煤矿井下过断层核心防护技术的应用研究

刘永峰

（司马煤业有限公司，山西 长治 046000）

0 引 言

井下断层是指煤矿井下的地质破碎带，其围岩稳定性极差，而且破碎性大、结构强度极不稳定，当巷道在掘进过程中通过断层时，在综采扰动和矿压波动下极易导致围岩变形、顶板垮落，造成严重的安全事故。井下过断层巷道的施工方案的确定主要是依赖采用人工钻井勘探确定井下地质条件的方式进行，效率极低，而且传统的巷道掘进施工和围岩控制方案，均难以满足在过断层条件下的巷道稳定性要求，给煤矿井下的综采作业带来了严重的隐患。

针对现有过断层地质条件勘探和巷道支护技术条件落后的现状，提出了一种新的井下过断层防护技术方案，利用瞬变电磁勘探法实现了对井下断层区域地质条件的快速、精确判断，采用注浆堵漏加固的方案对井下巷道进行加强，采用“初次型钢网喷+钢筋混凝土衬砌+二次注浆”的联合支护方案，实现对井下巷道的可靠支护，满足在过断层条件下的特殊支护需求。根据实际应用表明，新的过断层核心防护技术能够将井下地质勘探周期降低89.4%，将巷道过断层变形量降低69.6%，对提升过断层巷道支护稳定性和可靠性具有十分重要的意义。

1 瞬变电磁法探测

瞬变电磁法[1]是利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法，由于不同岩层、蓄水层内的电阻率不一致，因此通过对电阻率的分析即可快速确定井下地质分布情况，具有探测效率高、精确性好的优点。

以井下断层区域为例，利用瞬变电磁法对其地质情况进行勘探，其地质勘探结果如图1 所示。

图1 瞬变电磁法勘探结果示意图

由勘探结果可知，在巷道顶板轴向39～78 m，在横轴方向上0～19 m 的范围内存在着显著的低电阻率区域，表明该处存在着碎石堆积或者地下水集聚。沿着井下顺层探测方向，在井下巷道的轴向方向44～87 m 的区域以及在横向-27～26 m 的区域内存在着明显的低电阻率区域，表明该处存在着碎石堆积或者地下水集聚。沿着巷道底板方向，其轴向前侧约43～86 m 及横向-22～34 m 的范围内，同样存在着显著的低电阻率区域，因此可以判明在该区域范围内同样是有碎石和积水。

采用瞬变电磁探测的方案具有操作便捷、精确性高的优点，其探测周期仅为2.4 h，将井下地质勘探周期降低89.4%，显著的提升了井下地质勘探的效率和安全性。

2 TSP 物探分析

为了对巷道围岩的分布和稳定性情况进行确认，在实际应用中又增加了TSP 物探技术[2]，对井下地质条件进行勘探，根据井下巷道布置及瞬变电磁法的初探情况，将探测是的震源点设置在巷道入口处约30 m 的位置，探测时首先在震源点处设置炮孔，炮孔的间距一般不小于1.2 m，炮孔深度不低于1 m，设置完成后在炮孔内设置乳化炸药，爆破孔的数量根据井下巷道的实际空间位置确定，一般炮孔数量不小于20 个，炸药布置完成后采用分组起爆的方式，每组4 个，各组之间采用串联起爆方案，保证探测波传递的效率和精确性。

设置完成后进行爆破，利用振动探测仪对振波进行监测，监测时的采用率为60.5 us，连续采样的时长为5 s，振动监测仪在接收时是从x-y-z 3 个坐标轴上对振动波进行监测，接收到的振波数据进行转换后形成反射波图像，如图2 所示。

由图2 可知，在爆破点前方约15 m 的区段内，围岩的完整度高，岩层的裂隙发育较弱，围岩具有较高的自稳定性。在爆破点前方约为15～45 m 的取样内，反射波的曲线变化明显、起伏较大而且反射面密集，因此可以判断在该区域内的岩层稳定性较弱，存在着大量的裂隙带且内部含水量较大，在巷道掘进过程中极易出现透水情况。在爆破点前方46～120 m 的范围内，反射波较为平缓且稳定，因此可以判断该区域内的岩层完整度高、稳定性好，区域内仅含有极少量的裂隙带。

图2 TSP 物探结果示意图

采用TSP 物探的方案能够实现快速的对井下围岩状态的勘探，精度高、可靠性好，为进一步完善井下巷道支护结构，提高巷道支护稳定性奠定了基础。

3 井下巷道注浆堵漏

根据瞬变电磁法及TSP 物探的勘测结果，为了保证在碎裂区巷道围岩的稳定性，需要对其进行加固，提高在综采作业和矿压扰动情况下的稳定性。根据勘探分析，确定在井下巷道的底板和顶板上各设置3 个注浆孔，然后在井下巷道帮部设置1 个注浆孔，每个注浆孔的钻进深度要超过断层5 m，注浆孔在进行钻进时，钻孔的角度需要和岩壁呈60°角，确保在钻进过程中的钻进效率，确保注浆加固的稳定性。

