斷層破碎帶注漿加固穩(wěn)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(tuán)煤業(yè)分公司通防地質(zhì)技術(shù)部, 淮南 232000; 2. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 淮南 232001; 3.淮河能源集團(tuán)煤業(yè)分公司潘二煤礦, 淮南 232000)

斷層破碎帶因煤巖層采動(dòng)影響常發(fā)生活化現(xiàn)象，引發(fā)礦井突水、沖擊地壓、煤與瓦斯突水等地質(zhì)災(zāi)害問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，超過80%以上的礦井突水等動(dòng)力災(zāi)害均與斷層活化有關(guān)[1]。

目前，針對工作面、掘進(jìn)巷道等過斷層和破碎巖體控制技術(shù)，相關(guān)學(xué)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(zhì)問題，為了確保工作面回采安全，采用撞鍥超前支護(hù)技術(shù)在斷層上盤區(qū)域進(jìn)行超前注漿加固，在上盤底板區(qū)域進(jìn)行松動(dòng)爆破，現(xiàn)場取得了顯著的效果。史之印等[4]通過對斷層產(chǎn)狀和落差的分析，提出層位控制、斷層破碎區(qū)鋪設(shè)金屬網(wǎng)等措施，保證了綜放工作面的安全生產(chǎn)。皺青林[5]針對4206工作面斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響問題，采用固特隴(GN-4型)等進(jìn)行注漿加固措施，有效解決了斷層煤巖體穩(wěn)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(hù)等技術(shù)對破碎帶頂板冒落進(jìn)行加固。郭龍龍[7]針對綜采工作面過斷層技術(shù)問題，認(rèn)為采用傳統(tǒng)木柱支設(shè)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(hù)，成果較為顯著。張永[8]在分析破碎巖體冒落注漿加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)防斷層破碎帶頂板垮落的超前深孔注漿加固技術(shù)，實(shí)測效果良好。焦小健等[9]針對大采深綜放工作面，提出松動(dòng)爆破、深孔注水和頂板加固綜合技術(shù)治理工作面過斷層帶。史彥明[10]針對南煤集團(tuán)某工作面斷層破碎帶區(qū)域，采用超前預(yù)注漿聯(lián)合架前注漿方案，并采用鉆孔窺視對破碎帶區(qū)域注漿加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明注漿技術(shù)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(zhì)問題，研究人員主要采用鉆孔超前注漿和預(yù)支護(hù)等手段進(jìn)行綜合治理，但是對于破碎巖體注漿加固后穩(wěn)定性評價(jià)研究鮮有人涉足?；诖耍F(xiàn)針對潘二煤礦F1斷層破碎帶注漿加固穩(wěn)定性，主要采用鉆孔光纖及電法綜合手段進(jìn)行全周期動(dòng)態(tài)監(jiān)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(jī)斜巷實(shí)現(xiàn)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(jìn)安全與運(yùn)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(jù)勘探揭露情況，F(xiàn)1斷層帶巖芯多破碎嚴(yán)重，泥巖揉搓現(xiàn)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(fā)育，受擠壓力強(qiáng)。破碎帶巖石膠結(jié)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(yīng)力重新分布，為了巷道掘進(jìn)安全生產(chǎn)，目前已完成F1斷層帶地面注漿治理工程。同時(shí)為了探查F1斷層帶附近富水性、驗(yàn)證和評價(jià)地面注漿效果，以及監(jiān)測巷道在施工過程中及初步運(yùn)維階段F1斷層帶活化變形規(guī)律，開展了過F1斷層帶井下綜合物探監(jiān)測探測工程。

2 監(jiān)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(shù)中的布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(Brillouin optical time-domain reflectometer, BOTDR)進(jìn)行監(jiān)測，由解調(diào)儀發(fā)出的脈沖光注入光纖后，光子與光纖中的聲子發(fā)生彈性和非彈性碰撞，與脈沖光傳播的相反方向會(huì)產(chǎn)生布里淵散射光。布里淵散射光對測試環(huán)境中的應(yīng)變和溫度雙重敏感，當(dāng)某一點(diǎn)的應(yīng)變或溫度發(fā)生變化，將導(dǎo)致該點(diǎn)布里淵頻移變化。通過布里淵頻移變化量可求得應(yīng)變和溫度變化量，布里淵頻移與兩者的關(guān)系式[11-14]為

νB(ε,T)=νB(0)+Cεε+CTT

(1)

式(1)中：νB(ε,T)為應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟萒雙重影響下的布里淵頻移量；νB(0)為初始狀態(tài)下布里淵頻移量；Cε為布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)，為0.05 MHz/με；CT為布里淵頻移的溫度系數(shù)，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(hào)采集方法和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，當(dāng)將測量結(jié)果送入微機(jī)后，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果[15]。并行電法測試系統(tǒng)根據(jù)供電點(diǎn)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(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測孔的布置

