破碎软岩巷道围岩松动圈雷达探测技术

2020-04-30徐峰

矿业工程研究 2020年1期

徐峰

(皖北煤电集团卧龙湖煤矿,安徽淮北 235000)

卧龙湖煤矿设计年产量90万t,全井田南北长约8～9 km,东西宽约3.5～4 km,面积约28 km2.井田新生界松散层厚195～255.8 m,含煤地层为石炭系和二叠系,共赋存有10个煤层(组),平均总厚度为7.35 m;其中6,7,8,10煤层为可采煤层,平均总厚度5.86 m.其中6煤层属不稳定煤层,7,8,10煤层属较稳定煤层,煤层倾角一般5o～20o,局部达40o.卧龙湖煤矿是煤与瓦斯突出矿井,可采煤层6,7,8,10煤均为突出煤层,其中6煤层瓦斯含量15.31 m3/t,7煤层瓦斯含量20.12 m3/t,8煤层瓦斯含量20.56 m3/t,10煤层瓦斯含量29.07 m3/t(均为最大瓦斯含量),各煤层瓦斯压力均在2 MPa左右.卧龙湖井田南部表现为北东倾向的单斜构造,北部表现为短轴状的张大庄背斜和孟庄向斜组成的褶曲构造.全井田共发现落差不等的断层24条,其中落差大于等于100 m的5条,小于100 m而大于等于30 m的11条,小于30 m的8条.断层展布方向以近南北向和北东向为主,北西向较少.

卧龙湖矿南一采区主要开拓和准备巷道基本上位于10煤的顶板岩层中,从其物理力学性质测试结果看,巷道围岩强度较低,围岩性质软弱;从巷道围岩的组分分析上看,围岩具有一定的膨胀性.103,104工作面回采后,南翼轨道巷受多次采动影响,巷道围岩破坏严重.由于上述原因加上支护方式的不当,该矿虽对巷道进行了一次大修和多次卧底,巷道仍产生强烈变形和破坏,影响了矿井的正常生产.因此,需要对上述巷道围岩松动圈等情况进行研究,掌握巷道围岩活动规律,为支护方式及支护参数的选择提供依据[1].在巷道松动圈测试中,把地质雷达与窥镜测试相结合,能互相验证、取长补短,以更加准确地测试巷道围岩中电磁波的传播速度,提高地质雷达测试的精度[2-6].下面对该矿巷道围岩松动圈探测技术进行探讨.

1 破碎软岩巷道围岩松动圈探测技术研究

卧龙湖煤矿围岩松动圈的测试采用瑞典RAMAC地质雷达,针对不同的巷道类型,在南翼轨道巷、南翼回风巷、南翼轨道斜巷,选择典型断面进行围岩松动圈的测试工作[7,8].本次实测共布置了8个测站,约980个测点.此外,为便于校准地质雷达探测成果,特在南翼轨道巷布置了2个窥视孔,分别位于帮部和顶板;在南翼回风巷布置3个窥视孔,分别位于帮部、顶板和顶板锚索孔,采用高清窥视仪进行观测[9-11].

1.1 围岩松动圈雷达测试及其主要成果

1.1.1 南翼轨道巷的围岩松动圈雷达测试

南翼轨道巷位于105工作面和104工作面之间,测试段巷道全断面处于泥岩中.由于受上述工作面回采引起的强烈采动影响,该段巷道经过一次大修,多次卧底,大修主要是全断面扩修.其主要破坏特征为两帮位移、顶板局部冒落、两肩窝破坏、底臌严重.

经一次大修,多次卧底后,南翼轨道巷各断面处岩体破坏特征有显著差异.从实测情况看,各断面处的岩体破坏范围,以2#为最小,约4.5 m;3#为最大,约5.5 m.本次雷达探测在本巷道布置测试断面3个,以下分别介绍各断面雷达剖面的主要特征.

1#断面:该断面围岩在3.5～4.0 m深度处有一基本的连续反射界面,两帮、顶底板等部位围岩松动范围均受此限制;而肩窝处围岩裂隙则穿过此相对稳定围岩条带而向外传递,其松动圈范围可达5.5 m.见图1.

图1 南翼轨道巷1#测试断面的雷达探测图像

2#断面:岩体相对完整,在3.5～4.0 m处岩体完整性良好,主要岩体裂隙未扩展到4.5 m以远.见图2.

3#断面:该断面处未见表明岩性完整的反射条带,左右两帮岩体破坏范围约4.0 m,顶板可见连续反射条带,表明该处岩体成层性状良好;其中顶板(图3中40～60道)5.5 m深度处可见局部连续强反射,这种反射特征只有在裂隙有一定张开度、且充满空气的情况下,才会出现,因此判断该处可能为连续的离层.见图3.

