斷層破碎帶注漿加固穩定性綜合測試

黨保全, 郭立全, 陳國軍, 葉贊, 程銳

(1. 淮河能源集團煤業分公司通防地質技術部, 淮南 232000; 2. 安徽理工大學地球與環境學院, 淮南 232001; 3.淮河能源集團煤業分公司潘二煤礦, 淮南 232000)

斷層破碎帶因煤巖層采動影響常發生活化現象，引發礦井突水、沖擊地壓、煤與瓦斯突水等地質災害問題。據不完全統計，超過80%以上的礦井突水等動力災害均與斷層活化有關[1]。

目前，針對工作面、掘進巷道等過斷層和破碎巖體控制技術，相關學者開展了大量的研究。王晉[2]、張景公[3]針對山西某礦工作面過斷層地質問題，為了確保工作面回采安全，采用撞鍥超前支護技術在斷層上盤區域進行超前注漿加固，在上盤底板區域進行松動爆破，現場取得了顯著的效果。史之印等[4]通過對斷層產狀和落差的分析，提出層位控制、斷層破碎區鋪設金屬網等措施，保證了綜放工作面的安全生產。皺青林[5]針對4206工作面斷層等地質構造影響問題，采用固特隴(GN-4型)等進行注漿加固措施，有效解決了斷層煤巖體穩定性問題，提高了頂板冒落及片幫控制效果。李俊友[6]針對工作面過斷層破碎帶問題，提出采用超前支護等技術對破碎帶頂板冒落進行加固。郭龍龍[7]針對綜采工作面過斷層技術問題，認為采用傳統木柱支設等方法將大大降低工作面回采效率，提出采用走向前探梁吊棚+撞楔超前支護，成果較為顯著。張永[8]在分析破碎巖體冒落注漿加固機理的基礎上，提出了預防斷層破碎帶頂板垮落的超前深孔注漿加固技術，實測效果良好。焦小健等[9]針對大采深綜放工作面，提出松動爆破、深孔注水和頂板加固綜合技術治理工作面過斷層帶。史彥明[10]針對南煤集團某工作面斷層破碎帶區域，采用超前預注漿聯合架前注漿方案，并采用鉆孔窺視對破碎帶區域注漿加固效果進行檢驗分析，結果表明注漿技術良好。

綜上分析可見，針對工作面及巷道過斷層帶及破碎巖體地質問題，研究人員主要采用鉆孔超前注漿和預支護等手段進行綜合治理，但是對于破碎巖體注漿加固后穩定性評價研究鮮有人涉足。基于此，現針對潘二煤礦F1斷層破碎帶注漿加固穩定性，主要采用鉆孔光纖及電法綜合手段進行全周期動態監測。

1 工程概況

潘二礦資源整合工程通過-650 m東翼軌道大巷和-530～-650 m膠帶機斜巷實現潘二本井與潘四東井資源整合。但兩條巷道均需穿過F1斷層帶(斷層落差為H)，給巷道掘進安全與運維帶來威脅，如圖1所示。

圖1 工程概況平面圖Fig.1 Project overview plan

根據勘探揭露情況，F1斷層帶巖芯多破碎嚴重，泥巖揉搓現象明顯，見較多裂隙，局部裂隙被方解石脈充填。斷層破碎帶厚度較大，斷層帶發育，受擠壓力強。破碎帶巖石膠結程度一般，其兩盤多為軟柔性巖石。

巷道開挖將使得圍巖體應力重新分布，為了巷道掘進安全生產，目前已完成F1斷層帶地面注漿治理工程。同時為了探查F1斷層帶附近富水性、驗證和評價地面注漿效果，以及監測巷道在施工過程中及初步運維階段F1斷層帶活化變形規律，開展了過F1斷層帶井下綜合物探監測探測工程。

2 監測方法原理

2.1 光纖傳感測試

鉆孔光纖采用分布式光纖傳感測試技術中的布里淵光時域反射技術(Brillouin optical time-domain reflectometer, BOTDR)進行監測，由解調儀發出的脈沖光注入光纖后，光子與光纖中的聲子發生彈性和非彈性碰撞，與脈沖光傳播的相反方向會產生布里淵散射光。布里淵散射光對測試環境中的應變和溫度雙重敏感，當某一點的應變或溫度發生變化，將導致該點布里淵頻移變化。通過布里淵頻移變化量可求得應變和溫度變化量，布里淵頻移與兩者的關系式[11-14]為

νB(ε,T)=νB(0)+Cεε+CTT

(1)

式(1)中：νB(ε,T)為應變ε和溫度T雙重影響下的布里淵頻移量；νB(0)為初始狀態下布里淵頻移量；Cε為布里淵頻移的應變系數，為0.05 MHz/με；CT為布里淵頻移的溫度系數，為1.1 MHz/με。