根據(jù)此次探查任務(wù)和施工條件，在-530～-650 m膠帶機(jī)斜巷布設(shè)2個(gè)斷面的巖層破壞鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)(包括光纖、電法兩種方法)。監(jiān)測斷面的位置在膠帶機(jī)斜巷PD77點(diǎn)前38 m附近，分左右2個(gè)鉆場斷面進(jìn)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(shè)計(jì)監(jiān)測基站，開展膠帶機(jī)斜巷掘進(jìn)及貫通后對F1斷層帶附近巖層穩(wěn)定性影響的監(jiān)測研究。如圖3(b)所示，兩個(gè)斷面的4個(gè)鉆孔均布設(shè)在F1斷層破碎帶一定深度范圍內(nèi)，其中F3-1#鉆孔設(shè)計(jì)孔深100 m，仰角27°，方位角148°；F3-2#鉆孔設(shè)計(jì)孔深100 m，俯角-3°，方位角148°；F3-3#鉆孔深度設(shè)計(jì)100 m，仰角12°，方位角133°；F3-4#鉆孔設(shè)計(jì)孔深100 m，平角0°，方位角178°。由此可見，4個(gè)不同方位的鉆孔形成一個(gè)立體監(jiān)測空間，可對同一階段內(nèi)膠帶機(jī)斜巷附近F1斷層破碎帶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行良好的評價(jià)。

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

3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

2020年3月26日開始監(jiān)測數(shù)據(jù)，前期數(shù)據(jù)采集頻率為3～4 d采集1次監(jiān)測數(shù)據(jù)，5月20日膠帶機(jī)斜巷整條巷道順利貫通，初步實(shí)現(xiàn)了潘二與潘四東資源整合。巷道貫通后至6月22日，數(shù)據(jù)采集頻率仍然為3～4 d采集1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，采集頻率為15 d左右采集1次。膠帶機(jī)斜巷掘進(jìn)速率及部分采集周期如表1所示。數(shù)據(jù)初次采集時(shí)，膠帶機(jī)巷道掘進(jìn)迎頭位置為PD78+25 m，采用首次采集數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)背景值。隨巷道不斷掘進(jìn)，獲得至巷道貫通后的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。獲得了巷道掘進(jìn)影響前背景數(shù)據(jù)、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(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)變場、電場數(shù)據(jù)?？梢?，監(jiān)測鉆孔可獲取膠帶機(jī)斜巷貫通前、貫通中和貫通后的全周期數(shù)據(jù)。同時(shí)，光纖和電法數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)較少，數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較高，保證了數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性。

圖3 -530～-650 m膠帶機(jī)斜巷F1斷層監(jiān)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(jiān)測周期Table 1 Roadway head-on position and partial monitoring cycle

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 應(yīng)變場數(shù)據(jù)分析

下面以F3-1#鉆孔為例進(jìn)行重點(diǎn)分析。自2020年4月17日—2020年12月15日，共采集89組應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)對監(jiān)測斷面位置鉆孔不同深度的光纖應(yīng)變測試結(jié)果分析，獲得監(jiān)測周期內(nèi)的觀測結(jié)果，以此對F1斷層帶附近富水性、驗(yàn)證和評價(jià)地面注漿效果進(jìn)行探查，以及監(jiān)測巷道在施工過程中及初步運(yùn)維階段F1斷層帶活化變形規(guī)律。如圖4所示為右鉆場F3-1#仰孔監(jiān)測期間孔內(nèi)光纜的應(yīng)變分布圖[19]。由圖4可得，監(jiān)測期間孔內(nèi)光纜不同位置呈現(xiàn)不同的應(yīng)變特征，有拉應(yīng)變，也有壓應(yīng)變，總體以拉應(yīng)變?yōu)橹?。其中，拉?yīng)變最大位于孔深16.95 m的位置，應(yīng)變值達(dá)到1 227 με，此時(shí)距離巷道貫通還剩25.9 m。最大壓應(yīng)變位于孔深29.2 m的位置，約-365 με。

為了利用光纜應(yīng)變更好地分析鉆孔控制范圍內(nèi)巖層變形破壞情況，將應(yīng)變曲線附加在地質(zhì)剖面圖上進(jìn)行相關(guān)分析，如圖5所示。鉆孔控制范圍內(nèi)主要包含兩類地質(zhì)體，一類是F1斷層破碎帶，一類是煤層和砂質(zhì)泥巖等正常巖性。巷道貫通前后，兩類地質(zhì)體的應(yīng)變變化具有明顯的差異性。其中，F(xiàn)1斷層破碎帶內(nèi)巖層由于經(jīng)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(yīng)變變化量相對煤層和砂質(zhì)泥巖等正常巖性較小。由此說明，F(xiàn)1斷層破碎帶經(jīng)過地面注漿加固后巖層的完整性得以改善，巖石力學(xué)性質(zhì)中的抗壓、抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

