南水北調工程禹州煤礦采空區(qū)技術研究

□申黎平 □屈志剛 □王 偉

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 工程概述

南水北調中線一期工程總干渠在禹州市西南約7 km處通過禹州煤礦區(qū)，禹州煤礦采空區(qū)區(qū)涉及礦井有：新峰礦務局二礦采空區(qū)、禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦采空區(qū)、梁北鎮(zhèn)工貿公司煤礦采空區(qū)和梁北鎮(zhèn)福利煤礦采空區(qū)。由于沿線煤礦地下挖采現象仍在繼續(xù)，采空、塌陷區(qū)仍在繼續(xù)擴大，不僅對渠道穩(wěn)定會產生破壞作用，同時由于渠水下滲，會增大礦坑排水量，給煤礦開采造成不利影響或產生次生地質災害。為了南水北調總干渠及附近煤礦的安全，針對禹州煤礦區(qū)的地質特點，對總干渠下采空區(qū)進行注漿處理。

禹州煤礦采空區(qū)注漿處理完成后，為檢驗采空區(qū)的處理效果，采用地質CT、鉆孔超聲波測試、孔壁成像等物探技術對采空區(qū)進行物探對比試驗，研究采空區(qū)處理情況，探求適宜的驗收手段。

2 采空區(qū)概況

禹州礦區(qū)煤田地層由老至新依次為：古生界寒武系上統(tǒng)崮山組、常山組，石炭系上統(tǒng)太原組，二迭系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組、平頂山組、土門組；新生界第三系和第四系。本渠段基巖除二迭系平頂山組在三峰山～柿園山～白沙山一帶斷續(xù)出露及上石盒子組頂部地層在三峰山北坡有零星出露外，其余均被第四系掩蓋。采空區(qū)分布情況如下：一是原新峰礦務局二礦采空區(qū)沿總干渠長度747 m，所采六4、六2煤層厚度為0.90 m，煤層底板標高為-150～+31，地面標高為+116～+138，煤層埋深107～266m，該礦采空區(qū)為1965年以前開采。二是禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦采空區(qū)，沿總干渠長度1055 m，所采六4、六2煤層厚度為0.75～1.13 m，煤層底板標高為-150～±0，地面標高為+126～+140，煤層埋深126～290 m，該礦采空區(qū)為90年代初期所形成。三是梁北鎮(zhèn)工貿公司煤礦采空區(qū)，沿總干渠長度907 m，所采煤層厚度為0.69～1.04 m，煤層底板標高為-100～+20，地面標高為+126～+142，煤層埋深106～242 m，該礦采空區(qū)多為90年代所形成，但近年來仍有開采。四是北鎮(zhèn)福利煤礦采空區(qū)，沿總干渠長度406m，所采煤層厚度為1 m左右，煤層底板標高為±0～+50，地面標高為+134～+140，煤層埋深90～134m，采空區(qū)時間為1999～2001年。

3 物探措施

3.1 彈性波CT檢測

CT（Computeriyed Tomography）技術，又稱層析成像技術，是醫(yī)學計算機層析掃描技術在地球物理領域的應用和發(fā)展，是一項新興技術。工程CT技術，是借鑒醫(yī)學CT，通過人為設置的某種射線（彈性波、電磁波等）穿過工程探測對象（工程地質體），從而達到探測其內部異常（物理異常）的一種地球物理反演技術。由于所用射線不同，又可分為彈性波CT、電磁波CT及電阻率CT等。目前應用于工程探測的彈性波CT就是利用彈性波信息重建被檢測體內部構造的成像技術。

圖1 彈性波CT檢測原理圖

相同的巖性，波速高的區(qū)域巖體完整；波速低的區(qū)域巖體破碎。這就是利用彈性波CT檢測巖體完整性的基本原理。如圖1所示，A和B為兩個鉆孔，檢測時，先在A孔中某一位置處激發(fā)彈性波，并在B孔中n個等間隔位置處接收，可測得n個彈性小組旅行時；然后，按一定規(guī)律移動激發(fā)點或接收點的位置，直到完成預先設計好的“觀測系統(tǒng)”。若整個觀測系統(tǒng)共激發(fā)m次，則可測得m×n個彈性波旅行時，據此信息，利用計算機作反演計算，即可得到被檢巖體內部的波速圖像。

利用彈性波CT檢測巖體完整性的步驟是：一是用彈性波掃描被檢測體，得到多個彈性波旅行時；二是利用計算機作反演計算，得到被檢測體內部的波速圖像；三是依據巖體的波速評價巖體的完整性。CT激發(fā)點距和接收點距均為1.00 m，即一點激發(fā)，12點接收的觀測系統(tǒng)。實際CT掃描時，先在一孔中某一位置處激發(fā)彈性波，并在另一孔中12個等間隔位置接收，可測得12個彈性波旅行時；然后按一定規(guī)律移動激發(fā)點和接收點位置，直到完成預先設計好的觀測系統(tǒng)。

激發(fā)設備采用大功率電火花震源，接收設備采用12道壓電晶體型串式拾振器和工程地震儀。工作參數，采樣點數1024，記錄長度為125 ms。在采空區(qū)對比試驗區(qū)，經充填注漿處理后，巖體彈性波速度有所提高。如試驗區(qū)J3-3、J3-4鉆孔注漿前后彈性波CT剖面。

