03#層二采區(qū)北翼軌道巷超前地質(zhì)探測及支護(hù)技術(shù)研究

崔 凱 郝 勇

（長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

礦井深部巷道掘進(jìn)受礦壓、涌水、火災(zāi)威脅，超前地質(zhì)探測尤為重要[1-2]。下霍礦03#層開采深度大，位于奧灰水承壓區(qū)范圍內(nèi)，生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)隱伏性斷層或陷落柱等構(gòu)造，造成礦井發(fā)生突水事故。巷道掘進(jìn)前應(yīng)對巷道地質(zhì)條件進(jìn)行超前探測，明確前方斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的大小和位置，并根據(jù)探測情況，確定合理的支護(hù)參數(shù)，保證巷道的安全掘進(jìn)[3-4]。為保證巷道的掘進(jìn)安全，下霍礦提出采用DTC-150 超前探測系統(tǒng)進(jìn)行探測，該系統(tǒng)受環(huán)境影響小、探測精度高、現(xiàn)場探測效果好[5-6]。

1 概況

下霍礦03#層二采區(qū)北翼軌道大巷北為實(shí)體煤，東接北回1號橫貫，東為北翼皮帶大巷，西為實(shí)體煤。北翼軌道大巷布置于3#煤層，平均厚度5.01 m。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。煤層直接充水水源為其頂板砂巖裂隙水，由于開采時形成的導(dǎo)水裂隙以及斷層構(gòu)造，容易溝通導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)及其他裂隙含水層，造成礦井涌水。地質(zhì)構(gòu)造是礦井發(fā)生涌水的主要因素，為保證巷道的安全掘進(jìn)，需要對地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前探測，明確斷層、陷落柱等構(gòu)造具體位置。

2 DTC-150 超前探測分析

2.1 超前探測機(jī)理

DTC-150 超前探測是利用多波多分量反射波確定地質(zhì)構(gòu)造位置，其作用原理如圖1。

由圖1 可知，DTC-150 超前探測是通過在巷道布置的激發(fā)點(diǎn)發(fā)射地震波，地震波能夠在煤巖介質(zhì)中傳遞，當(dāng)遇到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時會產(chǎn)生反射波，通過布置接收器接收反射波，并分析其速率、振幅等參數(shù)，確定構(gòu)造的位置和大小。

圖1 超前探測機(jī)理

2.2 超前探測系統(tǒng)布置

利用DTC-150 系統(tǒng)探測北翼軌道大巷前方150 m 范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造，在巷道側(cè)壁布置24 個激發(fā)點(diǎn)，間距1.5 m，高度1 m，第1 個激發(fā)點(diǎn)布置在距迎頭5 m位置。在第24個激發(fā)點(diǎn)后15 m位置布置接收孔，孔深2 m，直徑42 mm，并將地震波信號接收器放入接收孔內(nèi)。具體布置情況如圖2。

圖2 軌道大巷探測系統(tǒng)布置示意圖（m）

2.3 超前探測結(jié)果分析

通過分析反射波信號參數(shù)，得到縱波、橫波偏移情況。根據(jù)反射縱橫波偏移情況，北翼軌道大巷迎頭前68～85 m、120～138 m 范圍內(nèi)可能存在地質(zhì)構(gòu)造，迎頭前65～75 m、100～110 m、120～140 m 范圍內(nèi)可能存在地質(zhì)構(gòu)造。由于受井下環(huán)境等因素的影響，探測結(jié)果可能有偶然性。為了更加精準(zhǔn)確定巷道前方地質(zhì)構(gòu)造情況，需要進(jìn)一步分析反射波參數(shù)。

2.3.1 縱橫波速度分析

巷道掘進(jìn)后受垂直應(yīng)力影響，圍巖會產(chǎn)生裂隙，尤其是在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，裂隙的數(shù)量和程度會更嚴(yán)重。在縱橫波傳播過程中，裂隙度影響傳播速度，通過縱橫波傳播速度，可以確定巖層破碎帶。北翼軌道大巷縱橫波傳播速度如圖3。

由圖3 可知，北翼軌道大巷迎頭前方65～75 m范圍，縱橫波速度減小，由此可知巷道在該范圍內(nèi)巖層存在破碎帶。在迎頭前方136～138 m 范圍，縱橫波速度又開始減小，該范圍內(nèi)縱橫波速度變化較快，表明該范圍內(nèi)可能存在地質(zhì)構(gòu)造。

圖3 縱橫波傳播速度示意圖

2.3.2 圍巖密度變化分析

煤巖體密度不同，相對于巖層而言，煤層密度、速率都比較低，通過分析密度變化情況，可以確定破壞發(fā)生的巖層性質(zhì)。煤巖體密度與縱橫波傳播速度呈非線性正相關(guān)，如圖4。

