掘進工作面過斷層綜合探測與支護技術研究

馬雪峰

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

0 引言

斷層是煤礦井下一種常見的地質構造，斷層及其附近通常呈現(xiàn)出圍巖穩(wěn)定性差、巖石破碎、結構強度較低等特性[1]，造成支護困難，有可能導通承壓含水層。因此，掘進工作面過斷層期間，必須提前探明斷層的產狀、是否含水等情況，并制定針對性過斷層措施，以保證安全過斷層。目前常規(guī)地質勘探方法為超前鉆探，該方法存在效率低下，且可能發(fā)生鉆孔偏移導致分析誤差較大[2-3]。為此，提出瞬變電磁法及TSP物探技術對斷層進行探測分析。針對過斷層區(qū)域存在的支護難題，提出注漿加固+架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑+壁后注漿的聯(lián)合支護方案。通過精準的探測技術及主被動聯(lián)合強支護方案，以期解決斷層高效、精準探測及過斷層期間的圍巖控制問題，對安全過斷層及巷道支護穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程背景

常村煤礦核定生產能力900 kt/a，該礦四采區(qū)膠帶運輸巷設計工程量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，底板為砂質泥巖。該巷現(xiàn)已掘進352 m，根據采區(qū)地質說明書，掘進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，存在探測效率低下，影響掘進進度，且根據以往探測情況，存在鉆孔偏移問題，導致地質分析與實揭地質資料有一定誤差。為確保對前方斷層破碎區(qū)的精準探測，提出瞬變電磁法探測及TSP物探法，以期精準探測前方斷層破碎區(qū)的地質情況。同時，根據探測出的斷層破碎區(qū)范圍，需提前采取針對性的加強支護方案。

2 瞬變電磁法探測

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，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法[1]。由于不同巖層的含水性、導電性不同，故具有不同的電阻值，因此，可通過瞬變電磁法對掘進前方電阻率的變化情況進行測定，從而分析前方地質情況。該探測方法具有效率高、精準性好的優(yōu)點。

利用瞬變電磁法對四采區(qū)膠帶運輸巷迎頭頂板、底板及前方進行地質勘探，探測結果見圖1。

圖1 瞬變電磁法三維探測結果

根據探測結果，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]原理是通過小裝藥量爆破所產生的地震波信號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。通過計算機分析前方圍巖性質、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構面與巷道方位的夾角及距離。

根據瞬變電磁法勘探情況，補充TSP物探進行驗證，以充分確定巷道前方的水文地質情況。TSP物探震源點設置在巷道迎頭向外150 m處巷道底板，震源點爆破參數(shù)設置：炮眼間距1.5 m，排距2 m，深度1.2 m，炮孔數(shù)量24個，每排4個。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波傳遞一致。爆破期間，在掘進工作面迎頭利用震動探測儀對振動波進行監(jiān)測與采集，設置采用率為60 us，每次爆破后采集時長為5 s。振動監(jiān)測儀接收振動波后，將數(shù)據轉換為反射波圖像，見圖2。

圖2 TSP物探結果

根據TSP物探結果可知，在掘進迎頭前方20 m范圍內，圍巖較完整，無明顯裂隙發(fā)育，巖層穩(wěn)定性較好。前方40～80 m范圍內，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)定性相對較好。

4 過斷層支護方案

根據瞬變電磁法及TSP物探的探測結果可知，掘進前方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方案。過斷層方案確定為掘進前方20～100 m范圍內采取加強支護，支護方案整體以超前注漿加強破碎圍巖穩(wěn)定性后，再采取架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑的支護方式，巷道支護完成后，再采取壁后注漿充填支護體后方空隙，最大限度的控制破碎區(qū)圍巖變形量，保證支護質量和支護強度。

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，通過采取超前鉆孔注漿，注漿液充分滲透至巖層裂隙內并硬化后，可對破碎圍巖進行膠結，使之形成一個整體，從而提高巖層整體穩(wěn)定性，防止掘進過斷層期間發(fā)送片幫、冒頂事故[4]。為保證注漿加固效果，確保巷道掘進范圍及其附近圍巖穩(wěn)定，斷面內設計8個注漿鉆孔，鉆孔布置如圖2所示，對巷道前方的圍巖破碎區(qū)實施帷幕注漿，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。設計的注漿鉆孔深度要超過斷層3 m以上，并根據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，水灰質量比為1∶0.7，注漿壓力根據含水層水壓確定，需大于含水層水壓2 MPa以上。注漿壓力達到設計壓力后，要保壓1 h以上，確保漿液初凝后關閉注漿閥門，防止?jié){液凝固前在含水層水壓作用下反向流動。

