鉆、物探技術(shù)在采空區(qū)注漿效果檢測(cè)中的應(yīng)用*

曲相屹 李學(xué)良

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦;2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院)

采空區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其穩(wěn)定性易受外來(lái)因素的影響，從而造成二次活化，對(duì)地表建筑物造成破壞，因此當(dāng)建筑物荷載傳遞深度與導(dǎo)水裂隙帶接觸時(shí)必須對(duì)其采取必要的治理措施［1］，在眾多的治理措施中，注漿加固方法以其施工簡(jiǎn)便、見(jiàn)效快、適用范圍廣而廣泛為人們所接受［2-3］。

老采空區(qū)注漿效果的檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)老采空區(qū)注漿處理效果的主要手段，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的老采空區(qū)注漿檢測(cè)技術(shù)［4-5］，因此尋求合理經(jīng)濟(jì)的注漿效果檢測(cè)技術(shù)對(duì)老采空區(qū)加固處理工程具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

擬建熱電廠廠區(qū)坐落于多層老采空區(qū)之上，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜但不存在較大的地質(zhì)構(gòu)造。綜合前期鉆孔施工記錄和鉆孔電視實(shí)測(cè)資料分析，擬建熱電廠地下老采空區(qū)上覆巖層受多煤層開(kāi)采的影響，雖經(jīng)多年壓實(shí)，其穩(wěn)定性仍然較差，巖層的破壞范圍和裂隙發(fā)育范圍超過(guò)原有預(yù)計(jì)，老采空區(qū)上方不穩(wěn)定巖體在地表載荷及其他因素?cái)_動(dòng)作用下發(fā)生活化沉陷的可能性不能完全排除，有必要對(duì)部分重要建筑物下方的老采空區(qū)不穩(wěn)定巖層進(jìn)行注漿處理，以確保熱電廠的安全運(yùn)行。經(jīng)研究決定，本次注漿將對(duì)冷卻塔及主廠房下方老采空區(qū)及上覆巖層裂隙區(qū)進(jìn)行充填加固，加強(qiáng)上覆巖層的承載能力和抗擾動(dòng)能力。注漿施工從2006年11月開(kāi)始，至2007年3月結(jié)束，共對(duì)廠區(qū)26個(gè)注漿孔進(jìn)行注漿施工，累計(jì)注漿量達(dá)48 192 m3，平均單孔注漿量達(dá)1 854 m3。其中注漿量最大的注漿孔為2號(hào)注漿孔，單孔注入量為4 986 m3，注漿量最小的注漿孔為3號(hào)注漿孔，注漿量為18 m3。

為確保注漿治理效果的可靠性，從鉆探和物探的角度對(duì)采空區(qū)注漿治理效果進(jìn)行全面的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

2 注漿效果檢測(cè)內(nèi)容及方法

采空區(qū)治理工程的質(zhì)量監(jiān)控主要包括2個(gè)方面的工作:一是施工過(guò)程中的監(jiān)控，主要是監(jiān)理工作;二是施工結(jié)束后的質(zhì)量檢測(cè)工作。采空區(qū)注漿治理的監(jiān)理工作主要從鉆孔、制漿、注漿3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，一般在施工過(guò)程中完成。目前用于工程質(zhì)量檢驗(yàn)的技術(shù)和方法主要有注漿前后物探資料對(duì)比分析、鉆探取芯及室內(nèi)試驗(yàn)確定充填體強(qiáng)度、鉆孔電視查看孔內(nèi)裂隙充填狀況、地表變形觀測(cè)等。采空區(qū)注漿施工結(jié)束后的質(zhì)量檢驗(yàn)主要包括注漿后采空區(qū)充填率分析、充填體強(qiáng)度檢驗(yàn)、充填范圍檢驗(yàn)等內(nèi)容［6-7］。常用的檢測(cè)方法如表1所示。本次檢測(cè)采用鉆孔電視技術(shù)和EH－4物探技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)注漿效果進(jìn)行綜合評(píng)判。

表1 采空區(qū)注漿工程質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容及方法

3 注漿效果鉆孔檢測(cè)技術(shù)

