深部延伸巷道圍巖松動圈的探測與分析

周凱軍，彭廣慶

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司裴溝煤礦, 河南 新密市 452382)

深部延伸巷道圍巖松動圈的探測與分析

周凱軍，彭廣慶

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司裴溝煤礦, 河南 新密市 452382)

圍巖松動圈形態(tài)和變化范圍是巷道圍巖穩(wěn)定性評價與支護(hù)的重要參數(shù)之一。為了探究高應(yīng)力軟巖巷道圍巖松動圈變化特征，以裴溝煤礦深部42采區(qū)為地質(zhì)背景，采用地質(zhì)雷達(dá)方法通過現(xiàn)場實(shí)測，獲得了深部延伸42采區(qū)軌道下山沿線典型區(qū)段兩種主要巖性斷面松動圈的主要量化參數(shù)，發(fā)現(xiàn)泥巖和灰?guī)r兩種不同巖性巷道圍巖松動圈對應(yīng)位置范圍具有較大差異性。研究結(jié)果對42采區(qū)巷道圍巖支護(hù)類型的選擇及安全生產(chǎn)具有較強(qiáng)的參考價值。

深部軟巖巷道；圍巖松動圈；地質(zhì)雷達(dá)

巷道開挖過程中由于應(yīng)力集中和卸壓作用使靠近開挖面的圍巖將產(chǎn)生新的破裂帶，其分布形態(tài)類似于圓形或橢圓形的圈層，一般稱為圍巖松動圈。它的形成主要與開挖巖體的地質(zhì)條件和施工方法有關(guān)[1]。圍巖松動圈形狀及變化范圍對巷道支護(hù)方式選擇具有重要的指導(dǎo)作用，通常需要在典型斷面進(jìn)行松動圈實(shí)測。巷道圍巖松動圈探測方法較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]。常用方法主要有地質(zhì)雷達(dá)法[3-6]、聲波法[7-10]、打眼鉆探法[11]、損傷理論法[12]和鉆孔成像法[13]等。考慮地質(zhì)雷達(dá)具有設(shè)備攜帶輕便、操作簡單迅速、能夠現(xiàn)場實(shí)時成像和數(shù)據(jù)圖像處理比較方便等優(yōu)點(diǎn)[2]，本次研究中選擇地質(zhì)雷達(dá)法對新密煤田裴溝煤礦深部延伸42采區(qū)下山典型斷面進(jìn)行圍巖松動圈探測。

1 地質(zhì)雷達(dá)測試圍巖松動圈基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種無損連續(xù)檢測，具有高分辨率和高精度優(yōu)點(diǎn)。其主要是利用發(fā)射裝置向巷道圍巖中發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)完整巖體與裂隙巖體的分界面反射后被另一設(shè)備接收，通過記錄電磁反射波信號的強(qiáng)弱及到達(dá)時間來判定圍巖松動圈的范圍大小。

由于開挖擾動，圍巖內(nèi)部產(chǎn)生宏觀裂隙，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波沿著巷道斷面進(jìn)行掃描，當(dāng)遇到破碎巖體時波形表現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)；當(dāng)經(jīng)過裂隙與完整界面時，會引起很強(qiáng)的反射，從而可根據(jù)反射波形成的圖像特征來確定巷道圍巖松動圈。

大量實(shí)測結(jié)果表明[3-6]，在干燥煤中電磁波傳播速度為0.13～0.15 m/ns，在干燥砂巖和石灰?guī)r中傳播速度為0.11～0.13 m/ns。而本次施工測試地下巷道的圍巖是潮濕的，現(xiàn)場觀測到圍巖的含水量較大，有的鉆孔中甚至明顯看到有水流出，綜合分析本次探測波速取值為0.11 m/ns。

一般而言，地質(zhì)雷達(dá)的天線頻率與探測深度成反比，和探測精度成正比[5]。為調(diào)和探測精度與深度之間的矛盾，特配備了Ramac公司的全套雷達(dá)天線系統(tǒng)，含10 MHz非屏蔽天線、100 MHz非屏蔽天線、250 MHz屏蔽天線、500 MHz屏蔽天線和1000 MHz屏蔽天線，從而可選擇使用以滿足地質(zhì)雷達(dá)的各種工作。考慮到42采區(qū)下山巷道內(nèi)部金屬物和電磁干擾多，本次地質(zhì)雷達(dá)測試選用250 MHz屏蔽天線對巷道進(jìn)行圍巖松動圈探測。