經充填注漿處理后，巖體彈性波速度有所提高。注漿前巖體彈性波速度大部處于2200 m/s以上，注漿后巖體彈性波速度大部處于2600 m/s以上?？椎滓陨?0m（三帶區(qū)域），注漿后巖體普遍都＞2600 m/s以上，注漿后低速區(qū)減少較多，試驗區(qū)CT波數分布見表1。

表1 注漿后檢測剖面波數區(qū)間百分比分布表

從波數區(qū)間百分比分布匯總表分布表上看，波數值95%以上區(qū)域波數值大于2600 m/s。

3.2 鉆孔超聲波測試檢測

鉆孔超聲波測試為單孔聲波法，以人工激震的方法向介質發(fā)射聲波，在一定的空間距離上接收被測介質的傳播速度、振幅、頻率等聲波參數，通過數據處理與分析，研究巖土特性。物理使用一發(fā)雙收聲波探頭進行測試。使用儀器為RS－ST01C非金屬超聲波測試儀?，F場工作裝置如圖所示，在鉆孔內進行，由下向上逐點測試，測試點距0.20 m。J3-4鉆孔充填灌漿前、后聲波測試對比曲線如圖2。

J3-4鉆孔充填灌漿前超聲波測試，巖體速度在1639～4082 m/s之間，平均速度為2564 m/s。灌漿后超聲波測試，巖體聲波速度在1667～4545 m/s之間，平均速度為2885 m/s。該鉆孔巖體超聲波速度較低。高程65.20 m以上超聲波速度低；高程65.20 m以下超聲波速度有所提高。巖體超聲波速度突變情形比較普遍，在測試曲線上基本不出現平直段。

高程65.20m以下巖體灌漿前超聲波速度在1770～4082 m/s之間，平均2643m/s，灌漿后在2062～4545 m/s之間，平均3002 m/s；經充填灌漿處理后巖體超聲波速度平均提高13.58%。

圖2 工作裝置示意圖和J3-4聲波測試對比曲線圖

3.3 鉆孔全孔壁光學成像檢測

鉆孔全孔壁光學成像系統(tǒng)采用了特殊的光學系統(tǒng)，能比較全面的觀察孔壁四周圖像。使用360°全景數字電視攝像，真實、全面記錄鉆孔孔壁情況，采用軟件對圖像進行采集處理，形成連續(xù)的全孔壁展開圖像。圖像的縱向連接是按深度順序拼接的，圖像清晰，實現鉆孔全壁面的影像成圖，真實、全面的保存鉆孔孔壁影像資料。該物探技術可詳細描述巖體裂隙注漿前后裂隙的發(fā)展及充填狀況等孔內地質情況，了解檢查孔的巖體變化情況。

使用智HX-JD-01型智能鉆孔電視成像儀主要由控制系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)、數據采集處理系統(tǒng)組成。下井探頭裝配有成像設備和電子羅盤，攝像頭通過360度廣角鏡頭攝取孔壁四周圖像，利用計算機控制圖像采集和圖像處理系統(tǒng)，同時控制電機提升、下放探頭，自動采集圖像。對鉆孔孔壁每10mm攝取1幀圖像，并進行展開、拼接處理，形成鉆孔全孔壁柱狀剖面連續(xù)圖像實時顯示，連續(xù)采集記錄全孔壁圖像。電子羅盤實時采集方位角，上傳給計算機實時顯示，孔壁圖像從羅盤指示的正北方向展開，視頻幀與幀之間無縫拼接，無百葉窗等現象。

從鉆孔全孔壁光學成像檢測結果看，充填注漿處理后鉆孔孔壁裂隙長度縮短，條數減少，破碎程度減輕，充填物基本密實。描述見圖3和實驗區(qū)成像統(tǒng)計描述表2。

4 結語

一是從對采空區(qū)布置的監(jiān)測儀器的監(jiān)測成果顯示，在總干渠安全保護煤柱范圍內注漿施工區(qū)的地表變形和地基巖土體的變形基本是穩(wěn)定的，未出現有過大的變形，亦驗證注漿施工對消除采空區(qū)巖土體的殘余變形是有效的。3種物探探測方法均能顯示注漿后地下巖土體變化情況。二是彈性波CT檢測，檢測范圍為兩孔之間的巖土體情況，檢測面積大，代表性強；鉆孔超聲波測試檢測、全孔壁光學成像都只是針對一個孔進行的地質描述，并不代表大區(qū)域的地質情況。禹州采空區(qū)處理面積廣，埋深大，為檢測地下巖土體情況并不增加太多物探費用下，鉆孔超聲波測試檢測、全孔壁光學成像這兩項物探方法不宜作為采空區(qū)處理驗收參考手段。三是結合物探及注漿技術，禹州采空區(qū)注漿驗收最后采用彈性波CT和注漿檢查為主，綜合評定注漿效果。

圖3 全孔壁光學成像對比圖

表2 鉆孔全孔壁光學成像主要描述表

[1]張啟生，韓進國.彈性波CT在煤礦采空區(qū)注漿填充施工質量檢測的應用效果[J].中國冶金地質局山東正元地質勘測院，2010（21）：61-62.