圖2 巷道前方帷幕注漿鉆孔布置示意

4.2 巷道聯(lián)合支護方案

為滿足過斷層破碎帶巷道的支護要求，在提前對斷層破碎區(qū)進行注漿加固后，掘進期間采取的支護方式也必須具有足夠的支護強度，以確保最大限度的控制圍巖變形量[5]?；诖?，提出架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑的聯(lián)合支護方案。

1）架棚噴漿支護。巷道斷面呈直墻三星拱型，巷道底板為反底拱型，掘進斷面成型后，先對巷道頂部及兩幫采用架棚支護。支架采用36U型鋼，支架共分為3節(jié)，每節(jié)搭接長度500 mm，采用配套卡纜固定，卡纜螺栓預緊力在300 N·m以上。支架棚距600 mm，棚間后身采用φ60 mm的鋼管配合鋼筋網閉幫頂，鋼管布設間距300 mm，鋼筋網規(guī)格為φ60 mm×800 mm×2 000 mm。架棚支護完成后，及時進行噴漿封閉，防止圍巖風化，噴漿強度達到C20標準，噴漿厚度以覆蓋U型鋼外沿為準。架棚噴漿支護斷面如圖3所示。

圖3 架棚噴漿支護斷面

2）鋼筋混凝土澆筑支護。主要是為給巷道斷面建立加固襯砌結構，加強巷道整體支承能力，提高巷道支護強度。巷道斷面采用架棚噴漿支護后，再采用鋼筋混凝土澆筑支護，為減少澆筑支護對迎頭掘進的影響，可將澆筑支護滯后迎頭10 m以上，與迎頭架棚噴漿支護掘進平行作業(yè)。澆筑期間，先沿巷道全斷面輪廓線鋪設φ22 mm的高強度螺紋鋼，然后再澆筑厚度400 mm的混凝土，混凝土澆筑強度要求達到C30標準。采用鋼筋混凝土澆筑后的支護斷面如圖4所示。

圖4 架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑支護斷面

4.3 壁后注漿加固

壁后注漿加固的主要目的是充填掘進擾動造成的圍巖裂隙，以及填充架棚支護存在的支架與巖壁間存在的空隙，以確保支護體與圍巖形成一個整體，防止圍巖松動卸壓影響圍巖穩(wěn)定性，同時起到防止巖層含水進入巷道形成淋水、漏水問題。注漿工藝可滯后于鋼筋混凝土澆筑30 m以上并實施平行作業(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，保證對壁后巖層裂隙進行充分注漿充填。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，提高注漿體的凝固速度與強度。

5 應用效果分析

5.1 探測工藝優(yōu)化效果分析

利用瞬變電磁法進行現(xiàn)場探測，并采用SP物探法進行驗證，一次探測時間約3 h。而采用常規(guī)鉆探工藝，一個探測循環(huán)至少需4 d，瞬變電磁法探測時間僅為鉆探法的3%，且精準度高，探測較為全面，可分析地質異常、富水情況等，大大提高超前探測的精準性和勘探效率，對井下超前勘探工藝具有質的改變。根據現(xiàn)場實揭情況，探測后掘進至42～76 m揭露了斷層破碎帶，與探測結果基本一致，該區(qū)域圍巖較為破碎，應力較為集中，按照聯(lián)合支護方案進行了支護。

5.2 聯(lián)合支護效果分析

為分析聯(lián)合支護下的圍巖穩(wěn)定性，在過斷層區(qū)域巷道內設置4個觀測點，定期觀測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)合支護下，前37 d內圍巖變形速率較高，37 d后圍巖變形量趨于穩(wěn)定，1、2號斷面處變形量最大，最大變形量22 m，且已處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他幾個觀測點最大變形量均在15 mm以下。根據該觀測結果可知，聯(lián)合支護下，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)合支護具有極高的穩(wěn)定性，能夠有效控制圍巖變形，滿足過斷層區(qū)域巷道的支護要求。

6 結論

1）利用瞬變電磁法及TSP物探法進行超前探測，探測時間僅為鉆探法的3 %，且精準度高，探測較為全面，可分析地質異常、富水情況等，大大提高了超前探測的精準性和勘探效率。掘進實揭情況與探測結果基本一致，驗證了瞬變電磁法與TSP物探法的精準性。

2）掘進過斷層破碎帶前，對圍巖破碎區(qū)域實施超前注漿，可有效提高圍巖整體穩(wěn)定性，防止掘進期間發(fā)生片幫、冒頂事故。對斷層破碎區(qū)采取架棚噴漿+鋼筋混凝土澆筑+壁后注漿的聯(lián)合支護，能夠有效控制圍巖變形，支護強度滿足巷道支護要求。