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

4.2 地電場數(shù)據(jù)分析

井下電法數(shù)據(jù)采集時(shí)間，自2020年3月26日—2020年9月20日，共采集數(shù)據(jù)264組數(shù)據(jù)。根據(jù)探測剖面的電性參數(shù)分布特征對斷層帶內(nèi)巖層變形與破壞規(guī)律進(jìn)行分析，對F1斷層帶附近富水性進(jìn)行探查、驗(yàn)證和評價(jià)地面注漿效果，以及監(jiān)測巷道在施工過程中及初步運(yùn)維階段F1斷層帶活化變形規(guī)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(qū)域內(nèi)視電阻率較低，視電阻率等值線結(jié)果的這些特征符合經(jīng)過注漿后的斷層破碎帶視電阻率特征。視電阻率表現(xiàn)較高的部分為經(jīng)過注漿后的斷層破碎帶，主要是混凝土表現(xiàn)出高阻特征；視電阻率較低區(qū)域是砂、泥巖以及裂隙水表現(xiàn)出的特征。鉆孔控制范圍內(nèi)大部分區(qū)域圍巖電阻率值表現(xiàn)較高，說明該段范圍內(nèi)斷層破碎帶經(jīng)地面注漿后，大部分破碎區(qū)域均被漿液充填，整體注漿效果好。圖6(b)顯示鉆孔內(nèi)高阻區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，說明觀測范圍巖層受巷道掘進(jìn)影響，圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，進(jìn)而影響到該范圍內(nèi)視電阻率值，與應(yīng)變變化趨勢基本一致。巷道貫通后，如圖6(c)所示，圍巖應(yīng)力重分布現(xiàn)象達(dá)到最大化，孔內(nèi)視電阻率值絕大部分均表現(xiàn)為高阻特征，應(yīng)力的重分布影響到鉆孔內(nèi)圍巖的視電阻率值。隨著巷道圍巖應(yīng)力的二次平衡，鉆孔內(nèi)圍巖的視電阻率值基本又恢復(fù)到原有的阻值范圍內(nèi)，如圖6(d)所示。

圖5 F3-1#鉆孔巖層應(yīng)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(jié)果Fig.6 Apparent resistivity result of F3-1# borehole

4.3 斷層穩(wěn)定性評價(jià)

從F3-1#監(jiān)測孔傳感光纜的應(yīng)變分布及電阻率變化特征可以看出，隨著巷道的掘進(jìn)，斷層破碎帶及圍巖逐步發(fā)生變形、破壞等現(xiàn)象，使得光纜在相應(yīng)位置發(fā)生拉壓變化、彎折，同時(shí)電阻率值相應(yīng)的增高和降低。通過F3-1#鉆孔內(nèi)光纜應(yīng)變分布特征及電阻率變化規(guī)律，初步判定斷層破碎帶經(jīng)地面注漿加固后穩(wěn)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(jià)斷層破碎帶在膠帶機(jī)斜巷貫通前后的穩(wěn)定性特征，選取右鉆場F3-1#和左鉆場F3-2#鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。如圖7為鉆孔控制范圍內(nèi)巖層應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化特征，將監(jiān)測周期內(nèi)的應(yīng)變曲線進(jìn)行二維平面化展示。由圖7可見，監(jiān)測周期內(nèi)正常巖性與斷層破碎帶內(nèi)的應(yīng)變變化具有明顯的差異性。巷道貫通前，F(xiàn)3-1#鉆孔控制的斷層破碎帶范圍內(nèi)應(yīng)變以拉應(yīng)變?yōu)橹?，而F3-2#鉆孔控制斷層破碎帶內(nèi)有拉有壓，同時(shí)在巷道貫通前一定時(shí)期均出現(xiàn)過拉應(yīng)變極值。但是隨著巷道的開挖及貫通后經(jīng)過7個(gè)月的有效運(yùn)維，使得鉆孔控制范圍內(nèi)的光纜應(yīng)變均處于穩(wěn)定的狀態(tài)。由此說明，初步運(yùn)維階段F1斷層帶的活化程度較低，基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7 鉆孔應(yīng)變變化時(shí)空分布Fig.7 Temporal and spatial distribution of borehole strain change

同時(shí)，通過11月20日和12月20日F3-1#鉆孔的視電阻率結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，如圖8所示，巷道貫通后近7個(gè)月的時(shí)間，監(jiān)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(wěn)定，無明顯擾動(dòng)影響現(xiàn)象。

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

5 結(jié)論

基于斷層破碎帶注漿加固后穩(wěn)定性監(jiān)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(jìn)期間F1斷層穩(wěn)定性及注漿效果進(jìn)行綜合評價(jià)，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

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

(2)根據(jù)鉆孔光纜應(yīng)變分布特征及電阻率響應(yīng)變化規(guī)律，結(jié)合巖性地質(zhì)剖面情況，可以判斷巷道掘進(jìn)及貫通期間，F(xiàn)1斷層活化程度較低，注漿加固效果良好，基本滿足安全生產(chǎn)要求。

(3)注漿加固后斷層破碎帶的物性特征及力學(xué)性質(zhì)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(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)在巷道掘進(jìn)期間對斷層破碎帶穩(wěn)定性及注漿加固效果進(jìn)行全周期動(dòng)態(tài)測試，為巷道圍巖穩(wěn)定性提供了一種新型的測試手段。