断层破碎带注浆加固稳定性综合测试

党保全, 郭立全, 陈国军, 叶赞, 程锐

(1. 淮河能源集团煤业分公司通防地质技术部, 淮南 232000; 2. 安徽理工大学地球与环境学院, 淮南 232001; 3.淮河能源集团煤业分公司潘二煤矿, 淮南 232000)

断层破碎带因煤岩层采动影响常发生活化现象，引发矿井突水、冲击地压、煤与瓦斯突水等地质灾害问题。据不完全统计，超过80%以上的矿井突水等动力灾害均与断层活化有关[1]。

目前，针对工作面、掘进巷道等过断层和破碎岩体控制技术，相关学者开展了大量的研究。王晋[2]、张景公[3]针对山西某矿工作面过断层地质问题，为了确保工作面回采安全，采用撞锲超前支护技术在断层上盘区域进行超前注浆加固，在上盘底板区域进行松动爆破，现场取得了显著的效果。史之印等[4]通过对断层产状和落差的分析，提出层位控制、断层破碎区铺设金属网等措施，保证了综放工作面的安全生产。皱青林[5]针对4206工作面断层等地质构造影响问题，采用固特陇(GN-4型)等进行注浆加固措施，有效解决了断层煤岩体稳定性问题，提高了顶板冒落及片帮控制效果。李俊友[6]针对工作面过断层破碎带问题，提出采用超前支护等技术对破碎带顶板冒落进行加固。郭龙龙[7]针对综采工作面过断层技术问题，认为采用传统木柱支设等方法将大大降低工作面回采效率，提出采用走向前探梁吊棚+撞楔超前支护，成果较为显著。张永[8]在分析破碎岩体冒落注浆加固机理的基础上，提出了预防断层破碎带顶板垮落的超前深孔注浆加固技术，实测效果良好。焦小健等[9]针对大采深综放工作面，提出松动爆破、深孔注水和顶板加固综合技术治理工作面过断层带。史彦明[10]针对南煤集团某工作面断层破碎带区域，采用超前预注浆联合架前注浆方案，并采用钻孔窥视对破碎带区域注浆加固效果进行检验分析，结果表明注浆技术良好。

综上分析可见，针对工作面及巷道过断层带及破碎岩体地质问题，研究人员主要采用钻孔超前注浆和预支护等手段进行综合治理，但是对于破碎岩体注浆加固后稳定性评价研究鲜有人涉足。基于此，现针对潘二煤矿F1断层破碎带注浆加固稳定性，主要采用钻孔光纤及电法综合手段进行全周期动态监测。

1 工程概况

潘二矿资源整合工程通过-650 m东翼轨道大巷和-530～-650 m胶带机斜巷实现潘二本井与潘四东井资源整合。但两条巷道均需穿过F1断层带(断层落差为H)，给巷道掘进安全与运维带来威胁，如图1所示。

图1 工程概况平面图Fig.1 Project overview plan

根据勘探揭露情况，F1断层带岩芯多破碎严重，泥岩揉搓现象明显，见较多裂隙，局部裂隙被方解石脉充填。断层破碎带厚度较大，断层带发育，受挤压力强。破碎带岩石胶结程度一般，其两盘多为软柔性岩石。

巷道开挖将使得围岩体应力重新分布，为了巷道掘进安全生产，目前已完成F1断层带地面注浆治理工程。同时为了探查F1断层带附近富水性、验证和评价地面注浆效果，以及监测巷道在施工过程中及初步运维阶段F1断层带活化变形规律，开展了过F1断层带井下综合物探监测探测工程。

2 监测方法原理

2.1 光纤传感测试

钻孔光纤采用分布式光纤传感测试技术中的布里渊光时域反射技术(Brillouin optical time-domain reflectometer, BOTDR)进行监测，由解调仪发出的脉冲光注入光纤后，光子与光纤中的声子发生弹性和非弹性碰撞，与脉冲光传播的相反方向会产生布里渊散射光。布里渊散射光对测试环境中的应变和温度双重敏感，当某一点的应变或温度发生变化，将导致该点布里渊频移变化。通过布里渊频移变化量可求得应变和温度变化量，布里渊频移与两者的关系式[11-14]为

νB(ε,T)=νB(0)+Cεε+CTT

(1)

式(1)中：νB(ε,T)为应变ε和温度T双重影响下的布里渊频移量；νB(0)为初始状态下布里渊频移量；Cε为布里渊频移的应变系数，为0.05 MHz/με；CT为布里渊频移的温度系数，为1.1 MHz/με。

