03#層二采區北翼軌道巷超前地質探測及支護技術研究

崔 凱 郝 勇

（長治三元中能煤業有限公司，山西 長治 046000）

礦井深部巷道掘進受礦壓、涌水、火災威脅，超前地質探測尤為重要[1-2]。下霍礦03#層開采深度大，位于奧灰水承壓區范圍內，生產過程中可能會出現隱伏性斷層或陷落柱等構造，造成礦井發生突水事故。巷道掘進前應對巷道地質條件進行超前探測，明確前方斷層、陷落柱等地質構造的大小和位置，并根據探測情況，確定合理的支護參數，保證巷道的安全掘進[3-4]。為保證巷道的掘進安全，下霍礦提出采用DTC-150 超前探測系統進行探測，該系統受環境影響小、探測精度高、現場探測效果好[5-6]。

1 概況

下霍礦03#層二采區北翼軌道大巷北為實體煤，東接北回1號橫貫，東為北翼皮帶大巷，西為實體煤。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、砂質泥巖，底板為砂質泥巖、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水裂隙以及斷層構造，容易溝通導水裂隙帶內及其他裂隙含水層，造成礦井涌水。地質構造是礦井發生涌水的主要因素，為保證巷道的安全掘進，需要對地質構造進行超前探測，明確斷層、陷落柱等構造具體位置。

2 DTC-150 超前探測分析

2.1 超前探測機理

DTC-150 超前探測是利用多波多分量反射波確定地質構造位置，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點發射地震波，地震波能夠在煤巖介質中傳遞，當遇到斷層、陷落柱等地質構造時會產生反射波，通過布置接收器接收反射波，并分析其速率、振幅等參數，確定構造的位置和大小。

圖1 超前探測機理

2.2 超前探測系統布置

利用DTC-150 系統探測北翼軌道大巷前方150 m 范圍內地質構造，在巷道側壁布置24 個激發點，間距1.5 m，高度1 m，第1 個激發點布置在距迎頭5 m位置。在第24個激發點后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。具體布置情況如圖2。

圖2 軌道大巷探測系統布置示意圖（m）

2.3 超前探測結果分析

通過分析反射波信號參數，得到縱波、橫波偏移情況。根據反射縱橫波偏移情況，北翼軌道大巷迎頭前68～85 m、120～138 m 范圍內可能存在地質構造，迎頭前65～75 m、100～110 m、120～140 m 范圍內可能存在地質構造。由于受井下環境等因素的影響，探測結果可能有偶然性。為了更加精準確定巷道前方地質構造情況，需要進一步分析反射波參數。

2.3.1 縱橫波速度分析

巷道掘進后受垂直應力影響，圍巖會產生裂隙，尤其是在地質構造區域，裂隙的數量和程度會更嚴重。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，該范圍內縱橫波速度變化較快，表明該范圍內可能存在地質構造。

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，可以確定破壞發生的巖層性質。煤巖體密度與縱橫波傳播速度呈非線性正相關，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，表明該范圍內煤層出現破碎帶。在迎頭前方136～138 m 范圍，圍巖密度減小，且減小速率快，表明該范圍內存在地質構造。結合其他探測結果，可以確定該范圍內存在小型斷層。

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，當煤巖體裂隙增加時，縱波速度增加量遠大于橫波速度增加量，縱橫波速度之比增加。當煤巖體裂隙減小時，縱波速度增加量遠小于橫波速度增加量，縱橫波速度之比減小。同樣，泊松比變化規律與速度之比規律相同。根據這一特性，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，縱橫波速度比值和泊松比值均增大，表明該區域內煤巖體裂隙增大，煤巖體較為破碎。巷道在迎頭前方136～138 m 范圍內，縱橫波速度比值和泊松比值增加速度快，表明該區域煤巖體破碎程度大，推斷該區域存在斷層構造。

3 支護技術研究

根據超前探測結果可知，北翼軌道大巷迎頭前方65～75 m 范圍內煤巖體較為破碎，迎頭前方136～138 m 范圍內存在斷層構造。該區域巷道掘進后，圍巖穩定性差，原設計的支護方式已不足以保證巷道圍巖的穩定性，需進行補強支護，保證巷道圍巖的完整性。

3.1 原支護參數

原設計采用錨桿+錨網+鋼筋梯子梁進行聯合支護，支護參數見表1。

表1 北翼軌道大巷原支護參數 mm

巷道迎頭前方65～75 m、136～138 m 范圍內煤巖體破碎，在原支護措施的前提下，需要進一步補強支護。

3.2 補強支護參數

采用單體液壓支柱+工字鋼進行補強支護，棚間距為2 m，支護示意圖如圖6。補強支護選用DW28-250/100 的單體液壓支柱，11#鋼材工字鋼。

圖6 北翼軌道大巷補強支護示意圖（mm）

3.3 注漿加固

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

表2 注漿設備及參數

北翼軌道大巷在頂板布置4 個、兩幫各布置3個注漿鉆孔，注漿參數見表3。

表3 北翼軌道大巷注漿參數

4 支護效果檢驗

北翼軌道大巷補強支護后，在巷道頂板布置3組頂板動態儀監測圍巖變形量，監測結果見表4。

表4 北翼軌道大巷監測圍巖變形量 mm

由表4 可知，北翼軌道大巷支護后，巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在安全范圍。補強支護+注漿加固能夠保證巷道圍巖的穩定性，避免礦井發生頂板涌水事故。

5 結論

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

（2）針對巷道掘進后煤巖體破碎情況，在原設計的錨桿+錨網+鋼筋梯子梁支護基礎上，采用單體液壓支柱+工字鋼進行補強支護。為保證掘進后巷道圍巖的完整性，采用注漿加固巷道圍巖。通過監測巷道圍巖變形量可知，支護后圍巖變形量在安全范圍內，支護效果良好。