由于在碎石区域存在着一定的积水，因此为了保证注浆加固的效率和可靠性，注浆料采用了硅酸盐水泥材料，水泥∶水的比例为0.75∶1，注浆时的压力应大于井下积水的水压，一般需要大于8 MPa，需要确保浆液能够顺利注入注浆孔内，注完浆后要保压30 min 以上，避免浆液在内部压力作用下反向流动。同时在注浆时需要按照先低密度灌浆液再高密度灌浆液的方式进行灌注[3]，从而保证灌浆液对岩层深处岩石裂隙的渗透效果，提高对碎石区域的堵水可靠性，该井下钻孔布置结构如图2 所示。

图2 井下注浆孔设置结构示意图

4 过断层综合支护

为了满足井下巷道过断层的支护安全性需求，在对巷道碎裂区进行注浆加固的基础上，本文又提出了一种新的组合式的过断层综合支护方案[4]，将初次型钢喷网支护、钢筋混凝土加强、二次注浆进行组合处理，在提升巷道支护强度的情况下提高支护效率和可靠性[5]。

初次型钢喷网支护，型钢采用U29 钢架分三段焊接而成，每段的搭接长度不低于400 mm，在钢架之间利用7 组圆钢连接，井下巷道的进尺需要控制在600 mm 以内，从而满足井下钢架安装便捷性的需求。井下的钢筋护网可采用双重菱形金属网，每个网格的直径可以根据井下实际情况选择，一般孔径不小于50 mm，钢架搭接完成后对其进行喷浆处理，喷浆用的混凝土强度等级不低于C20，喷浆层的厚度不低于110 mm，以完全覆盖主钢架为准，第一次喷涂完成后，在外侧再增加一层金属网[6]，然后再次复喷，从而提高中的稳定性，该喷网支护结构如图3 所示。

图3 型钢喷网支护结构示意图

在初次型钢喷网支护的集成上，为了满足结构承受水压和矿压波动影响的要求，需求进行钢筋混凝土加强，建立加固衬砌结构[7]。衬砌混凝土采用拱形结构，在顶部、两帮和底部均铺设高强度螺纹钢。在浇灌时采用C40 混凝土[8]，同时要确保混凝土的厚度不小于40 mm，提高使用过程中的稳定性，该支护结构整体混凝土加强结构如图4 所示。

图4 钢筋混凝土加强结构示意图

为了确保巷道围岩的稳定性，在进行初次型钢喷网支护+钢筋混凝土加强后，还需要进行壁后充填注浆，其采用了集中注浆的模式，从而确保在喷网层后侧填充的可靠性，对壁后的碎石进行充分的加强，避免支护结构在局部集中应力作用下发生破坏。

为了满足快速注浆的需求，其注浆管径应不小于35 mm，各个注浆管之间的距离不小于2 m，铺设时需要保证注浆后，注浆管的管口外漏30 mm 以上，在注浆之前可以利用大直径的钻机对注浆孔进行扫孔，避免注浆时对帷幕的破坏，满足注浆安全性的需求。

针对注浆的实际情况，可采用水玻璃注浆液，同时在其中掺杂4%的硅酸盐水泥，提高凝固速度和强度，注浆时的压力保证在2 MPa 即可。

5 应用效果分析

为了对优化后的井下过断层巷道支护稳定性进行研究，在巷道内设置位移传感器[9]，分别布置在5个断面上，对巷道掘进过程中围岩的稳定性进行研究，结果如图5 所示。

图5 监测结果示意图

由图5 可知，优化后巷道监测点1 处的变形量最大，约为22 mm，比优化前的67 mm 降低了67.2%，其他断面的监测结果均小于20 mm，表现出了极高的稳定性。表明初次型钢喷网支护+钢筋混凝土加强+二次注浆加固的方案能够显著提升了井下巷道过断层施工时的稳定性和安全性。

6 结 论

1）瞬变电磁探测的方案具有操作便捷、精确性高的优点，能够将井下地质勘探周期降低89.4%，显著的提升了井下地质勘探的效率和安全性。

2）采用TSP 物探的方案能够实现快速的对井下围岩状态的勘探，精度高、可靠性好，能够为优化井下巷道支护结构，提高巷道稳定性奠定基础。

3）保证注浆加固的效率和可靠性，注浆料需要按照先低密度灌浆液再高密度灌浆液的方式进行灌注，从而保证灌浆液对岩层深处岩石裂隙的渗透效果。

4）初次型钢喷网支护+钢筋混凝土加强+二次注浆加固的方案能够将井下巷道变形量降低67.2%，对提升煤矿井下巷道过断层稳定性具有十分重要的意义。