基于探測(cè)技術(shù)的底板構(gòu)造區(qū)注漿加固效果評(píng)價(jià)

郎 君，劉正武

(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)煤礦大國(guó)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。隨著煤礦資源的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不向深部發(fā)展，我國(guó)礦井正以每年8～12 m的速度向下延伸[2]。隨著開(kāi)采深度的增加，煤礦面臨水害威脅，特別是沁水煤田受底板構(gòu)造區(qū)高壓奧灰水影響[3]。一旦發(fā)生突水事故，將造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，甚至造成社會(huì)不穩(wěn)定因素[4-5]。

注漿加固技術(shù)是保證工作面底板穩(wěn)定的有效手段，它是沿著工作面巷道布置鉆場(chǎng)向煤層底板鉆注漿孔，通過(guò)注漿孔將漿液輸送到底板構(gòu)造區(qū)內(nèi)，從而大大減弱底板構(gòu)造區(qū)的富水性并切斷給水源[5]，而注漿效果評(píng)價(jià)對(duì)于工作面底板構(gòu)造區(qū)的穩(wěn)定起著決定性作用。

對(duì)于注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，評(píng)價(jià)方法以定性評(píng)價(jià)為主，尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒，由于注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)的不規(guī)范，導(dǎo)致工作面底板注漿加固工程完成后無(wú)法正確評(píng)價(jià)，無(wú)法保證注漿工程取得良好的效果[6-8]。因此，注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)對(duì)于保證注漿工程質(zhì)量具有重要意義。本文以山西某礦為試驗(yàn)礦井，利用綜合物探技術(shù)對(duì)構(gòu)造區(qū)進(jìn)行探測(cè)并對(duì)其進(jìn)行注漿加固改造，對(duì)改造后的區(qū)域進(jìn)行物探、鉆孔電視窺視、分段注水測(cè)試，并對(duì)工作面回采過(guò)程中涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于工作面的安全回采提出了構(gòu)造區(qū)注漿加固效果探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)表，以期對(duì)今后類(lèi)似工程的注漿施工提供借鑒價(jià)值。

1 工程概況

山西某礦生產(chǎn)能力為1.5 Mt/a，主采5號(hào)煤層，煤層平均厚度為9.4 m，煤層傾角為31°。以3205工作面作為試驗(yàn)工作面，工作面底板下方為灰?guī)r，屬于富水含水層，距離最小58 m，最大81 m，水壓可達(dá)3.2 MPa，工作面走向、傾向分別是438 m、110 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置示意圖

2 底板物探

2.1 探測(cè)設(shè)備

1、瞬變電磁

瞬變電磁是通過(guò)接地線(xiàn)向地下發(fā)射電磁場(chǎng)，在脈沖磁場(chǎng)期間利用接地電極引起的渦流場(chǎng)進(jìn)行電阻率探測(cè)的一種方法，其原理如圖2所示[9]。

圖2 瞬變電磁探測(cè)原理圖

2、直流電法

直流電法是利用煤巖體與富水區(qū)域的電性區(qū)別進(jìn)行探測(cè)的。通過(guò)人為向底板煤巖體提供穩(wěn)定電流，利用接收設(shè)備觀測(cè)電流在底板的分布情況，從而確定底板的構(gòu)造異常區(qū)[10]。探測(cè)原理如圖3所示。

圖3 直流電法原理圖

2.2 探測(cè)布置及結(jié)果分析

1）瞬變電磁

瞬變電磁探測(cè)采用偶極進(jìn)行分析，距離設(shè)置為15 m，探測(cè)布置示意如圖4所示。線(xiàn)圈指向探測(cè)方向，在巷道兩側(cè)分別布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 布置方式與探測(cè)方向

瞬變電磁探測(cè)后采用GOTEM進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)正反演計(jì)算，得出底板層的電阻率與距離探測(cè)數(shù)據(jù)圖，結(jié)合水文地質(zhì)特征，對(duì)正反演圖像進(jìn)行處理，其探測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 瞬變電磁探測(cè)結(jié)果

