應(yīng)用彈性波CT技術(shù)測試巖體灌漿效果

李新寶，陳 霞，柴緒令，方玉滿，郭民龍

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130012；2.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院，遼寧 鞍山 114038）

0 引言

當(dāng)巖體存在破碎或局部不連續(xù)時，破壞了巖體的均一性，降低了強度，工程中需要灌漿以達到增強巖體完整性，提高巖體強度的目的。灌漿是否達到預(yù)定的效果，需要采用物探方法進行檢測，彈性波CT技術(shù)就是有效的檢測方法之一。

彈性波CT方法，又稱彈性波層析成像技術(shù)，是通過在孔中發(fā)射和接收彈性波，通過一定的觀測采集方式和數(shù)據(jù)處理方法，得到彈性波在巖體內(nèi)傳播速度信息的一種技術(shù)方法。由于彈性波傳播速度的大小與巖體的堅硬和完整程度相關(guān)，同種巖性下，堅硬且完整的石具有較高的波速，因此，利用波速分布信息的成像結(jié)果，可以分析和確定出低速區(qū)域，評價灌漿效果，或確定灌漿位置。

1 基本原理

彈性波CT成像，首先通過扇形測試獲得大量的首波走時數(shù)據(jù)，然后通過求解大型矩陣方程獲取兩孔之間速度剖面圖像。設(shè)在成像剖面內(nèi)測有N條射線，首先根據(jù)測試精度將剖面分為M個網(wǎng)格，以射線理論為基礎(chǔ)的成像方法歸結(jié)為求解如下方程：

式中l(wèi)ij是第i條射線在第j個單元內(nèi)的路徑長度；Sj是第j個單元的慢度（1/V）值；ti是第i條射線的走時值。

用SIRT解上述方程步驟如下：

1）用直射線方法計算各單元平均慢度值S(0)。設(shè)某一單元內(nèi)有n條射線通過，lm是其中第m條通過單元的射線長度，且其射線總長為Lm，走時為Tm，則通過單元所用的時間分配tm=Tmlm/Lm，n條射線通過單元的總時間分配為，總長度分配為，則該單元的平均慢度S=tn/ln。

2）用聯(lián)合迭代（SIRT）算法校正各單元慢度值（S）。設(shè)某一單元內(nèi)共有n條射線通過，Tm′，Tm分別是通過該單元的第m條射線的計算走時和實測走時，lm（可用直射線或者彎曲射線追蹤算法求出）是射線通過該單元內(nèi)的長度。則分配給該單元的走時誤差 εm=（Tm-Tm′）lm/Lm，n 條射線通過單元內(nèi)總走時誤差為，總射線長度為，單元慢度S用下式校正：

計算時可根據(jù)測區(qū)性質(zhì)加一限制條件，使（1/Vmax）＜S（k+1）＜（1/Vmin）提高計算精度。

2 應(yīng)用實例

遼寧某基礎(chǔ)處理工程，測區(qū)基巖為大理巖及變質(zhì)巖，由于長期的地質(zhì)運動及人類采礦等活動造成了基巖巖體破碎、裂隙發(fā)育、巖體強度降低等問題。為了提高巖體的完整性、加大巖體整體強度、增強巖體的穩(wěn)定性，需要對測區(qū)巖體進行灌漿處理。為了解灌漿效果，在灌漿前后進行了地震CT觀測。

2.1 工作方法與技術(shù)

根據(jù)測試要求及實際情況，本次彈性波CT成像測試工作采用在一個鉆孔中用電火花震源激震，另一鉆孔中用12個檢波器的檢波器串進行接收的孔間透射方式，激發(fā)點距1 m、接收點距1 m。每一個激發(fā)及接收點均形成一個扇形區(qū)域。再根據(jù)不同路徑的彈性波走時應(yīng)用WYS2003軟件進行反演計算并繪制孔間速度變化的色譜圖像。

使用的儀器為 SE2404EE型地震儀和電火花震源。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在外業(yè)實測的彈性波CT原始記錄上，讀取每一炮點的每一接收道的直達波初至?xí)r間。應(yīng)用“WYS2003彈性波CT層析成像軟件”進行輸入處理，形成觀測系統(tǒng)圖、數(shù)據(jù)曲線圖、成像剖面圖。