2.2 电阻率法测试

钻孔电阻率法基于高密度电阻率法工作原理，采用分布式并行智能电极电位差信号采集方法和系统进行数据的采集和解译。高密度电阻率法只需将全部电极置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集，当将测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果[15]。并行电法测试系统根据供电点场源不同将采集方式分为AM法与ABM法两种[16-18]，工作原理如图2所示。

3 监测方案

3.1 监测孔的布置

根据此次探查任务和施工条件，在-530～-650 m胶带机斜巷布设2个断面的岩层破坏钻孔监测系统(包括光纤、电法两种方法)。监测断面的位置在胶带机斜巷PD77点前38 m附近，分左右2个钻场断面进行施工。其中，在左钻场施工顶板仰孔F3-3#，底板俯孔F3-2#；右钻场施工顶板仰孔F3-1#、平孔F3-4#，钻孔示意图如图3所示。测试过程在断面位置设计监测基站，开展胶带机斜巷掘进及贯通后对F1断层带附近岩层稳定性影响的监测研究。如图3(b)所示，两个断面的4个钻孔均布设在F1断层破碎带一定深度范围内，其中F3-1#钻孔设计孔深100 m，仰角27°，方位角148°；F3-2#钻孔设计孔深100 m，俯角-3°，方位角148°；F3-3#钻孔深度设计100 m，仰角12°，方位角133°；F3-4#钻孔设计孔深100 m，平角0°，方位角178°。由此可见，4个不同方位的钻孔形成一个立体监测空间，可对同一阶段内胶带机斜巷附近F1断层破碎带的结构稳定性进行良好的评价。

图2 并行电法工作原理图Fig.2 Working principle of parallel electrical

3.2 数据采集与分析

2020年3月26日开始监测数据，前期数据采集频率为3～4 d采集1次监测数据，5月20日胶带机斜巷整条巷道顺利贯通，初步实现了潘二与潘四东资源整合。巷道贯通后至6月22日，数据采集频率仍然为3～4 d采集1次数据，数据稳定后，采集频率为15 d左右采集1次。胶带机斜巷掘进速率及部分采集周期如表1所示。数据初次采集时，胶带机巷道掘进迎头位置为PD78+25 m，采用首次采集数据作为数据背景值。随巷道不断掘进，获得至巷道贯通后的动态数据。获得了巷道掘进影响前背景数据、巷道穿过断层影响带岩层变形开始至变形形成、巷道贯通后岩层趋于稳定状态的应变场、电场数据。可见，监测钻孔可获取胶带机斜巷贯通前、贯通中和贯通后的全周期数据。同时，光纤和电法数据奇异点较少，数据整体质量较高，保证了数据的科学性和可靠性。

图3 -530～-650 m胶带机斜巷F1断层监测孔示意图Fig.3 Schematic diagram of F1 fault monitoring borehole in -530 ～ -650 m inclined transportation roadway

表1 巷道迎头位置及部分监测周期Table 1 Roadway head-on position and partial monitoring cycle

4 监测数据分析

4.1 应变场数据分析

下面以F3-1#钻孔为例进行重点分析。自2020年4月17日—2020年12月15日，共采集89组应变数据。根据对监测断面位置钻孔不同深度的光纤应变测试结果分析，获得监测周期内的观测结果，以此对F1断层带附近富水性、验证和评价地面注浆效果进行探查，以及监测巷道在施工过程中及初步运维阶段F1断层带活化变形规律。如图4所示为右钻场F3-1#仰孔监测期间孔内光缆的应变分布图[19]。由图4可得，监测期间孔内光缆不同位置呈现不同的应变特征，有拉应变，也有压应变，总体以拉应变为主。其中，拉应变最大位于孔深16.95 m的位置，应变值达到1 227 με，此时距离巷道贯通还剩25.9 m。最大压应变位于孔深29.2 m的位置，约-365 με。

为了利用光缆应变更好地分析钻孔控制范围内岩层变形破坏情况，将应变曲线附加在地质剖面图上进行相关分析，如图5所示。钻孔控制范围内主要包含两类地质体，一类是F1断层破碎带，一类是煤层和砂质泥岩等正常岩性。巷道贯通前后，两类地质体的应变变化具有明显的差异性。其中，F1断层破碎带内岩层由于经过地面注浆加固等措施，改变了原有的破碎岩层特性，主要以混凝土块体为主，弹性模量明显增大，因此应变变化量相对煤层和砂质泥岩等正常岩性较小。由此说明，F1断层破碎带经过地面注浆加固后岩层的完整性得以改善，岩石力学性质中的抗压、抗拉强度明显增强。

