掘进工作面过断层综合探测与支护技术研究

2022-11-25马雪峰

煤矿现代化 2022年6期

马雪峰

（山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西蒲县 041200）

0 引言

断层是煤矿井下一种常见的地质构造，断层及其附近通常呈现出围岩稳定性差、岩石破碎、结构强度较低等特性[1]，造成支护困难，有可能导通承压含水层。因此，掘进工作面过断层期间，必须提前探明断层的产状、是否含水等情况，并制定针对性过断层措施，以保证安全过断层。目前常规地质勘探方法为超前钻探，该方法存在效率低下，且可能发生钻孔偏移导致分析误差较大[2-3]。为此，提出瞬变电磁法及TSP物探技术对断层进行探测分析。针对过断层区域存在的支护难题，提出注浆加固+架棚喷浆+钢筋混凝土浇筑+壁后注浆的联合支护方案。通过精准的探测技术及主被动联合强支护方案，以期解决断层高效、精准探测及过断层期间的围岩控制问题，对安全过断层及巷道支护稳定性具有重要意义。

1 工程背景

常村煤矿核定生产能力900 kt/a，该矿四采区胶带运输巷设计工程量1 125 m，断面形状为直墙半圆拱形，巷宽4.2 m，巷高3.7 m，巷道施工坡度+3 ‰，施工层位3号煤层下方17 m位置粉砂岩，顶板为粉砂岩及粗粒砂岩，底板为砂质泥岩。该巷现已掘进352 m，根据采区地质说明书，掘进前方可能存在断层破碎带，需执行先探后掘，防止误揭断层。按照常规超前钻探工艺，每循环超前钻探至少需4 d，存在探测效率低下，影响掘进进度，且根据以往探测情况，存在钻孔偏移问题，导致地质分析与实揭地质资料有一定误差。为确保对前方断层破碎区的精准探测，提出瞬变电磁法探测及TSP物探法，以期精准探测前方断层破碎区的地质情况。同时，根据探测出的断层破碎区范围，需提前采取针对性的加强支护方案。

2 瞬变电磁法探测

瞬变电磁法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[1]。由于不同岩层的含水性、导电性不同，故具有不同的电阻值，因此，可通过瞬变电磁法对掘进前方电阻率的变化情况进行测定，从而分析前方地质情况。该探测方法具有效率高、精准性好的优点。

利用瞬变电磁法对四采区胶带运输巷迎头顶板、底板及前方进行地质勘探，探测结果见图1。

图1 瞬变电磁法三维探测结果

根据探测结果，从图1（a）中可分析出在巷道顶部轴向方向40～80 m范围内存在着明显的低电阻区。从图1（b）中可知，在迎头前方45～85 m范围存在明显低电阻区。从图（c）中可知，在底板轴向方向45～83 m范围存在明显的低电阻区。综合分析迎头前方40～80 m范围内存在富水集聚区，可能存在破碎岩层或断层。

3 TSP物探分析

TSP物探[1]原理是通过小装药量爆破所产生的地震波信号沿巷道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中，地震波的传播速度不同，并在不同界面处反射后被高精度接收器接收。通过计算机分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，并在显示屏上显示各种围岩结构面与巷道方位的夹角及距离。

根据瞬变电磁法勘探情况，补充TSP物探进行验证，以充分确定巷道前方的水文地质情况。TSP物探震源点设置在巷道迎头向外150 m处巷道底板，震源点爆破参数设置：炮眼间距1.5 m，排距2 m，深度1.2 m，炮孔数量24个，每排4个。炮孔布置完成后，采取分次装药、分次爆破的方式，每次起爆1排，起爆连线方式为串联，雷管段数一致，确保爆破引起的振动波传递一致。爆破期间，在掘进工作面迎头利用震动探测仪对振动波进行监测与采集，设置采用率为60 us，每次爆破后采集时长为5 s。振动监测仪接收振动波后，将数据转换为反射波图像，见图2。

图2 TSP物探结果

根据TSP物探结果可知，在掘进迎头前方20 m范围内，围岩较完整，无明显裂隙发育，岩层稳定性较好。前方40～80 m范围内，出现较为密集的反射面，且反射波起伏较大，曲线变化明显，因此可判定该区域岩层存在大量裂隙，围岩稳定性较差。前方80～130 m存在少量反射面，且曲线变化平缓，可判定该区域岩层仅有少量裂隙带，岩层完整度及稳定性相对较好。

4 过断层支护方案

根据瞬变电磁法及TSP物探的探测结果可知，掘进前方40～80 m范围属断层区域，围岩裂隙发育，稳定性较差，需提前制定破碎带巷道支护方案。过断层方案确定为掘进前方20～100 m范围内采取加强支护，支护方案整体以超前注浆加强破碎围岩稳定性后，再采取架棚喷浆+钢筋混凝土浇筑的支护方式，巷道支护完成后，再采取壁后注浆充填支护体后方空隙，最大限度的控制破碎区围岩变形量，保证支护质量和支护强度。