2 探測段概況

楊河煤業(yè)42采區(qū)作為礦井生產(chǎn)接替的重要采區(qū)，服務(wù)年限較長。42采區(qū)3條下山斜坡埋藏較深，并受到滑動構(gòu)造的影響，是典型的軟巖巷道。已開拓的3條下山巷道變形均很嚴(yán)重，其中軌道下山巷道變形嚴(yán)重影響了42采區(qū)的正常運(yùn)輸及架空乘人裝置的運(yùn)行。為保障42采區(qū)安全生產(chǎn)和運(yùn)輸便利，特對42軌道下山斜坡變形嚴(yán)重段進(jìn)行卸壓支護(hù)技術(shù)研究，以保證42軌道下山在其服務(wù)年限內(nèi)正常使用，其中該區(qū)段的圍巖松動圈測試就是該課題研究中的一個主要內(nèi)容。

42軌道下山試驗(yàn)段頂板標(biāo)高在-279.7～-360.3 m之間，考慮地表標(biāo)高，實(shí)際埋深530～600 m左右，具體測試段平面位置見圖1，介于軌27到軌34兩個測點(diǎn)之間。若上覆巖土層平均重度按0.025 MN/m3考慮，按照巷道埋深最大處計(jì)算，所受原巖垂直應(yīng)力約15.0 MPa(<20 MPa)。根據(jù)42軌道下山試驗(yàn)段巷道掘進(jìn)期間繪制的實(shí)測地質(zhì)剖面，測試段巖性主要由泥巖和灰?guī)r組成，沿著下山方向自測點(diǎn)軌27往下至測點(diǎn)軌31點(diǎn)180 m內(nèi)巷道巖性以泥巖為主，普氏系數(shù)為2～4，硬度較軟，因此在支護(hù)后易產(chǎn)生變形；測點(diǎn)軌31點(diǎn)附近揭露F7斷層后巖性發(fā)生了變化，巷道圍巖基本上為L7-8灰?guī)r，普氏系數(shù)為8，巖性較硬。在試驗(yàn)段巷道內(nèi)存在F7、F8兩條斷層，影響范圍內(nèi)節(jié)理裂隙極為發(fā)育，易破碎，圍巖整體性差。由于斷層構(gòu)造影響使巷道圍巖應(yīng)力水平大幅升高，若構(gòu)造影響應(yīng)力集中系數(shù)按2～3考慮，則巷道圍巖應(yīng)力水平高達(dá)30 MPa以上。

圖1 42采區(qū)巷道圍巖松動圈測試段

為了能夠探測巷道內(nèi)每個斷面測區(qū)圍巖不同位置的松動圈厚度值，在每個巷道斷面兩幫及頂板圍繞巷道周邊約間隔40 cm選擇一個探測點(diǎn)來探測巷道圍巖松動圈厚度值，測試順序是右?guī)汀绊敗髱汀装濉?/p>

3 探測結(jié)果與分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為有效抑制斷面起伏和巷道內(nèi)金屬網(wǎng)帶來的干擾，在松動圈探測中采用低通濾波數(shù)據(jù)處理手段，這樣就可有效提高圖像處理精度。電磁波波速為0.11 m/ns，利用相關(guān)公式可確定巷道松動范圍圖。限于篇幅，這里選擇泥巖段和灰?guī)r段兩處典型斷面即典型斷面1和典型斷面2的探測結(jié)果進(jìn)行分析(見圖1)。

(1) 泥巖段。典型斷面1處巷道圍巖泥巖的雷達(dá)探測剖面如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)0，0.4，1，2，3，3.2 m處有電纜、水管、U型鋼連鎖障礙物的干擾。排除以上干擾，可從圖2中看到在85 ns處出現(xiàn)較密集的斷續(xù)反射波，對應(yīng)部位是巷道頂部，該位置圍巖松動破壞范圍約為3.6 m；在巷道底板有連續(xù)反射，表明底板的圍巖整體性良好，破碎深度在2 m內(nèi)；兩幫破碎深度也相對較大，但松動范圍相差不大，在2.7～3.2 m之間。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測圖像，繪制巷道松動圈發(fā)育形態(tài)如圖3所示。

