煤礦井下過斷層核心防護技術的應用研究

劉永峰

（司馬煤業有限公司，山西 長治 046000）

0 引 言

井下斷層是指煤礦井下的地質破碎帶，其圍巖穩定性極差，而且破碎性大、結構強度極不穩定，當巷道在掘進過程中通過斷層時，在綜采擾動和礦壓波動下極易導致圍巖變形、頂板垮落，造成嚴重的安全事故。井下過斷層巷道的施工方案的確定主要是依賴采用人工鉆井勘探確定井下地質條件的方式進行，效率極低，而且傳統的巷道掘進施工和圍巖控制方案，均難以滿足在過斷層條件下的巷道穩定性要求，給煤礦井下的綜采作業帶來了嚴重的隱患。

針對現有過斷層地質條件勘探和巷道支護技術條件落后的現狀，提出了一種新的井下過斷層防護技術方案，利用瞬變電磁勘探法實現了對井下斷層區域地質條件的快速、精確判斷，采用注漿堵漏加固的方案對井下巷道進行加強，采用“初次型鋼網噴+鋼筋混凝土襯砌+二次注漿”的聯合支護方案，實現對井下巷道的可靠支護，滿足在過斷層條件下的特殊支護需求。根據實際應用表明，新的過斷層核心防護技術能夠將井下地質勘探周期降低89.4%，將巷道過斷層變形量降低69.6%，對提升過斷層巷道支護穩定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 瞬變電磁法探測

瞬變電磁法[1]是利用不接地回線向地下發射一次脈沖磁場，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，由于不同巖層、蓄水層內的電阻率不一致，因此通過對電阻率的分析即可快速確定井下地質分布情況，具有探測效率高、精確性好的優點。

以井下斷層區域為例，利用瞬變電磁法對其地質情況進行勘探，其地質勘探結果如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法勘探結果示意圖

由勘探結果可知，在巷道頂板軸向39～78 m，在橫軸方向上0～19 m 的范圍內存在著顯著的低電阻率區域，表明該處存在著碎石堆積或者地下水集聚。沿著井下順層探測方向，在井下巷道的軸向方向44～87 m 的區域以及在橫向-27～26 m 的區域內存在著明顯的低電阻率區域，表明該處存在著碎石堆積或者地下水集聚。沿著巷道底板方向，其軸向前側約43～86 m 及橫向-22～34 m 的范圍內，同樣存在著顯著的低電阻率區域，因此可以判明在該區域范圍內同樣是有碎石和積水。

采用瞬變電磁探測的方案具有操作便捷、精確性高的優點，其探測周期僅為2.4 h，將井下地質勘探周期降低89.4%，顯著的提升了井下地質勘探的效率和安全性。

2 TSP 物探分析

為了對巷道圍巖的分布和穩定性情況進行確認，在實際應用中又增加了TSP 物探技術[2]，對井下地質條件進行勘探，根據井下巷道布置及瞬變電磁法的初探情況，將探測是的震源點設置在巷道入口處約30 m 的位置，探測時首先在震源點處設置炮孔，炮孔的間距一般不小于1.2 m，炮孔深度不低于1 m，設置完成后在炮孔內設置乳化炸藥，爆破孔的數量根據井下巷道的實際空間位置確定，一般炮孔數量不小于20 個，炸藥布置完成后采用分組起爆的方式，每組4 個，各組之間采用串聯起爆方案，保證探測波傳遞的效率和精確性。

設置完成后進行爆破，利用振動探測儀對振波進行監測，監測時的采用率為60.5 us，連續采樣的時長為5 s，振動監測儀在接收時是從x-y-z 3 個坐標軸上對振動波進行監測，接收到的振波數據進行轉換后形成反射波圖像，如圖2 所示。

由圖2 可知，在爆破點前方約15 m 的區段內，圍巖的完整度高，巖層的裂隙發育較弱，圍巖具有較高的自穩定性。在爆破點前方約為15～45 m 的取樣內，反射波的曲線變化明顯、起伏較大而且反射面密集，因此可以判斷在該區域內的巖層穩定性較弱，存在著大量的裂隙帶且內部含水量較大，在巷道掘進過程中極易出現透水情況。在爆破點前方46～120 m 的范圍內，反射波較為平緩且穩定，因此可以判斷該區域內的巖層完整度高、穩定性好，區域內僅含有極少量的裂隙帶。

圖2 TSP 物探結果示意圖

采用TSP 物探的方案能夠實現快速的對井下圍巖狀態的勘探，精度高、可靠性好，為進一步完善井下巷道支護結構，提高巷道支護穩定性奠定了基礎。

3 井下巷道注漿堵漏

根據瞬變電磁法及TSP 物探的勘測結果，為了保證在碎裂區巷道圍巖的穩定性，需要對其進行加固，提高在綜采作業和礦壓擾動情況下的穩定性。根據勘探分析，確定在井下巷道的底板和頂板上各設置3 個注漿孔，然后在井下巷道幫部設置1 個注漿孔，每個注漿孔的鉆進深度要超過斷層5 m，注漿孔在進行鉆進時，鉆孔的角度需要和巖壁呈60°角，確保在鉆進過程中的鉆進效率，確保注漿加固的穩定性。