由圖5可知，在整個(gè)勘測(cè)范圍內(nèi)存在3個(gè)低電阻率區(qū)，從左向右依次標(biāo)記為Y1、Y2、Y3。其與工作面底板距離分別是42 m、52 m、68 m。其中Y1的面積最大。導(dǎo)高較大且分布極不均勻；Y2區(qū)域范圍較小，導(dǎo)高最小，內(nèi)部發(fā)育極不均勻，工作面回采時(shí)容易發(fā)生突水；Y3區(qū)域范圍中等，導(dǎo)高中等發(fā)育不均勻，有發(fā)生突水的可能。

2）直流電法

直流電法采用四極探測(cè)法，共布置30個(gè)物理點(diǎn)。直流電法探測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 直流電法探測(cè)結(jié)果

由圖6可知，勘探范圍內(nèi)存在兩個(gè)異常區(qū)，從左到右依次編號(hào)為D1、D2。與巷道底板的距離分別是2 m、15 m。其中D1區(qū)域最大，部分區(qū)域向底板深部延伸，且分布極不均勻。工作面回采時(shí)，極易發(fā)生突水事故。

3）物探綜合分析

采用瞬變電磁和直流電法對(duì)3205工作面進(jìn)行探測(cè)。兩種物探方法相結(jié)合，查明了3205工作面底板90 m范圍內(nèi)的巖層賦水特性，綜合兩種物探數(shù)據(jù)，得出煤層底板巖層低阻異常區(qū)如圖7所示。

圖7 工作面綜合探測(cè)異常區(qū)平面圖

圖中的綠色、藍(lán)色、青色陰影區(qū)域分別顯示的是工作面底板下方30 m（發(fā)生底板突水可能性較大的切片）、40 m（不排除發(fā)生底板滲、出水可能性的切片）、55 m（存在于深部不會(huì)發(fā)生底板突水的切片）處的異常區(qū)域平面分布情況。選取30 m、50 m兩個(gè)切片深度，主要考慮到底板奧灰水與煤層之間多以松軟、破碎巖石為主，抵御底板奧灰水壓的骨架剛性存在不足，結(jié)合相似水文地質(zhì)條件礦區(qū)的物探經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。

由圖7可知，工作面底板存在3個(gè)異常區(qū)域，其編號(hào)分別為 Z1、Z2、Z3。

Z1、Z2異常區(qū)范圍和導(dǎo)高較大，工作面回采發(fā)生底板突水概率較大，對(duì)工作面安全回采存在較大影響，要引起重視。

Z3異常區(qū)范圍和導(dǎo)高中等，工作面回采不排除發(fā)生底板滲、出水的可能性，要引起注意。

3 底板注漿改造

根據(jù)物探結(jié)果對(duì)底板進(jìn)行注漿加固改造，灰?guī)r擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)為25 m，在正常地層段進(jìn)行均勻布孔，對(duì)于富水區(qū)域進(jìn)行密集布孔，在工作面的兩側(cè)巷道分別布置八個(gè)鉆窩，對(duì)于正常地層布置6個(gè)鉆孔，對(duì)于異常區(qū)域布置8個(gè)鉆孔，鉆窩布置如圖8所示。

圖8 鉆場(chǎng)布置示意圖（單位：mm）

根據(jù)底板深度和物探結(jié)果進(jìn)行鉆孔參數(shù)設(shè)定，設(shè)計(jì)終孔為進(jìn)入灰?guī)r5 m，鉆孔最大長(zhǎng)度為151 m，最小長(zhǎng)度為62 m。共布置鉆孔60個(gè)，共鉆進(jìn)長(zhǎng)度4 526.65 m。采用全液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)。注漿材料選用雙液無(wú)機(jī)注漿材料，利用2TGZ- 60/210注漿泵進(jìn)行注漿，注漿壓力設(shè)計(jì)為3～4 MPa，根據(jù)地質(zhì)特征以及承壓水壓力確定注漿終壓為5.6 MPa[11]。