施工注漿效果檢查孔，并進(jìn)行鉆探取芯是采空區(qū)治理工程質(zhì)量檢測(cè)工作中的重要技術(shù)和方法，并能為孔內(nèi)裂隙實(shí)測(cè)和壓水試驗(yàn)提供工作平臺(tái)。根據(jù)鉆探取芯采取率和巖芯的破碎程度判斷漿液結(jié)石體與圍巖的膠結(jié)程度。通過(guò)檢測(cè)可以確定采空區(qū)經(jīng)治理施工后地基穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)的要求，是否達(dá)到注漿的預(yù)期目的。通過(guò)彩色鉆孔電視觀測(cè)，可以更進(jìn)一步了解注漿后裂隙現(xiàn)狀及裂隙充填情況。

3.1 檢查孔的布置

根據(jù)規(guī)程，注漿效果檢測(cè)的檢查孔孔數(shù)為治理工程注漿孔數(shù)的2%～3%(最少不低于2孔)。本次治理工程共設(shè)計(jì)26個(gè)注漿孔，因此設(shè)計(jì)2個(gè)注漿效果檢查孔。1號(hào)檢查孔設(shè)置在冷卻塔附近，2號(hào)設(shè)置在主廠房附近。

3.2 注漿后鉆孔電視檢測(cè)效果分析

(1)1號(hào)檢查孔注漿效果探測(cè)分析。1號(hào)檢查孔自190 m深度開(kāi)始，鉆進(jìn)掉塊嚴(yán)重，巖芯極度破碎，檢查孔鉆進(jìn)到240 m深度，由于巖層極度破碎，施工單位無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，因此提前進(jìn)行鉆孔電視探測(cè)。從鉆進(jìn)中上部掉塊嚴(yán)重，受構(gòu)造影響，巖芯揉動(dòng)成碎塊。鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明1號(hào)檢查孔在深度139 m以上能觀測(cè)到巖層比較完整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的漿液充填痕跡，但是從180 m深度以下，鉆孔孔斜較大，孔內(nèi)水流較大，影響了觀測(cè)效果，僅從深度184.5～186.0m和216.0～217.5m照片可以發(fā)現(xiàn)有漿液充填痕跡。

圖1 1號(hào)鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果

(2)2號(hào)檢查孔注漿效果探測(cè)分析。2號(hào)檢查孔鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度310 m深度，利用鉆孔電視觀測(cè)可以看到自套管底部(孔深60 m)至孔深170 m深度，巖層裂隙很少，巖層完整性很好，在局部裂隙發(fā)育的位置能非常明顯看到漿液充填結(jié)石的特征(如圖2所示)。自孔深170m深度至孔底，注漿前巖層裂隙比較發(fā)育，巖層完整性較差。注漿后，檢查孔孔壁裂隙被漿液充填的現(xiàn)象非常明顯，在深度193.0～194.0 m、深度278.0～279.0 m等位置，均發(fā)現(xiàn)漿液結(jié)石體大量存在的痕跡，說(shuō)明在該區(qū)域漿液擴(kuò)散情況良好，地下采空區(qū)殘余空隙得到了很好充填。

圖2 2號(hào)鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果

4 注漿效果物探檢測(cè)技術(shù)

4.1 勘探線的布置

本次物探檢測(cè)根據(jù)注漿鉆孔的布置方向、位置和巖層傾向共設(shè)置了3條南北方向的檢測(cè)勘探線。布置物探探測(cè)線時(shí)沿注漿鉆孔布置，并結(jié)合建筑物實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整了測(cè)點(diǎn)位置。

4.2 采空區(qū)探測(cè)資料解釋依據(jù)

當(dāng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿治理時(shí)，漿液將充填采空區(qū)中的裂隙、孔隙和空洞，從而提高巖體的整體性和均一性，顯著改變采空區(qū)介質(zhì)的物理性質(zhì)。采空區(qū)介質(zhì)的物理性質(zhì)的改變導(dǎo)致采空區(qū)的電阻率發(fā)生變化，視電阻率剖面中的視電阻率值和視電阻率等值線形態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。具體變化見(jiàn)表2。