图2 南翼轨道巷2#测试断面的雷达探测图像

图3 南翼轨道巷3#测试断面的雷达探测图像

1.1.2 南翼回风巷的围岩松动圈雷达测试

-480南翼回风巷围岩赋存较为稳定,巷道拱部围岩岩性为泥岩,中部为厚度1.1 m的砂质泥岩,底部为泥岩.

巷道为直墙半圆拱形巷道,巷道设计净断面尺寸为4.0 m×3.0 m,该段巷道未曾修复过,主要破坏表现为两帮内移、顶板局部冒落、两肩窝破坏、底臌严重,底臌量在1 m以上,局部地段底臌量达1.5 m以上.

由南翼回风巷实测雷达剖面(图4～图6)可以看出,各断面围岩破坏特征相近,主要表现为

1)两帮及顶板围岩破坏范围约2.5～3.5 m;底板岩体可见连续反射,表明底板岩体稳定连续,整体性好;

2)各断面岩体破坏范围均大,如1#断面的10～18道和40～56道(图4)、2#断面12～18道和25～38道(图5)以及3#断面8～16道和25～40道,均可见4.5～5.5 m处有断续反射.

图4 南翼回风巷1#测试断面的雷达探测图像

图5 南翼回风巷2#测试断面的雷达探测图像

图6 南翼回风巷3#测试断面的雷达探测图像

1.1.3 南翼轨道斜巷的围岩松动圈雷达测试

南翼轨道斜巷各测试断面巷道围岩岩性以泥岩为主,层理较为发育.因巷道左帮有电缆和管路,天线不能抵近巷道内表面进行探测,对雷达测试有较强干扰,造成左帮雷达信号杂乱无序.因此,对左帮信号不做解释.

从雷达探测剖面看,南翼轨道斜巷2个测试断面围岩破坏范围基本一致,其基本规律如下:

1)从雷达剖面的整体特征看,全断面在3.0～3.5 m处有连续反射界面,表明该距离处岩体相对完整,围岩破坏主要出现在3.0 m以内的范围;底板处,岩性反射界面连续,完整性好,其破坏范围也在3.0～3.5 m;

2)肩窝处,1#断面20道和45道以及2#断面25道和42道,连续反射界面出现错断,该错断延续到4.5～5.0 m距离处,表明肩窝处岩体局部破坏,其破坏范围可达4.5～5.0 m.见图7和图8.

图7 南翼轨道斜巷1#测试断面的雷达探测图像

图8 南翼轨道斜巷2#测试断面的雷达探测图像

1.2 窥镜测试情况及其主要成果

1.2.1 南翼轨道巷的窥镜测试

测点布置见图9:(1)南轨帮部孔(右帮):距底板1.9 m,实测孔深5 m(设计10 m);(2)南轨顶板孔(顶部正中):实测孔深10 m(设计10 m).

南轨窥镜测试的典型图像见图10和图11,由窥镜测试可知,南轨帮部岩体破坏范围可达4.8 m,见图10;顶板岩体破坏范围约为3.4 m,见图11.对比南翼轨道巷3#断面雷达测试图像(图3)与窥镜测试资料(见图10中4.7 m深度处),推断该部位离层张开度在0.1 m左右.从雷达探测和窥镜测试成果发现,本巷道1#,3#断面围岩破坏范围约为5.5 m.稍大于南轨窥镜测试获得的4.8 m.分析认为,窥镜测试可以反映探孔处的围岩状况,探孔之外则需要借助雷达探测进行解释,由于二者测试位置并不完全重合,导致二者在解释结果上存在一些差异,但两种测试方法对于破坏范围的解释比较接近,可以互相佐证[11-15].

图9 南翼轨道巷的窥镜测点布置(单位:mm)

图10 南轨帮部窥镜测试典型图像(起始位置为0.832 m)

图11 南轨顶板窥镜测试典型图像(起始位置为1.405 m)

1.2.2 南翼回风巷的窥镜测试

测点布置见图12:(1)南回帮部孔(右帮):距底板1.8 m,实测孔深10 m(设计10 m);(2)南回顶板孔(顶部正中):实测孔深10 m(设计10 m);(3)南回顶板锚索孔(扩巷迎头顶部正中的锚索孔):孔深6.5 m,该孔供参考用.南翼回风巷窥镜测试的典型图像见图13～图15,由窥镜测试可知,南回帮、顶、锚索处岩体破坏范围分别约为2.8,2.9,3.8 m.从临近的锚索孔窥镜测试资料(见图15中3.8 m深度)可知,临近此位置处有岩体裂隙带.对比南翼回风巷1#,2#,3#测试断面的雷达探测图像(图4～图6),可以判断该巷道各断面岩体破坏范围较大,其破坏范围可达4.5～5.5 m.