2.2 電阻率法測試

鉆孔電阻率法基于高密度電阻率法工作原理，采用分布式并行智能電極電位差信號采集方法和系統進行數據的采集和解譯。高密度電阻率法只需將全部電極置于觀測剖面的各測點上，然后利用程控電極轉換裝置和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集，當將測量結果送入微機后，還可對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種圖示結果[15]。并行電法測試系統根據供電點場源不同將采集方式分為AM法與ABM法兩種[16-18]，工作原理如圖2所示。

3 監測方案

3.1 監測孔的布置

根據此次探查任務和施工條件，在-530～-650 m膠帶機斜巷布設2個斷面的巖層破壞鉆孔監測系統(包括光纖、電法兩種方法)。監測斷面的位置在膠帶機斜巷PD77點前38 m附近，分左右2個鉆場斷面進行施工。其中，在左鉆場施工頂板仰孔F3-3#，底板俯孔F3-2#；右鉆場施工頂板仰孔F3-1#、平孔F3-4#，鉆孔示意圖如圖3所示。測試過程在斷面位置設計監測基站，開展膠帶機斜巷掘進及貫通后對F1斷層帶附近巖層穩定性影響的監測研究。如圖3(b)所示，兩個斷面的4個鉆孔均布設在F1斷層破碎帶一定深度范圍內，其中F3-1#鉆孔設計孔深100 m，仰角27°，方位角148°；F3-2#鉆孔設計孔深100 m，俯角-3°，方位角148°；F3-3#鉆孔深度設計100 m，仰角12°，方位角133°；F3-4#鉆孔設計孔深100 m，平角0°，方位角178°。由此可見，4個不同方位的鉆孔形成一個立體監測空間，可對同一階段內膠帶機斜巷附近F1斷層破碎帶的結構穩定性進行良好的評價。

圖2 并行電法工作原理圖Fig.2 Working principle of parallel electrical

3.2 數據采集與分析

2020年3月26日開始監測數據，前期數據采集頻率為3～4 d采集1次監測數據，5月20日膠帶機斜巷整條巷道順利貫通，初步實現了潘二與潘四東資源整合。巷道貫通后至6月22日，數據采集頻率仍然為3～4 d采集1次數據，數據穩定后，采集頻率為15 d左右采集1次。膠帶機斜巷掘進速率及部分采集周期如表1所示。數據初次采集時，膠帶機巷道掘進迎頭位置為PD78+25 m，采用首次采集數據作為數據背景值。隨巷道不斷掘進，獲得至巷道貫通后的動態數據。獲得了巷道掘進影響前背景數據、巷道穿過斷層影響帶巖層變形開始至變形形成、巷道貫通后巖層趨于穩定狀態的應變場、電場數據。可見，監測鉆孔可獲取膠帶機斜巷貫通前、貫通中和貫通后的全周期數據。同時，光纖和電法數據奇異點較少，數據整體質量較高，保證了數據的科學性和可靠性。

圖3 -530～-650 m膠帶機斜巷F1斷層監測孔示意圖Fig.3 Schematic diagram of F1 fault monitoring borehole in -530 ～ -650 m inclined transportation roadway

表1 巷道迎頭位置及部分監測周期Table 1 Roadway head-on position and partial monitoring cycle

4 監測數據分析

4.1 應變場數據分析

下面以F3-1#鉆孔為例進行重點分析。自2020年4月17日—2020年12月15日，共采集89組應變數據。根據對監測斷面位置鉆孔不同深度的光纖應變測試結果分析，獲得監測周期內的觀測結果，以此對F1斷層帶附近富水性、驗證和評價地面注漿效果進行探查，以及監測巷道在施工過程中及初步運維階段F1斷層帶活化變形規律。如圖4所示為右鉆場F3-1#仰孔監測期間孔內光纜的應變分布圖[19]。由圖4可得，監測期間孔內光纜不同位置呈現不同的應變特征，有拉應變，也有壓應變，總體以拉應變為主。其中，拉應變最大位于孔深16.95 m的位置，應變值達到1 227 με，此時距離巷道貫通還剩25.9 m。最大壓應變位于孔深29.2 m的位置，約-365 με。

為了利用光纜應變更好地分析鉆孔控制范圍內巖層變形破壞情況，將應變曲線附加在地質剖面圖上進行相關分析，如圖5所示。鉆孔控制范圍內主要包含兩類地質體，一類是F1斷層破碎帶，一類是煤層和砂質泥巖等正常巖性。巷道貫通前后，兩類地質體的應變變化具有明顯的差異性。其中，F1斷層破碎帶內巖層由于經過地面注漿加固等措施，改變了原有的破碎巖層特性，主要以混凝土塊體為主，彈性模量明顯增大，因此應變變化量相對煤層和砂質泥巖等正常巖性較小。由此說明，F1斷層破碎帶經過地面注漿加固后巖層的完整性得以改善，巖石力學性質中的抗壓、抗拉強度明顯增強。