圖4 煤巖體密度變化示意圖

由圖5 可知，北翼軌道大巷迎頭前方65～75 m范圍，圍巖密度減小，表明該范圍內(nèi)煤層出現(xiàn)破碎帶。在迎頭前方136～138 m 范圍，圍巖密度減小，且減小速率快，表明該范圍內(nèi)存在地質(zhì)構(gòu)造。結(jié)合其他探測結(jié)果，可以確定該范圍內(nèi)存在小型斷層。

2.3.3 縱橫波速比和泊松比分析

縱橫波在煤巖體傳播過程中速度不同，當(dāng)煤巖體裂隙增加時，縱波速度增加量遠(yuǎn)大于橫波速度增加量，縱橫波速度之比增加。當(dāng)煤巖體裂隙減小時，縱波速度增加量遠(yuǎn)小于橫波速度增加量，縱橫波速度之比減小。同樣，泊松比變化規(guī)律與速度之比規(guī)律相同。根據(jù)這一特性，得到縱橫波速度比和泊松比示意圖如圖5。

圖5 縱橫波速度比和泊松比示意圖

由圖5 可知，北翼軌道大巷在迎頭前方65～75 m 范圍內(nèi)，縱橫波速度比值和泊松比值均增大，表明該區(qū)域內(nèi)煤巖體裂隙增大，煤巖體較為破碎。巷道在迎頭前方136～138 m 范圍內(nèi)，縱橫波速度比值和泊松比值增加速度快，表明該區(qū)域煤巖體破碎程度大，推斷該區(qū)域存在斷層構(gòu)造。

3 支護(hù)技術(shù)研究

根據(jù)超前探測結(jié)果可知，北翼軌道大巷迎頭前方65～75 m 范圍內(nèi)煤巖體較為破碎，迎頭前方136～138 m 范圍內(nèi)存在斷層構(gòu)造。該區(qū)域巷道掘進(jìn)后，圍巖穩(wěn)定性差，原設(shè)計(jì)的支護(hù)方式已不足以保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證巷道圍巖的完整性。

3.1 原支護(hù)參數(shù)

原設(shè)計(jì)采用錨桿+錨網(wǎng)+鋼筋梯子梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 北翼軌道大巷原支護(hù)參數(shù) mm

巷道迎頭前方65～75 m、136～138 m 范圍內(nèi)煤巖體破碎，在原支護(hù)措施的前提下，需要進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

采用單體液壓支柱+工字鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，棚間距為2 m，支護(hù)示意圖如圖6。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)選用DW28-250/100 的單體液壓支柱，11#鋼材工字鋼。

圖6 北翼軌道大巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖（mm）

3.3 注漿加固

根據(jù)超前探測情況，北翼軌道大巷迎頭前方65～75 m、136～138 m 范圍內(nèi)圍巖較為破碎，掘進(jìn)后為保證頂板巖層的完整性，對圍巖進(jìn)行注漿加固，避免發(fā)生涌水事故。注漿設(shè)備及參數(shù)見表2。

表2 注漿設(shè)備及參數(shù)

北翼軌道大巷在頂板布置4 個、兩幫各布置3個注漿鉆孔，注漿參數(shù)見表3。

表3 北翼軌道大巷注漿參數(shù)

4 支護(hù)效果檢驗(yàn)

北翼軌道大巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，在巷道頂板布置3組頂板動態(tài)儀監(jiān)測圍巖變形量，監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 北翼軌道大巷監(jiān)測圍巖變形量 mm

由表4 可知，北翼軌道大巷支護(hù)后，巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在安全范圍。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+注漿加固能夠保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，避免礦井發(fā)生頂板涌水事故。

5 結(jié)論

（1）北翼軌道大巷直接充水水源為頂板砂巖裂隙水，受地質(zhì)構(gòu)造影響，頂板裂隙發(fā)育溝通含水層，容易造成礦井涌水。采用DTC-150 超前探測技術(shù)，得到巷道迎頭前方65～75 m 范圍內(nèi)煤巖體較為破碎，迎頭前方136～138 m 范圍內(nèi)存在斷層構(gòu)造。

（2）針對巷道掘進(jìn)后煤巖體破碎情況，在原設(shè)計(jì)的錨桿+錨網(wǎng)+鋼筋梯子梁支護(hù)基礎(chǔ)上，采用單體液壓支柱+工字鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為保證掘進(jìn)后巷道圍巖的完整性，采用注漿加固巷道圍巖。通過監(jiān)測巷道圍巖變形量可知，支護(hù)后圍巖變形量在安全范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。