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)有限責任公司裴溝煤礦, 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)有限責任公司裴溝煤礦, 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)定性評價與支護的重要參數之一。為了探究高應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)為地質背景，采用地質雷達方法通過現(xiàn)場實測，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，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位置范圍具有較大差異性。研究結果對42采區(qū)巷道圍巖支護類型的選擇及安全生產具有較強的參考價值。

深部軟巖巷道；圍巖松動圈；地質雷達

巷道開挖過程中由于應力集中和卸壓作用使靠近開挖面的圍巖將產生新的破裂帶，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條件和施工方法有關[1]。圍巖松動圈形狀及變化范圍對巷道支護方式選擇具有重要的指導作用，通常需要在典型斷面進行松動圈實測。巷道圍巖松動圈探測方法較多，各有優(yōu)缺點[2]。常用方法主要有地質雷達法[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?？紤]地質雷達具有設備攜帶輕便、操作簡單迅速、能夠現(xiàn)場實時成像和數據圖像處理比較方便等優(yōu)點[2]，本次研究中選擇地質雷達法對新密煤田裴溝煤礦深部延伸42采區(qū)下山典型斷面進行圍巖松動圈探測。

1 地質雷達測試圍巖松動圈基本原理

地質雷達是一種無損連續(xù)檢測，具有高分辨率和高精度優(yōu)點。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，經完整巖體與裂隙巖體的分界面反射后被另一設備接收，通過記錄電磁反射波信號的強弱及到達時間來判定圍巖松動圈的范圍大小。

由于開挖擾動，圍巖內部產生宏觀裂隙，地質雷達發(fā)出的電磁波沿著巷道斷面進行掃描，當遇到破碎巖體時波形表現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)；當經過裂隙與完整界面時，會引起很強的反射，從而可根據反射波形成的圖像特征來確定巷道圍巖松動圈。

大量實測結果表明[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，地質雷達的天線頻率與探測深度成反比，和探測精度成正比[5]。為調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雷達的各種工作?？紤]到42采區(qū)下山巷道內部金屬物和電磁干擾多，本次地質雷達測試選用250 MHz屏蔽天線對巷道進行圍巖松動圈探測。

2 探測段概況

楊河煤業(yè)42采區(qū)作為礦井生產接替的重要采區(qū)，服務年限較長。42采區(qū)3條下山斜坡埋藏較深，并受到滑動構造的影響，是典型的軟巖巷道。已開拓的3條下山巷道變形均很嚴重，其中軌道下山巷道變形嚴重影響了42采區(qū)的正常運輸及架空乘人裝置的運行。為保障42采區(qū)安全生產和運輸便利，特對42軌道下山斜坡變形嚴重段進行卸壓支護技術研究，以保證42軌道下山在其服務年限內正常使用，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容。

42軌道下山試驗段頂板標高在-279.7～-360.3 m之間，考慮地表標高，實際埋深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算，所受原巖垂直應力約15.0 MPa(<20 MPa)。根據42軌道下山試驗段巷道掘進期間繪制的實測地質剖面，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軌27往下至測點軌31點180 m內巷道巖性以泥巖為主，普氏系數為2～4，硬度較軟，因此在支護后易產生變形；測點軌31點附近揭露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，普氏系數為8，巖性較硬。在試驗段巷道內存在F7、F8兩條斷層，影響范圍內節(jié)理裂隙極為發(fā)育，易破碎，圍巖整體性差。由于斷層構造影響使巷道圍巖應力水平大幅升高，若構造影響應力集中系數按2～3考慮，則巷道圍巖應力水平高達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 探測結果與分析

根據經驗，為有效抑制斷面起伏和巷道內金屬網帶來的干擾，在松動圈探測中采用低通濾波數據處理手段，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的探測結果進行分析(見圖1)。

(1) 泥巖段。典型斷面1處巷道圍巖泥巖的雷達探測剖面如圖2所示，圖中橫坐標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；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。根據地質雷達探測圖像，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探測的雷達剖面如圖4所示，圖中橫坐標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?，?.3～2.3 m范圍內，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。根據地質雷達探測圖像，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)雷達探測圖像

圖5 典型斷面2(灰?guī)r)圍巖松動圈

4 結 論

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

(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。

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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與管理工作，Email：272175444@qq.com。