)域存在的支護(hù)難題，提出注漿加固+架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑+壁后注漿的聯(lián)合支護(hù)方案。通過(guò)精準(zhǔn)的探測(cè)技術(shù)及主被動(dòng)聯(lián)合強(qiáng)支護(hù)方案，以期解決斷層高效、精準(zhǔn)探測(cè)及過(guò)斷層期間的圍巖控制問(wèn)題，對(duì)安全過(guò)斷層及巷道支護(hù)穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程背景

常村煤礦核定生產(chǎn)能力900 kt/a，該礦四采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)工程量1 125 m，斷面形狀為直墻半圓拱形，巷寬4.2 m，巷高3.7 m，巷道施工坡度+3 ‰，施工層位3號(hào)煤層下方17 m位置粉砂巖，頂板為粉砂巖及粗粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。該巷現(xiàn)已掘進(jìn)352 m，根據(jù)采區(qū)地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，掘進(jìn)前方可能存在斷層破碎帶，需執(zhí)行先探后掘，防止誤揭斷層。按照常規(guī)超前鉆探工藝，每循環(huán)超前鉆探至少需4 d，存在探測(cè)效率低下，影響掘進(jìn)進(jìn)度，且根據(jù)以往探測(cè)情況，存在鉆孔偏移問(wèn)題，導(dǎo)致地質(zhì)分析與實(shí)揭地質(zhì)資料有一定誤差。為確保對(duì)前方斷層破碎區(qū)的精準(zhǔn)探測(cè)，提出瞬變電磁法探測(cè)及TSP物探法，以期精準(zhǔn)探測(cè)前方斷層破碎區(qū)的地質(zhì)情況。同時(shí)，根據(jù)探測(cè)出的斷層破碎區(qū)范圍，需提前采取針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)方案。

2 瞬變電磁法探測(cè)

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法[1]。由于不同巖層的含水性、導(dǎo)電性不同，故具有不同的電阻值，因此，可通過(guò)瞬變電磁法對(duì)掘進(jìn)前方電阻率的變化情況進(jìn)行測(cè)定，從而分析前方地質(zhì)情況。該探測(cè)方法具有效率高、精準(zhǔn)性好的優(yōu)點(diǎn)。

利用瞬變電磁法對(duì)四采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷迎頭頂板、底板及前方進(jìn)行地質(zhì)勘探，探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 瞬變電磁法三維探測(cè)結(jié)果

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，從圖1（a）中可分析出在巷道頂部軸向方向40～80 m范圍內(nèi)存在著明顯的低電阻區(qū)。從圖1（b）中可知，在迎頭前方45～85 m范圍存在明顯低電阻區(qū)。從圖（c）中可知，在底板軸向方向45～83 m范圍存在明顯的低電阻區(qū)。綜合分析迎頭前方40～80 m范圍內(nèi)存在富水集聚區(qū)，可能存在破碎巖層或斷層。

3 TSP物探分析

TSP物探[1]原理是通過(guò)小裝藥量爆破所產(chǎn)生的地震波信號(hào)沿巷道方向以球面波的形式傳播，在不同巖層中，地震波的傳播速度不同，并在不同界面處反射后被高精度接收器接收。通過(guò)計(jì)算機(jī)分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，并在顯示屏上顯示各種圍巖結(jié)構(gòu)面與巷道方位的夾角及距離。

根據(jù)瞬變電磁法勘探情況，補(bǔ)充TSP物探進(jìn)行驗(yàn)證，以充分確定巷道前方的水文地質(zhì)情況。TSP物探震源點(diǎn)設(shè)置在巷道迎頭向外150 m處巷道底板，震源點(diǎn)爆破參數(shù)設(shè)置：炮眼間距1.5 m，排距2 m，深度1.2 m，炮孔數(shù)量24個(gè)，每排4個(gè)。炮孔布置完成后，采取分次裝藥、分次爆破的方式，每次起爆1排，起爆連線方式為串聯(lián)，雷管段數(shù)一致，確保爆破引起的振動(dòng)波傳遞一致。爆破期間，在掘進(jìn)工作面迎頭利用震動(dòng)探測(cè)儀對(duì)振動(dòng)波進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集，設(shè)置采用率為60 us，每次爆破后采集時(shí)長(zhǎng)為5 s。振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀接收振動(dòng)波后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為反射波圖像，見(jiàn)圖2。