數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)實際情況選擇各種參數(shù)，一般采用直射線聯(lián)合迭代法，迭代次數(shù)一般小于50次，計算殘差小于3.0。

2.3 資料分析

1）灌漿前勘察資料分析

圖1 ZK9—ZK10孔彈性波CT成像剖面圖

圖1為灌漿前勘察獲得的ZK9-ZK10孔之間的CT剖面圖，從圖中可以看到，測量范圍內(nèi)巖體波速均勻性很差，巖體波速集中在2500～4500 m/s的區(qū)域，占72.6%，低于2500 m/s部分占16.9%、高于4500 m/s的部分占10.5%。分析認為：灌漿前的巖體整體波速較低，完整性較差。

2）灌漿后測試資料分析

從灌漿后檢測鉆孔j8-j13的彈性波CT觀測系統(tǒng)圖（由于施工后場地變化j8，j13未在原勘察孔位置，但距ZK9，ZK10孔不超過6 m），可以看出，激發(fā)和接收點距均為1 m，根據(jù)彈性波CT分辨率應(yīng)滿足：設(shè)d為異常體尺寸,Δx為激發(fā)點距離和接收點距離,觀測系統(tǒng)激發(fā)點和接收點布置應(yīng)該盡可能滿足Δx≤d/3[1，5]。 次觀測系統(tǒng)安排合理，能夠滿足測試要求。

從j8～j13彈性波CT數(shù)據(jù)曲線中可以看到，在第24，31，37組數(shù)據(jù)中各有1個離散值，其他數(shù)據(jù)正常，剔除3個離散值后進行反演計算，得到j(luò)8～j13孔彈性波CT成像剖面圖。

灌漿后的檢測鉆孔為J8～J13，孔間距16.0 m，激發(fā)和接受點距均為1 m。在獲得的觀測數(shù)據(jù)中，其第一組數(shù)據(jù)的擬合曲線，首波走時離散度較小，其他各組數(shù)據(jù)較均勻。

圖2 j13-j8孔彈性波CT成像剖面圖

圖2為J8-J13地震CT成像結(jié)果，由圖可見，兩孔間巖體波速較均勻，局部波速小于4650 m/s占 1.8%；大部在 4650～5500 m/s占 93.7%；部分巖體波速大于5500 m/s占4.3%。

由此可見，經(jīng)灌漿處理后，巖體的波速大大提高，巖體的整體性得到了增強，巖體更加均勻，其強度等物性指標(biāo)也得到了提高，表明灌漿工作取得了較好的效果。

3 注意的問題

1）在工作開始前，應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求、現(xiàn)場實際情況等設(shè)計好觀測系統(tǒng)。在彈性波CT工作中觀測系統(tǒng)十分重要，因為不同的射線密度和射線角度直接影響著成像質(zhì)量和能夠發(fā)現(xiàn)的最小異常。

2）在數(shù)據(jù)的采集過程中，要特別注意：震源起震與儀器記錄起跳時間的一致性。

3）在用WYS2003軟件繼續(xù)數(shù)據(jù)反演時，各項參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際情況選擇，初始單元列數(shù)不宜過大或太小，否則將引起失真，圖形應(yīng)用插值圓滑處理。

4 結(jié)語

應(yīng)用實例表明，彈性波CT技術(shù)具有設(shè)備比較簡單，施工方便，信息量大，對空間位置的反應(yīng)精細。在彈性波CT剖面圖上可以對巖體進行比較全面的判斷，可以比較直觀的看到巖體內(nèi)各波速帶的位置、形態(tài)等特征，是一種能夠?qū)Ρ容^大的巖體進行波速測試的技術(shù)，具有一定的先進性和實用性。

[1]王運生，顧漢明，王家映彈性波CT關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實例[J].工程勘察，2005，（3）.

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[4]董清華.井間地球物理成像與工程勘察[J].工程勘察，1999，（4）.

[5]陳國金.井間觀測系統(tǒng)的討論[J].石油物探,1996（3）.