3.1 注漿材料

雙液無(wú)機(jī)注漿材料A液以硫鋁酸鹽水泥熟料為主，B液以生石灰和石膏混合材料為主。添加相應(yīng)的速凝劑、緩凝劑、減水劑。注漿材料凝結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)到35 min，最短為30 s，凝結(jié)時(shí)間區(qū)間較大，能夠適應(yīng)底板構(gòu)造區(qū)注漿加固工程；抗壓強(qiáng)度可達(dá)16.8 MPa，能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；漿液干縮率隨著水灰比的增大而增加，當(dāng)水灰比為2.0∶1時(shí)，漿液干縮率為3.8%，小于5%，材料整體干縮率較小能夠極大保證漿液穩(wěn)定性；漿液泌水率隨著水灰比的增大而增加，當(dāng)水灰比為2.0∶1時(shí)，漿液的泌水率達(dá)到最大值，為4.7%，小于5%，較低的泌水率能夠保證材料得到充分反應(yīng)，達(dá)到材料最優(yōu)效果。

4 注漿效果評(píng)價(jià)

工作面底板構(gòu)造區(qū)注漿加固后，其構(gòu)造區(qū)完整性、連續(xù)性必然發(fā)生改變，對(duì)于完整性主要指裂隙寬度兩方面，注漿后漿液構(gòu)造區(qū)充填，最終固結(jié)硬化，使得裂隙開(kāi)度與寬度必然減少，可通過(guò)滲透系數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)；連續(xù)性是指漿液充填后，將構(gòu)造區(qū)充滿(mǎn)漿液，將不完整的煤巖體固結(jié)形成連續(xù)整體，可通過(guò)物探技術(shù)、鉆孔電視窺視技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上所述，采用物探、鉆孔電視、滲透系數(shù)法對(duì)構(gòu)造區(qū)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 物探技術(shù)

物探檢測(cè)法是測(cè)定注漿前后構(gòu)造區(qū)地層視電阻率變化特征，通過(guò)注漿前后的視電阻率變化評(píng)價(jià)注漿效果。采用直流電法對(duì)注漿后的底板進(jìn)行探測(cè)，得到的探測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 注漿后探測(cè)結(jié)果

對(duì)比圖6和圖9可知，注漿后異常區(qū)D1范圍大幅度減少，視電阻率明顯升高，說(shuō)明注漿后漿液將構(gòu)造區(qū)中的水置換出來(lái)，煤巖體連續(xù)性得到提高，注漿改造效果明顯。

4.2 鉆孔電視探測(cè)

鉆孔電視探測(cè)是一種直觀地對(duì)裂隙連續(xù)性分析的一種方法。通過(guò)對(duì)比注漿前后工作面底板構(gòu)造區(qū)裂隙充填情況來(lái)判斷注漿效果。

鉆孔電視探測(cè)可以清晰地看到鉆孔內(nèi)部裂隙情況（鉆孔電視結(jié)構(gòu)如圖10所示）。能夠很好地反映注漿后地層特征[14]，該設(shè)備通過(guò)CCD光學(xué)耦合器將鉆孔中裂隙發(fā)育特征進(jìn)行實(shí)時(shí)采集（如圖11所示），深度測(cè)試裝置監(jiān)測(cè)探頭深度并傳輸?shù)教幚砥髦?，最后通過(guò)圖片形式展現(xiàn)出來(lái)。

圖10 鉆孔電視結(jié)構(gòu)圖

圖11 注漿后裂隙充填情況

通過(guò)鉆孔電視進(jìn)行探測(cè)，能夠?qū)@孔內(nèi)的情況以圖片的形式展現(xiàn)出來(lái)，具有非常好的直觀性，注漿前后裂隙情況如圖11所示。

由圖11（a）可知，注漿前工作面底板地層明顯存在裂隙，且裂隙寬度較大，以大于2 mm的裂隙為主。

由圖11（b）可知，注漿后裂隙明顯被白色的漿液填充，僅有一小部分微小裂隙沒(méi)有被白色漿液填充，經(jīng)分析，普通水泥漿液難以進(jìn)入地層微小裂隙中，而大多數(shù)裂隙已被白色漿液完全填充，裂隙寬度主要以小于1 mm為主，注漿加固提高了煤巖體的連續(xù)性，注漿改造效果明顯。

4.3 滲透系數(shù)法

滲透系數(shù)法是通過(guò)分段注水試驗(yàn)測(cè)定地層水漏失量，根據(jù)下式得出滲透系數(shù)的一種方法，對(duì)于底板注漿改造、防治水工程具有非常好的效果。