圖2 TSP物探結(jié)果

根據(jù)TSP物探結(jié)果可知，在掘進(jìn)迎頭前方20 m范圍內(nèi)，圍巖較完整，無(wú)明顯裂隙發(fā)育，巖層穩(wěn)定性較好。前方40～80 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)較為密集的反射面，且反射波起伏較大，曲線變化明顯，因此可判定該區(qū)域巖層存在大量裂隙，圍巖穩(wěn)定性較差。前方80～130 m存在少量反射面，且曲線變化平緩，可判定該區(qū)域巖層僅有少量裂隙帶，巖層完整度及穩(wěn)定性相對(duì)較好。

4 過(guò)斷層支護(hù)方案

根據(jù)瞬變電磁法及TSP物探的探測(cè)結(jié)果可知，掘進(jìn)前方40～80 m范圍屬斷層區(qū)域，圍巖裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差，需提前制定破碎帶巷道支護(hù)方案。過(guò)斷層方案確定為掘進(jìn)前方20～100 m范圍內(nèi)采取加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方案整體以超前注漿加強(qiáng)破碎圍巖穩(wěn)定性后，再采取架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑的支護(hù)方式，巷道支護(hù)完成后，再采取壁后注漿充填支護(hù)體后方空隙，最大限度的控制破碎區(qū)圍巖變形量，保證支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)強(qiáng)度。

4.1 超前注漿加固方案

為提高斷層破碎區(qū)巖層的整體穩(wěn)定性，通過(guò)采取超前鉆孔注漿，注漿液充分滲透至巖層裂隙內(nèi)并硬化后，可對(duì)破碎圍巖進(jìn)行膠結(jié)，使之形成一個(gè)整體，從而提高巖層整體穩(wěn)定性，防止掘進(jìn)過(guò)斷層期間發(fā)送片幫、冒頂事故[4]。為保證注漿加固效果，確保巷道掘進(jìn)范圍及其附近圍巖穩(wěn)定，斷面內(nèi)設(shè)計(jì)8個(gè)注漿鉆孔，鉆孔布置如圖2所示，對(duì)巷道前方的圍巖破碎區(qū)實(shí)施帷幕注漿，以確保破碎圍巖的穩(wěn)定，防止裂隙滲水繼續(xù)破壞巷道圍巖。設(shè)計(jì)的注漿鉆孔深度要超過(guò)斷層3 m以上，并根據(jù)斷層距離迎頭的距離、注漿滲透半徑確定注漿鉆孔的深度、角度、終孔位置等參數(shù)。注漿材料采用硅酸鹽水泥，水灰質(zhì)量比為1∶0.7，注漿壓力根據(jù)含水層水壓確定，需大于含水層水壓2 MPa以上。注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，要保壓1 h以上，確保漿液初凝后關(guān)閉注漿閥門，防止?jié){液凝固前在含水層水壓作用下反向流動(dòng)。

圖2 巷道前方帷幕注漿鉆孔布置示意

4.2 巷道聯(lián)合支護(hù)方案

為滿足過(guò)斷層破碎帶巷道的支護(hù)要求，在提前對(duì)斷層破碎區(qū)進(jìn)行注漿加固后，掘進(jìn)期間采取的支護(hù)方式也必須具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度，以確保最大限度的控制圍巖變形量[5]。基于此，提出架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑的聯(lián)合支護(hù)方案。

1）架棚噴漿支護(hù)。巷道斷面呈直墻三星拱型，巷道底板為反底拱型，掘進(jìn)斷面成型后，先對(duì)巷道頂部及兩幫采用架棚支護(hù)。支架采用36U型鋼，支架共分為3節(jié)，每節(jié)搭接長(zhǎng)度500 mm，采用配套卡纜固定，卡纜螺栓預(yù)緊力在300 N·m以上。支架棚距600 mm，棚間后身采用φ60 mm的鋼管配合鋼筋網(wǎng)閉幫頂，鋼管布設(shè)間距300 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ60 mm×800 mm×2 000 mm。架棚支護(hù)完成后，及時(shí)進(jìn)行噴漿封閉，防止圍巖風(fēng)化，噴漿強(qiáng)度達(dá)到C20標(biāo)準(zhǔn)，噴漿厚度以覆蓋U型鋼外沿為準(zhǔn)。架棚噴漿支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 架棚噴漿支護(hù)斷面