表2 不同介質(zhì)因素下采空區(qū)注漿后視電阻率變化形式

4.3 注漿后物探檢測(cè)效果分析

由于各測(cè)線觀測(cè)時(shí)的噪聲環(huán)境不同，同時(shí)，地下介質(zhì)物性條件特別是其物性組合條件不一樣，故同一巖性層在不同的剖面上其視電阻率值應(yīng)相近，但不一定相同。

(1)注漿后測(cè)線I資料分析與解釋。由注漿前后的視電阻率變化(圖3)可以看出，對(duì)應(yīng)采空區(qū)區(qū)域的視電阻率值在120～2 000Ωm之間;在測(cè)點(diǎn)12～測(cè)點(diǎn)13、測(cè)點(diǎn)15～測(cè)點(diǎn)18位置，注漿前出現(xiàn)的2處封閉的低阻異常已經(jīng)消失;測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6位置處封閉的相對(duì)低阻異常的范圍顯著縮小，但低阻異常區(qū)仍然存在。說(shuō)明測(cè)線I的測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6位置處注漿效果較差，沒(méi)有達(dá)到采空區(qū)治理目的。在該位置處布置的注漿檢查孔1的鉆進(jìn)過(guò)程和鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。對(duì)比注漿前后在深度200、250、300 m處各測(cè)點(diǎn)的視電阻率值可知，注漿后的視電阻率值比注漿前有所升高，有些測(cè)點(diǎn)升高得明顯，有些測(cè)點(diǎn)則不明顯。由圖可以看出，在200 m深度位置，注漿后地層視電阻率變化差異較大，其中4號(hào)測(cè)點(diǎn)和19號(hào)測(cè)點(diǎn)位置視電阻率升高幅度小于30%。特別是4號(hào)測(cè)點(diǎn)附近，注漿后仍然存在一定的封閉低阻異常區(qū)。在300 m深度位置，注漿后地層視電阻率升高幅度小于30%的區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6位置。根據(jù)上面的資料分析，按照資料的解釋原則，說(shuō)明經(jīng)過(guò)注漿治理后采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)的整體性與均一性在測(cè)線Ⅰ的大部分區(qū)段得到提高;但在測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6范圍內(nèi)還有封閉的相對(duì)低阻異常存在，且視電阻率值升高幅度較小，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6區(qū)域注漿治理效果相對(duì)不如其他區(qū)段明顯。

圖3 測(cè)線Ⅰ注漿前后視電阻率對(duì)比

(2)注漿后測(cè)線II資料分析與解釋。由注漿前后視電阻率變化(圖4)可以看出:對(duì)應(yīng)采空區(qū)區(qū)域的視電阻率值在170～1 100Ωm之間;在測(cè)線方向120～160 m(測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)9)、230～250 m(測(cè)點(diǎn)13附近)、400～430m(測(cè)點(diǎn)21～測(cè)點(diǎn)23)等3處有較小的封閉的低阻異常，與注漿前的封閉低阻異常比較可以看出異常范圍明顯縮小。對(duì)比注漿前后在200 m、250 m、300 m深度各測(cè)點(diǎn)的視電阻率值可知，注漿后的視電阻率值比注漿前升高，有些測(cè)點(diǎn)升高得明顯，有些測(cè)點(diǎn)則不明顯。在200 m深度位置，注漿后視電阻率升高幅度小于30%的區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)8的區(qū)域和測(cè)點(diǎn)22～測(cè)點(diǎn)23的區(qū)域;在250 m深度位置，注漿后視電阻率升高幅度小于30%的測(cè)點(diǎn)區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)7的區(qū)域、測(cè)點(diǎn)20～測(cè)點(diǎn)21的區(qū)域;在300 m深度位置，注漿后視電阻率升高幅度小于30%的測(cè)點(diǎn)區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)4區(qū)域、測(cè)點(diǎn)9～測(cè)點(diǎn)11的區(qū)域和測(cè)點(diǎn)20的區(qū)域。根據(jù)上面的資料分析，按照物探資料解釋原則，說(shuō)明經(jīng)過(guò)注漿治理后采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)的整體性與均一性有所提高;但在測(cè)點(diǎn)4～6、測(cè)點(diǎn)20～23范圍內(nèi)，局部有封閉的相對(duì)低阻異常存在，且視電阻率值升高幅度小于30%，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)4～6和測(cè)點(diǎn)20～23區(qū)段注漿治理效果可能較差，建議在此區(qū)域布置注漿檢查孔進(jìn)行重新檢查，進(jìn)一步確認(rèn)注漿效果。