式中：k——注漿后地層滲透系數(shù)，m /d；

Q——測(cè)試過(guò)程中每個(gè)測(cè)試段穩(wěn)定注水量，m3；

l——每次測(cè)試的長(zhǎng)度，m；

s——鉆孔中承壓水的壓力，MPa；

r——測(cè)試過(guò)程中所鉆鉆孔的半徑，m。

測(cè)試過(guò)程中采用山東科技大學(xué)設(shè)計(jì)的雙栓塞注漿測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備具有很好的測(cè)試效果，其測(cè)試原理是：注漿前裂隙整體發(fā)育度較高，當(dāng)注漿加固工程實(shí)施后，裂隙被漿液充填，裂隙發(fā)育度隨之降低，鉆孔注水量明顯減低，通過(guò)鉆孔注水量判斷裂隙充填情況，注水試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖12所示[14]。

圖12 注水設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中采用注漿壓力為5.5 MPa，每次測(cè)試1 m，每段測(cè)試三次取平均值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 注水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果結(jié)合上式進(jìn)行計(jì)算，得出地層的滲透系數(shù)在 1.73×10-5～1.91×10-5cm/s之間，滲透系數(shù)較小，理論上滿(mǎn)足工作面安全回采的需要，達(dá)到注漿加固改造的效果。

5 注漿效果檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析注漿對(duì)于底板改造的效果，對(duì)工作面回采過(guò)程中涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出不同推進(jìn)距離下的涌水量曲線(xiàn)如圖13所示[15]。

圖13 涌水量曲線(xiàn)圖

由圖13可知，工作面開(kāi)采初期涌水量隨著回采距離的增加呈直線(xiàn)上升，隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn)，在150～300 m之間呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，之后基本保持在同一水平，工作面最大涌水量小于工作面排水能力（80 m3/h）。實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。

6 綜合評(píng)定指標(biāo)

注漿效果評(píng)價(jià)是對(duì)構(gòu)造區(qū)注漿加固工程實(shí)施好壞的有效評(píng)定，以安全回采為依據(jù)。采用物探技術(shù)、鉆孔電視法、滲透系數(shù)法、涌水量監(jiān)測(cè)法對(duì)注漿指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)定，根據(jù)各個(gè)方法的特點(diǎn)，得出構(gòu)造區(qū)注漿加固評(píng)價(jià)表如表2所示。

表2 構(gòu)造區(qū)注漿加固效果探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)表

物探技術(shù)對(duì)于一定埋深條件下的精度較高，而對(duì)于深部開(kāi)采物探精度大大降低，同時(shí)，煤礦施工過(guò)程中使用大量的錨桿、錨索等鋼制材料，對(duì)于物探結(jié)果存在較大影響，因此，物探技術(shù)僅能作為注漿效果評(píng)價(jià)的補(bǔ)充手段。

鉆孔電視探測(cè)該技術(shù)屬于物理探測(cè)技術(shù)，不受地質(zhì)環(huán)境的影響，其裂隙寬度精度可達(dá)0.1 mm，通過(guò)探測(cè)圖像能夠直觀地看到裂隙充填情況，具有非常高的準(zhǔn)確度，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)全注漿區(qū)域的探測(cè)，可作為注漿效果評(píng)價(jià)的主要手段。

滲透系數(shù)法該方法屬于物理探測(cè)技術(shù)，受地質(zhì)環(huán)境影響較少，通過(guò)注漿量反算地層滲透率，定量評(píng)價(jià)注漿效果，與鉆孔電視一樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)全注漿區(qū)域的地層測(cè)試，可作為注漿效果評(píng)價(jià)的主要手段。

涌水量監(jiān)測(cè)法是注漿效果檢測(cè)的有效方法，通過(guò)記錄不同推進(jìn)距離下的工作面涌水量定量評(píng)價(jià)注漿效果，是注漿效果評(píng)價(jià)的主要手段。

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了定性和定量化分析，提出了構(gòu)造區(qū)注漿加固效果探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)表，注漿后異常區(qū)范圍大幅度減少，視電阻率明顯升高；注漿后地層裂隙被充填，裂隙寬度主要以小于1 mm為主；注漿后地層鉆孔滲透系數(shù)保持在10-5等級(jí)以下；工作面涌水量小于工作面排水能力，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采，對(duì)于構(gòu)造區(qū)注漿加固工程具有重要的借鑒意義。