2）鋼筋混凝土澆筑支護(hù)。主要是為給巷道斷面建立加固襯砌結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)巷道整體支承能力，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度。巷道斷面采用架棚噴漿支護(hù)后，再采用鋼筋混凝土澆筑支護(hù)，為減少澆筑支護(hù)對(duì)迎頭掘進(jìn)的影響，可將澆筑支護(hù)滯后迎頭10 m以上，與迎頭架棚噴漿支護(hù)掘進(jìn)平行作業(yè)。澆筑期間，先沿巷道全斷面輪廓線鋪設(shè)φ22 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼，然后再澆筑厚度400 mm的混凝土，混凝土澆筑強(qiáng)度要求達(dá)到C30標(biāo)準(zhǔn)。采用鋼筋混凝土澆筑后的支護(hù)斷面如圖4所示。

圖4 架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑支護(hù)斷面

4.3 壁后注漿加固

壁后注漿加固的主要目的是充填掘進(jìn)擾動(dòng)造成的圍巖裂隙，以及填充架棚支護(hù)存在的支架與巖壁間存在的空隙，以確保支護(hù)體與圍巖形成一個(gè)整體，防止圍巖松動(dòng)卸壓影響圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)起到防止巖層含水進(jìn)入巷道形成淋水、漏水問(wèn)題。注漿工藝可滯后于鋼筋混凝土澆筑30 m以上并實(shí)施平行作業(yè)。注漿孔布置在36U型鋼棚間，孔間距1.5 m，排距1.8 m。在鋼筋混凝土澆筑期間提前預(yù)埋注漿管，注漿管深入巖層不小于0.5 m，注漿壓力2 MPa，保證對(duì)壁后巖層裂隙進(jìn)行充分注漿充填。壁后注漿采用水玻璃+5 %硅酸鹽水泥，以保證注漿充填封閉的同時(shí)，提高注漿體的凝固速度與強(qiáng)度。

5 應(yīng)用效果分析

5.1 探測(cè)工藝優(yōu)化效果分析

利用瞬變電磁法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，并采用SP物探法進(jìn)行驗(yàn)證，一次探測(cè)時(shí)間約3 h。而采用常規(guī)鉆探工藝，一個(gè)探測(cè)循環(huán)至少需4 d，瞬變電磁法探測(cè)時(shí)間僅為鉆探法的3%，且精準(zhǔn)度高，探測(cè)較為全面，可分析地質(zhì)異常、富水情況等，大大提高超前探測(cè)的精準(zhǔn)性和勘探效率，對(duì)井下超前勘探工藝具有質(zhì)的改變。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)揭情況，探測(cè)后掘進(jìn)至42～76 m揭露了斷層破碎帶，與探測(cè)結(jié)果基本一致，該區(qū)域圍巖較為破碎，應(yīng)力較為集中，按照聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行了支護(hù)。

5.2 聯(lián)合支護(hù)效果分析

為分析聯(lián)合支護(hù)下的圍巖穩(wěn)定性，在過(guò)斷層區(qū)域巷道內(nèi)設(shè)置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，定期觀測(cè)各斷面的圍巖變形量。巷道圍巖變形情況如圖5所示。

圖5 巷道圍巖變形情況

從圖5中可看出，聯(lián)合支護(hù)下，前37 d內(nèi)圍巖變形速率較高，37 d后圍巖變形量趨于穩(wěn)定，1、2號(hào)斷面處變形量最大，最大變形量22 m，且已處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)最大變形量均在15 mm以下。根據(jù)該觀測(cè)結(jié)果可知，聯(lián)合支護(hù)下，圍巖變形量均處于極輕微變形狀態(tài)，且后期已處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明該聯(lián)合支護(hù)具有極高的穩(wěn)定性，能夠有效控制圍巖變形，滿足過(guò)斷層區(qū)域巷道的支護(hù)要求。

6 結(jié)論

1）利用瞬變電磁法及TSP物探法進(jìn)行超前探測(cè)，探測(cè)時(shí)間僅為鉆探法的3 %，且精準(zhǔn)度高，探測(cè)較為全面，可分析地質(zhì)異常、富水情況等，大大提高了超前探測(cè)的精準(zhǔn)性和勘探效率。掘進(jìn)實(shí)揭情況與探測(cè)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了瞬變電磁法與TSP物探法的精準(zhǔn)性。

2）掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶前，對(duì)圍巖破碎區(qū)域?qū)嵤┏白{，可有效提高圍巖整體穩(wěn)定性，防止掘進(jìn)期間發(fā)生片幫、冒頂事故。對(duì)斷層破碎區(qū)采取架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑+壁后注漿的聯(lián)合支護(hù)，能夠有效控制圍巖變形，支護(hù)強(qiáng)度滿足巷道支護(hù)要求。