圖4 測(cè)線Ⅱ注漿前后視電阻率對(duì)比

(3)注漿后測(cè)線Ⅲ資料分析與解釋。由注漿前后的視電阻率變化(圖5)可以看出:對(duì)應(yīng)采空區(qū)區(qū)域的視電阻率值為170～1 500Ωm，視電阻率值明顯升高;注漿前在320～360 m(測(cè)點(diǎn)17～測(cè)點(diǎn)19)出現(xiàn)的封閉的低阻異常基本消失，0～20 m(測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)2)、60～120 m(測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)7)2處封閉的相對(duì)低阻異常范圍縮小。對(duì)比注漿前后在200、250、300 m深度處各測(cè)點(diǎn)的視電阻率值可知，注漿后的視電阻率值比注漿前升高，有些測(cè)點(diǎn)升高得明顯，有些測(cè)點(diǎn)則不明顯。在200 m深度位置，注漿后視電阻率升高幅度小于30%的區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)9～測(cè)點(diǎn)11區(qū)域;在250 m深度位置，注漿后視電阻率升高幅度小于30%的區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)3～測(cè)點(diǎn)10的區(qū)域;在300 m深度位置，注漿后視電阻率升高幅度小于30%的區(qū)域?yàn)闇y(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)11的區(qū)域。根據(jù)以上分析，注漿治理后采空區(qū)區(qū)域巖體的整體性與均一性得到了一定提高;但在測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)11范圍內(nèi)仍有封閉的相對(duì)低阻異常存在。

圖5 測(cè)線Ⅲ注漿前后視電阻率對(duì)比

5 檢測(cè)技術(shù)綜合分析

(1)在測(cè)線Ⅰ的測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6、測(cè)線Ⅱ的測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)20～測(cè)點(diǎn)23、測(cè)線Ⅲ的測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)11等范圍內(nèi)，物探資料顯示的注漿治理效果沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其中測(cè)線Ⅱ上測(cè)點(diǎn)5附近采空區(qū)注漿后充填狀況已經(jīng)得到檢查孔1的證實(shí)，沒(méi)有達(dá)到注漿充填目的。其他位置的采空區(qū)注漿后充填效果需要布置新的檢查孔予以確認(rèn)。

(2)采空區(qū)經(jīng)過(guò)注漿治理后，3條測(cè)線的視電阻率值都比注漿前有一定幅度的升高;注漿治理前地層視電阻率剖面上封閉的相對(duì)低阻異常，在注漿治理后的視電阻率剖面上基本消失或是范圍明顯減小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)注漿治理后，采空區(qū)的巖體整體性和均一性得到提高，從而提高了地層的承載能力。大部分區(qū)域達(dá)到了注漿治理的預(yù)期目的。

6 結(jié)論

(1)采空區(qū)注漿治理工程屬于隱蔽工程，由于其隱蔽性和復(fù)雜性，在注漿工程結(jié)束后很難直觀了解注漿工程的效果，注漿工程的效果若沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求將對(duì)地面設(shè)施的安全運(yùn)行造成巨大的隱患，因此采空區(qū)注漿工程檢測(cè)尤為重要。

(2)鉆孔電視雖可以充分利用鉆孔獲得地下信息，但其工程量大、成本高，在巖性軟弱和巖石破碎地段，巖芯獲得率較低。物探檢測(cè)技術(shù)成本低、速度快、效率高，但一般情況下只能對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。在實(shí)際檢測(cè)工程中采用鉆探、物探兩種方法相互組合、優(yōu)化，再結(jié)合注漿過(guò)程中的質(zhì)量控制情況共同對(duì)注漿效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可以很好地滿足工程需要。

(3)通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的分析可知，為了既經(jīng)濟(jì)又能達(dá)到檢測(cè)目的，在老采空區(qū)注漿效果檢測(cè)中宜采用“地面物探+少量鉆探+鉆孔電視”的綜合檢測(cè)模式。

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