圖3 典型斷面1(泥巖)圍巖松動圈

(2) 灰?guī)r段。典型斷面2處巷道圍巖灰?guī)r探測的雷達(dá)剖面如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)1.1，2，3.2 m處有U型鋼干擾。該處巷道從左幫至拱底再到右?guī)偷乃蓜臃秶嗖畈淮螅?.3～2.3 m范圍內(nèi)，但拱頂處最大。拱頂在4 m處可見斷續(xù)反射，表明拱頂由于開拓影響在4.0 m處巖體中存在松動。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測圖像，繪制灰?guī)r松動圈發(fā)育形態(tài)如圖4所示。

圖4 典型斷面2(灰?guī)r)雷達(dá)探測圖像

圖5 典型斷面2(灰?guī)r)圍巖松動圈

4 結(jié) 論

(1) 在簡單分析地質(zhì)雷達(dá)法探測巷道圍巖松動圈基本原理的基礎(chǔ)上，對裴溝煤礦深部延伸42采區(qū)軌道下山典型區(qū)段進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，獲得了沿線兩個主要斷面松動圈的主要量化參數(shù)。

(2) 兩幫松動圈范圍泥巖為2.7～3.2 m，灰?guī)r為2.1～2.3 m左右；頂部松動范圍泥巖為3.6 m左右，灰?guī)r為4.0 m左右；底部松動圈最小，泥巖為2.0 m左右，灰?guī)r為1.3 m左右。

(3) 對比分析發(fā)現(xiàn)探測區(qū)段泥巖和灰?guī)r斷面圍巖松動圈具有較大差異性，松動圈最大位置均位于巷道頂部，灰?guī)r大于泥巖，但兩幫和底部與泥巖相對較大。

[1]董方庭,宋宏偉，郭志宏，等.巷道圍巖松動圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994,19(1):21-31.

[2]蔡冠楠，李忠輝，楊玉龍，等.煤礦巷道圍巖松動圈測試方法探討[J].工礦自動化，2014,40(1):38-41.

[3]高家平，張勝軍，丁亞恒.城郊礦深部延伸巷道圍巖松動圈實(shí)測及數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2014(7):146-150.

[4]張勝軍，牛建春，高家平，等.深埋巷道圍巖工程地質(zhì)特征及松動圈厚度測試[J].煤炭技術(shù)，2015,34(10):84-86.

[5]伍永平,翟 錦,解盤石，等.基于地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的巷道圍巖松動圈測定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013,41(3):32-34.

[6]楊永杰，劉傳孝，蔣金泉，等.巷道圍巖松動圈的地質(zhì)雷達(dá)探測及應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1997,5(3):276-283.

[7]吳 濤，戴 俊，杜美利，等.基于聲波法測試技術(shù)的巷道圍巖松動圈測定[J].煤礦安全，2015,46(1):169-172.

[8]韓貴興，王秋生，王玉林，等.井底車場巷道圍巖松動圈超聲波探測技術(shù)應(yīng)用[J].中州煤炭，2011 (10):60-62.

[9]肖旭峰，陳 維，許 潤.傾斜層狀巷道圍巖松動圈分布及支護(hù)技術(shù)研究[J].采礦技術(shù)，2015,15(1):31-32.

[10]張曉宇，李 者，朱世安.深井軟巖巷道圍巖松動圈測試及支護(hù)技術(shù)[J].煤礦安全，2016,47(5):94-96.

[11]尚成軍，郜錦柱.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖松動圈觀測及加固技術(shù)[J].山東煤炭科技，2013(4):84-85.

[12]劉 洋.基于損傷分析的巷道圍巖松動圈的確定[J].能源技術(shù)與管理，2013,38(4):7-9.

[13]王 敏,王 凱,侯振功.鉆孔成像方法在巷道圍巖松動圈測試中的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012,39(4):31-33.

2017-02-16)

周凱軍(1989-)，男，河南新密人，助理工程師，主要從事煤礦開采方面的技術(shù)與管理工作，Email：272175444@qq.com。