4.1 超前注浆加固方案

为提高断层破碎区岩层的整体稳定性，通过采取超前钻孔注浆，注浆液充分渗透至岩层裂隙内并硬化后，可对破碎围岩进行胶结，使之形成一个整体，从而提高岩层整体稳定性，防止掘进过断层期间发送片帮、冒顶事故[4]。为保证注浆加固效果，确保巷道掘进范围及其附近围岩稳定，断面内设计8个注浆钻孔，钻孔布置如图2所示，对巷道前方的围岩破碎区实施帷幕注浆，以确保破碎围岩的稳定，防止裂隙渗水继续破坏巷道围岩。设计的注浆钻孔深度要超过断层3 m以上，并根据断层距离迎头的距离、注浆渗透半径确定注浆钻孔的深度、角度、终孔位置等参数。注浆材料采用硅酸盐水泥，水灰质量比为1∶0.7，注浆压力根据含水层水压确定，需大于含水层水压2 MPa以上。注浆压力达到设计压力后，要保压1 h以上，确保浆液初凝后关闭注浆阀门，防止浆液凝固前在含水层水压作用下反向流动。

图2 巷道前方帷幕注浆钻孔布置示意

4.2 巷道联合支护方案

为满足过断层破碎带巷道的支护要求，在提前对断层破碎区进行注浆加固后，掘进期间采取的支护方式也必须具有足够的支护强度，以确保最大限度的控制围岩变形量[5]。基于此，提出架棚喷浆+钢筋混凝土浇筑的联合支护方案。

1）架棚喷浆支护。巷道断面呈直墙三星拱型，巷道底板为反底拱型，掘进断面成型后，先对巷道顶部及两帮采用架棚支护。支架采用36U型钢，支架共分为3节，每节搭接长度500 mm，采用配套卡缆固定，卡缆螺栓预紧力在300 N·m以上。支架棚距600 mm，棚间后身采用φ60 mm的钢管配合钢筋网闭帮顶，钢管布设间距300 mm，钢筋网规格为φ60 mm×800 mm×2 000 mm。架棚支护完成后，及时进行喷浆封闭，防止围岩风化，喷浆强度达到C20标准，喷浆厚度以覆盖U型钢外沿为准。架棚喷浆支护断面如图3所示。

图3 架棚喷浆支护断面

2）钢筋混凝土浇筑支护。主要是为给巷道断面建立加固衬砌结构，加强巷道整体支承能力，提高巷道支护强度。巷道断面采用架棚喷浆支护后，再采用钢筋混凝土浇筑支护，为减少浇筑支护对迎头掘进的影响，可将浇筑支护滞后迎头10 m以上，与迎头架棚喷浆支护掘进平行作业。浇筑期间，先沿巷道全断面轮廓线铺设φ22 mm的高强度螺纹钢，然后再浇筑厚度400 mm的混凝土，混凝土浇筑强度要求达到C30标准。采用钢筋混凝土浇筑后的支护断面如图4所示。

图4 架棚喷浆+钢筋混凝土浇筑支护断面

4.3 壁后注浆加固

壁后注浆加固的主要目的是充填掘进扰动造成的围岩裂隙，以及填充架棚支护存在的支架与岩壁间存在的空隙，以确保支护体与围岩形成一个整体，防止围岩松动卸压影响围岩稳定性，同时起到防止岩层含水进入巷道形成淋水、漏水问题。注浆工艺可滞后于钢筋混凝土浇筑30 m以上并实施平行作业。注浆孔布置在36U型钢棚间，孔间距1.5 m，排距1.8 m。在钢筋混凝土浇筑期间提前预埋注浆管，注浆管深入岩层不小于0.5 m，注浆压力2 MPa，保证对壁后岩层裂隙进行充分注浆充填。壁后注浆采用水玻璃+5 %硅酸盐水泥，以保证注浆充填封闭的同时，提高注浆体的凝固速度与强度。

5 应用效果分析

5.1 探测工艺优化效果分析

利用瞬变电磁法进行现场探测，并采用SP物探法进行验证，一次探测时间约3 h。而采用常规钻探工艺，一个探测循环至少需4 d，瞬变电磁法探测时间仅为钻探法的3%，且精准度高，探测较为全面，可分析地质异常、富水情况等，大大提高超前探测的精准性和勘探效率，对井下超前勘探工艺具有质的改变。根据现场实揭情况，探测后掘进至42～76 m揭露了断层破碎带，与探测结果基本一致，该区域围岩较为破碎，应力较为集中，按照联合支护方案进行了支护。

5.2 联合支护效果分析

为分析联合支护下的围岩稳定性，在过断层区域巷道内设置4个观测点，定期观测各断面的围岩变形量。巷道围岩变形情况如图5所示。

图5 巷道围岩变形情况

从图5中可看出，联合支护下，前37 d内围岩变形速率较高，37 d后围岩变形量趋于稳定，1、2号断面处变形量最大，最大变形量22 m，且已处于稳定状态，其他几个观测点最大变形量均在15 mm以下。根据该观测结果可知，联合支护下，围岩变形量均处于极轻微变形状态，且后期已处于稳定状态，表明该联合支护具有极高的稳定性，能够有效控制围岩变形，满足过断层区域巷道的支护要求。