由于在碎石區域存在著一定的積水，因此為了保證注漿加固的效率和可靠性，注漿料采用了硅酸鹽水泥材料，水泥∶水的比例為0.75∶1，注漿時的壓力應大于井下積水的水壓，一般需要大于8 MPa，需要確保漿液能夠順利注入注漿孔內，注完漿后要保壓30 min 以上，避免漿液在內部壓力作用下反向流動。同時在注漿時需要按照先低密度灌漿液再高密度灌漿液的方式進行灌注[3]，從而保證灌漿液對巖層深處巖石裂隙的滲透效果，提高對碎石區域的堵水可靠性，該井下鉆孔布置結構如圖2 所示。

圖2 井下注漿孔設置結構示意圖

4 過斷層綜合支護

為了滿足井下巷道過斷層的支護安全性需求，在對巷道碎裂區進行注漿加固的基礎上，本文又提出了一種新的組合式的過斷層綜合支護方案[4]，將初次型鋼噴網支護、鋼筋混凝土加強、二次注漿進行組合處理，在提升巷道支護強度的情況下提高支護效率和可靠性[5]。

初次型鋼噴網支護，型鋼采用U29 鋼架分三段焊接而成，每段的搭接長度不低于400 mm，在鋼架之間利用7 組圓鋼連接，井下巷道的進尺需要控制在600 mm 以內，從而滿足井下鋼架安裝便捷性的需求。井下的鋼筋護網可采用雙重菱形金屬網，每個網格的直徑可以根據井下實際情況選擇，一般孔徑不小于50 mm，鋼架搭接完成后對其進行噴漿處理，噴漿用的混凝土強度等級不低于C20，噴漿層的厚度不低于110 mm，以完全覆蓋主鋼架為準，第一次噴涂完成后，在外側再增加一層金屬網[6]，然后再次復噴，從而提高中的穩定性，該噴網支護結構如圖3 所示。

圖3 型鋼噴網支護結構示意圖

在初次型鋼噴網支護的集成上，為了滿足結構承受水壓和礦壓波動影響的要求，需求進行鋼筋混凝土加強，建立加固襯砌結構[7]。襯砌混凝土采用拱形結構，在頂部、兩幫和底部均鋪設高強度螺紋鋼。在澆灌時采用C40 混凝土[8]，同時要確保混凝土的厚度不小于40 mm，提高使用過程中的穩定性，該支護結構整體混凝土加強結構如圖4 所示。

圖4 鋼筋混凝土加強結構示意圖

為了確保巷道圍巖的穩定性，在進行初次型鋼噴網支護+鋼筋混凝土加強后，還需要進行壁后充填注漿，其采用了集中注漿的模式，從而確保在噴網層后側填充的可靠性，對壁后的碎石進行充分的加強，避免支護結構在局部集中應力作用下發生破壞。

為了滿足快速注漿的需求，其注漿管徑應不小于35 mm，各個注漿管之間的距離不小于2 m，鋪設時需要保證注漿后，注漿管的管口外漏30 mm 以上，在注漿之前可以利用大直徑的鉆機對注漿孔進行掃孔，避免注漿時對帷幕的破壞，滿足注漿安全性的需求。

針對注漿的實際情況，可采用水玻璃注漿液，同時在其中摻雜4%的硅酸鹽水泥，提高凝固速度和強度，注漿時的壓力保證在2 MPa 即可。

5 應用效果分析

為了對優化后的井下過斷層巷道支護穩定性進行研究，在巷道內設置位移傳感器[9]，分別布置在5個斷面上，對巷道掘進過程中圍巖的穩定性進行研究，結果如圖5 所示。

圖5 監測結果示意圖

由圖5 可知，優化后巷道監測點1 處的變形量最大，約為22 mm，比優化前的67 mm 降低了67.2%，其他斷面的監測結果均小于20 mm，表現出了極高的穩定性。表明初次型鋼噴網支護+鋼筋混凝土加強+二次注漿加固的方案能夠顯著提升了井下巷道過斷層施工時的穩定性和安全性。

6 結 論

1）瞬變電磁探測的方案具有操作便捷、精確性高的優點，能夠將井下地質勘探周期降低89.4%，顯著的提升了井下地質勘探的效率和安全性。

2）采用TSP 物探的方案能夠實現快速的對井下圍巖狀態的勘探，精度高、可靠性好，能夠為優化井下巷道支護結構，提高巷道穩定性奠定基礎。

3）保證注漿加固的效率和可靠性，注漿料需要按照先低密度灌漿液再高密度灌漿液的方式進行灌注，從而保證灌漿液對巖層深處巖石裂隙的滲透效果。

4）初次型鋼噴網支護+鋼筋混凝土加強+二次注漿加固的方案能夠將井下巷道變形量降低67.2%，對提升煤礦井下巷道過斷層穩定性具有十分重要的意義。