03#层二采区北翼轨道巷超前地质探测及支护技术研究

崔 凯 郝 勇

（长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046000）

矿井深部巷道掘进受矿压、涌水、火灾威胁，超前地质探测尤为重要[1-2]。下霍矿03#层开采深度大，位于奥灰水承压区范围内，生产过程中可能会出现隐伏性断层或陷落柱等构造，造成矿井发生突水事故。巷道掘进前应对巷道地质条件进行超前探测，明确前方断层、陷落柱等地质构造的大小和位置，并根据探测情况，确定合理的支护参数，保证巷道的安全掘进[3-4]。为保证巷道的掘进安全，下霍矿提出采用DTC-150 超前探测系统进行探测，该系统受环境影响小、探测精度高、现场探测效果好[5-6]。

1 概况

下霍矿03#层二采区北翼轨道大巷北为实体煤，东接北回1号横贯，东为北翼皮带大巷，西为实体煤。北翼轨道大巷布置于3#煤层，平均厚度5.01 m。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩、粉砂岩。煤层直接充水水源为其顶板砂岩裂隙水，由于开采时形成的导水裂隙以及断层构造，容易沟通导水裂隙带内及其他裂隙含水层，造成矿井涌水。地质构造是矿井发生涌水的主要因素，为保证巷道的安全掘进，需要对地质构造进行超前探测，明确断层、陷落柱等构造具体位置。

2 DTC-150 超前探测分析

2.1 超前探测机理

DTC-150 超前探测是利用多波多分量反射波确定地质构造位置，其作用原理如图1。

由图1 可知，DTC-150 超前探测是通过在巷道布置的激发点发射地震波，地震波能够在煤岩介质中传递，当遇到断层、陷落柱等地质构造时会产生反射波，通过布置接收器接收反射波，并分析其速率、振幅等参数，确定构造的位置和大小。

图1 超前探测机理

2.2 超前探测系统布置

利用DTC-150 系统探测北翼轨道大巷前方150 m 范围内地质构造，在巷道侧壁布置24 个激发点，间距1.5 m，高度1 m，第1 个激发点布置在距迎头5 m位置。在第24个激发点后15 m位置布置接收孔，孔深2 m，直径42 mm，并将地震波信号接收器放入接收孔内。具体布置情况如图2。

图2 轨道大巷探测系统布置示意图（m）

2.3 超前探测结果分析

通过分析反射波信号参数，得到纵波、横波偏移情况。根据反射纵横波偏移情况，北翼轨道大巷迎头前68～85 m、120～138 m 范围内可能存在地质构造，迎头前65～75 m、100～110 m、120～140 m 范围内可能存在地质构造。由于受井下环境等因素的影响，探测结果可能有偶然性。为了更加精准确定巷道前方地质构造情况，需要进一步分析反射波参数。

2.3.1 纵横波速度分析

巷道掘进后受垂直应力影响，围岩会产生裂隙，尤其是在地质构造区域，裂隙的数量和程度会更严重。在纵横波传播过程中，裂隙度影响传播速度，通过纵横波传播速度，可以确定岩层破碎带。北翼轨道大巷纵横波传播速度如图3。

由图3 可知，北翼轨道大巷迎头前方65～75 m范围，纵横波速度减小，由此可知巷道在该范围内岩层存在破碎带。在迎头前方136～138 m 范围，纵横波速度又开始减小，该范围内纵横波速度变化较快，表明该范围内可能存在地质构造。

图3 纵横波传播速度示意图

2.3.2 围岩密度变化分析

煤岩体密度不同，相对于岩层而言，煤层密度、速率都比较低，通过分析密度变化情况，可以确定破坏发生的岩层性质。煤岩体密度与纵横波传播速度呈非线性正相关，如图4。

图4 煤岩体密度变化示意图

由图5 可知，北翼轨道大巷迎头前方65～75 m范围，围岩密度减小，表明该范围内煤层出现破碎带。在迎头前方136～138 m 范围，围岩密度减小，且减小速率快，表明该范围内存在地质构造。结合其他探测结果，可以确定该范围内存在小型断层。

2.3.3 纵横波速比和泊松比分析

纵横波在煤岩体传播过程中速度不同，当煤岩体裂隙增加时，纵波速度增加量远大于横波速度增加量，纵横波速度之比增加。当煤岩体裂隙减小时，纵波速度增加量远小于横波速度增加量，纵横波速度之比减小。同样，泊松比变化规律与速度之比规律相同。根据这一特性，得到纵横波速度比和泊松比示意图如图5。

图5 纵横波速度比和泊松比示意图

由图5 可知，北翼轨道大巷在迎头前方65～75 m 范围内，纵横波速度比值和泊松比值均增大，表明该区域内煤岩体裂隙增大，煤岩体较为破碎。巷道在迎头前方136～138 m 范围内，纵横波速度比值和泊松比值增加速度快，表明该区域煤岩体破碎程度大，推断该区域存在断层构造。

3 支护技术研究

根据超前探测结果可知，北翼轨道大巷迎头前方65～75 m 范围内煤岩体较为破碎，迎头前方136～138 m 范围内存在断层构造。该区域巷道掘进后，围岩稳定性差，原设计的支护方式已不足以保证巷道围岩的稳定性，需进行补强支护，保证巷道围岩的完整性。

3.1 原支护参数

原设计采用锚杆+锚网+钢筋梯子梁进行联合支护，支护参数见表1。

表1 北翼轨道大巷原支护参数 mm

巷道迎头前方65～75 m、136～138 m 范围内煤岩体破碎，在原支护措施的前提下，需要进一步补强支护。

3.2 补强支护参数

采用单体液压支柱+工字钢进行补强支护，棚间距为2 m，支护示意图如图6。补强支护选用DW28-250/100 的单体液压支柱，11#钢材工字钢。

图6 北翼轨道大巷补强支护示意图（mm）

3.3 注浆加固

根据超前探测情况，北翼轨道大巷迎头前方65～75 m、136～138 m 范围内围岩较为破碎，掘进后为保证顶板岩层的完整性，对围岩进行注浆加固，避免发生涌水事故。注浆设备及参数见表2。

表2 注浆设备及参数

北翼轨道大巷在顶板布置4 个、两帮各布置3个注浆钻孔，注浆参数见表3。

表3 北翼轨道大巷注浆参数

4 支护效果检验

北翼轨道大巷补强支护后，在巷道顶板布置3组顶板动态仪监测围岩变形量，监测结果见表4。

表4 北翼轨道大巷监测围岩变形量 mm

由表4 可知，北翼轨道大巷支护后，巷道顶板下沉量和两帮移近量均在安全范围。补强支护+注浆加固能够保证巷道围岩的稳定性，避免矿井发生顶板涌水事故。

5 结论

（1）北翼轨道大巷直接充水水源为顶板砂岩裂隙水，受地质构造影响，顶板裂隙发育沟通含水层，容易造成矿井涌水。采用DTC-150 超前探测技术，得到巷道迎头前方65～75 m 范围内煤岩体较为破碎，迎头前方136～138 m 范围内存在断层构造。

（2）针对巷道掘进后煤岩体破碎情况，在原设计的锚杆+锚网+钢筋梯子梁支护基础上，采用单体液压支柱+工字钢进行补强支护。为保证掘进后巷道围岩的完整性，采用注浆加固巷道围岩。通过监测巷道围岩变形量可知，支护后围岩变形量在安全范围内，支护效果良好。