图4 F3-1#钻孔应变分布Fig.4 Strain distribution of F3-1# borehole

4.2 地电场数据分析

井下电法数据采集时间，自2020年3月26日—2020年9月20日，共采集数据264组数据。根据探测剖面的电性参数分布特征对断层带内岩层变形与破坏规律进行分析，对F1断层带附近富水性进行探查、验证和评价地面注浆效果，以及监测巷道在施工过程中及初步运维阶段F1断层带活化变形规律。

由图6(a)可以看出，整体视电阻率背景值较高，且视电阻率等值线较为紊乱，部分区域内视电阻率较低，视电阻率等值线结果的这些特征符合经过注浆后的断层破碎带视电阻率特征。视电阻率表现较高的部分为经过注浆后的断层破碎带，主要是混凝土表现出高阻特征；视电阻率较低区域是砂、泥岩以及裂隙水表现出的特征。钻孔控制范围内大部分区域围岩电阻率值表现较高，说明该段范围内断层破碎带经地面注浆后，大部分破碎区域均被浆液充填，整体注浆效果好。图6(b)显示钻孔内高阻区域范围进一步扩大，说明观测范围岩层受巷道掘进影响，围岩应力发生重分布，进而影响到该范围内视电阻率值，与应变变化趋势基本一致。巷道贯通后，如图6(c)所示，围岩应力重分布现象达到最大化，孔内视电阻率值绝大部分均表现为高阻特征，应力的重分布影响到钻孔内围岩的视电阻率值。随着巷道围岩应力的二次平衡，钻孔内围岩的视电阻率值基本又恢复到原有的阻值范围内，如图6(d)所示。

图5 F3-1#钻孔岩层应变曲线变化Fig.5 Strain curve change of rock stratum in F3-1# borehole

图6 F3-1#孔视电阻率结果Fig.6 Apparent resistivity result of F3-1# borehole

4.3 断层稳定性评价

从F3-1#监测孔传感光缆的应变分布及电阻率变化特征可以看出，随着巷道的掘进，断层破碎带及围岩逐步发生变形、破坏等现象，使得光缆在相应位置发生拉压变化、弯折，同时电阻率值相应的增高和降低。通过F3-1#钻孔内光缆应变分布特征及电阻率变化规律，初步判定断层破碎带经地面注浆加固后稳定性得到有效提高，巷道贯通前后断层活化程度较低。

为了有效评价断层破碎带在胶带机斜巷贯通前后的稳定性特征，选取右钻场F3-1#和左钻场F3-2#钻孔应变数据进行综合分析。如图7为钻孔控制范围内岩层应变的动态变化特征，将监测周期内的应变曲线进行二维平面化展示。由图7可见，监测周期内正常岩性与断层破碎带内的应变变化具有明显的差异性。巷道贯通前，F3-1#钻孔控制的断层破碎带范围内应变以拉应变为主，而F3-2#钻孔控制断层破碎带内有拉有压，同时在巷道贯通前一定时期均出现过拉应变极值。但是随着巷道的开挖及贯通后经过7个月的有效运维，使得钻孔控制范围内的光缆应变均处于稳定的状态。由此说明，初步运维阶段F1断层带的活化程度较低，基本处于稳定的状态。

图7 钻孔应变变化时空分布Fig.7 Temporal and spatial distribution of borehole strain change

同时，通过11月20日和12月20日F3-1#钻孔的视电阻率结果图可以发现，如图8所示，巷道贯通后近7个月的时间，监测孔视电阻率分布特征一致，表明F1断层破碎带及围岩已基本稳定，无明显扰动影响现象。

图8 巷道贯通后F3-1#孔视电阻率结果Fig.8 Apparent resistivity results of F3-1# borehole after roadway connection

5 结论

基于断层破碎带注浆加固后稳定性监测，提出了采用钻孔光纤和电阻率法综合测试手段对巷道掘进期间F1断层稳定性及注浆效果进行综合评价，主要有以下几点结论。

(1)钻孔光纤及电阻率法综合监测手段具有良好的感知性能，满足断层破碎带注浆加固稳定性监测要求。

(2)根据钻孔光缆应变分布特征及电阻率响应变化规律，结合岩性地质剖面情况，可以判断巷道掘进及贯通期间，F1断层活化程度较低，注浆加固效果良好，基本满足安全生产要求。

(3)注浆加固后断层破碎带的物性特征及力学性质明显改变，与正常岩性段具有较大差异。

总之，采用钻孔光纤和电阻率综合技术手段，可以实现在巷道掘进期间对断层破碎带稳定性及注浆加固效果进行全周期动态测试，为巷道围岩稳定性提供了一种新型的测试手段。