圖4 F3-1#鉆孔應變分布Fig.4 Strain distribution of F3-1# borehole

4.2 地電場數據分析

井下電法數據采集時間，自2020年3月26日—2020年9月20日，共采集數據264組數據。根據探測剖面的電性參數分布特征對斷層帶內巖層變形與破壞規律進行分析，對F1斷層帶附近富水性進行探查、驗證和評價地面注漿效果，以及監測巷道在施工過程中及初步運維階段F1斷層帶活化變形規律。

由圖6(a)可以看出，整體視電阻率背景值較高，且視電阻率等值線較為紊亂，部分區域內視電阻率較低，視電阻率等值線結果的這些特征符合經過注漿后的斷層破碎帶視電阻率特征。視電阻率表現較高的部分為經過注漿后的斷層破碎帶，主要是混凝土表現出高阻特征；視電阻率較低區域是砂、泥巖以及裂隙水表現出的特征。鉆孔控制范圍內大部分區域圍巖電阻率值表現較高，說明該段范圍內斷層破碎帶經地面注漿后，大部分破碎區域均被漿液充填，整體注漿效果好。圖6(b)顯示鉆孔內高阻區域范圍進一步擴大，說明觀測范圍巖層受巷道掘進影響，圍巖應力發生重分布，進而影響到該范圍內視電阻率值，與應變變化趨勢基本一致。巷道貫通后，如圖6(c)所示，圍巖應力重分布現象達到最大化，孔內視電阻率值絕大部分均表現為高阻特征，應力的重分布影響到鉆孔內圍巖的視電阻率值。隨著巷道圍巖應力的二次平衡，鉆孔內圍巖的視電阻率值基本又恢復到原有的阻值范圍內，如圖6(d)所示。

圖5 F3-1#鉆孔巖層應變曲線變化Fig.5 Strain curve change of rock stratum in F3-1# borehole

圖6 F3-1#孔視電阻率結果Fig.6 Apparent resistivity result of F3-1# borehole

4.3 斷層穩定性評價

從F3-1#監測孔傳感光纜的應變分布及電阻率變化特征可以看出，隨著巷道的掘進，斷層破碎帶及圍巖逐步發生變形、破壞等現象，使得光纜在相應位置發生拉壓變化、彎折，同時電阻率值相應的增高和降低。通過F3-1#鉆孔內光纜應變分布特征及電阻率變化規律，初步判定斷層破碎帶經地面注漿加固后穩定性得到有效提高，巷道貫通前后斷層活化程度較低。

為了有效評價斷層破碎帶在膠帶機斜巷貫通前后的穩定性特征，選取右鉆場F3-1#和左鉆場F3-2#鉆孔應變數據進行綜合分析。如圖7為鉆孔控制范圍內巖層應變的動態變化特征，將監測周期內的應變曲線進行二維平面化展示。由圖7可見，監測周期內正常巖性與斷層破碎帶內的應變變化具有明顯的差異性。巷道貫通前，F3-1#鉆孔控制的斷層破碎帶范圍內應變以拉應變為主，而F3-2#鉆孔控制斷層破碎帶內有拉有壓，同時在巷道貫通前一定時期均出現過拉應變極值。但是隨著巷道的開挖及貫通后經過7個月的有效運維，使得鉆孔控制范圍內的光纜應變均處于穩定的狀態。由此說明，初步運維階段F1斷層帶的活化程度較低，基本處于穩定的狀態。

圖7 鉆孔應變變化時空分布Fig.7 Temporal and spatial distribution of borehole strain change

同時，通過11月20日和12月20日F3-1#鉆孔的視電阻率結果圖可以發現，如圖8所示，巷道貫通后近7個月的時間，監測孔視電阻率分布特征一致，表明F1斷層破碎帶及圍巖已基本穩定，無明顯擾動影響現象。

圖8 巷道貫通后F3-1#孔視電阻率結果Fig.8 Apparent resistivity results of F3-1# borehole after roadway connection

5 結論

基于斷層破碎帶注漿加固后穩定性監測，提出了采用鉆孔光纖和電阻率法綜合測試手段對巷道掘進期間F1斷層穩定性及注漿效果進行綜合評價，主要有以下幾點結論。

(1)鉆孔光纖及電阻率法綜合監測手段具有良好的感知性能，滿足斷層破碎帶注漿加固穩定性監測要求。

(2)根據鉆孔光纜應變分布特征及電阻率響應變化規律，結合巖性地質剖面情況，可以判斷巷道掘進及貫通期間，F1斷層活化程度較低，注漿加固效果良好，基本滿足安全生產要求。

(3)注漿加固后斷層破碎帶的物性特征及力學性質明顯改變，與正常巖性段具有較大差異。

總之，采用鉆孔光纖和電阻率綜合技術手段，可以實現在巷道掘進期間對斷層破碎帶穩定性及注漿加固效果進行全周期動態測試，為巷道圍巖穩定性提供了一種新型的測試手段。