綜合物探方法在急傾斜煤層采空區(qū)注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

葉里扎提·吾林巴斯，付剛飛，劉 峰

（1.新疆維吾爾自治區(qū)交通建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830049；2.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；3.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊，河北 燕郊 065201）

0 引 言

隨著中國工程建設(shè)的高速發(fā)展，工業(yè)與民用建筑、公路、鐵路等領(lǐng)域的眾多項(xiàng)目在建設(shè)過程中不可避免地遇見煤礦采空區(qū)問題。一般情況下，多采用注漿手段對下覆采空區(qū)及變形影響區(qū)進(jìn)行加固治理［1－2］。目前，檢測、評價經(jīng)過注漿加固的場地是否滿足工程建設(shè)的需要，可采用的手段較多，有鉆孔檢查法、聲波測試法、鉆孔抽（壓）水檢查法、電測深法、高密度電法、電磁波CT法、地質(zhì)雷達(dá)法、旋轉(zhuǎn)觸探法等，每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)［3－6］。一般常采用的方法多為瞬變電磁法或地面高密度電法，但在工程實(shí)際應(yīng)用中這2種方法僅從治理加固前后電磁場特征的變化對采空區(qū)整體注漿效果進(jìn)行評價，不能有效解析加固后場地內(nèi)物探異常點(diǎn)的特征。因此，單一地采用瞬變電磁法或高密度電法存在一定的局限性［7－10］。

本文結(jié)合工程實(shí)例，在烏魯木齊繞城高速公路（東線）煤礦采空區(qū)治理工程注漿效果檢測中，采用瞬變電磁法與地面高密電法配合對注漿區(qū)進(jìn)行檢測，比較采空區(qū)注漿前后瞬變電磁場特征的變化，對物探異常點(diǎn)輔以鉆探和孔內(nèi)波速測試，綜合分析評價整體注漿效果。該方法為點(diǎn)面結(jié)合的綜合物探方式，依據(jù)鉆探過程中孔內(nèi)循環(huán)液的漏失情況及鉆進(jìn)過程中掉鉆、卡鉆等現(xiàn)象，判斷采空區(qū)空洞高度且是否存在孔隙；檢測孔取芯完成后，在孔內(nèi)進(jìn)行波速測試，以采空區(qū)受注層剪切波速作為其工程質(zhì)量評價指標(biāo)。

1 工程地質(zhì)概況

烏魯木齊繞城高速公路K19＋630～K19＋960段位于米東區(qū)鐵廠溝，地屬低山丘陵區(qū)，總體地勢南高北低，海撥高程為778～893m，現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在四帶西南至東北向煤田采空塌陷區(qū)，局部已回填，但仍可見較多塌陷坑。

礦區(qū)（含井田及周邊地區(qū)）出露的地層主要有侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、侏羅系下統(tǒng)西山窯組（J2x）、第四系（Q3、Q4）。根據(jù)探井、鉆孔揭露，擬建場地地層主要由雜填土、黃土狀粉土、卵石土、全風(fēng)化基巖、強(qiáng)風(fēng)化基巖、煤、微－中風(fēng)化基巖構(gòu)成。

2 瞬變電磁法及高密度電法典型測線結(jié)果分析

2.1 儀器與測線布置

本次瞬變電磁法檢測采用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP32Ⅱ多功能電法工作站的TEM測量系統(tǒng)，包括 NTk－30發(fā)射機(jī)、GDP32Ⅱ接收機(jī)、TEM－3高精度磁探頭、直流電池組和發(fā)射回線等。通過試驗(yàn)確定的最佳野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：儀器采用GDP32Ⅱ（sn：85）型電法工作站TEM測試系統(tǒng)；裝置為大定源回線裝置；發(fā)射框電阻為5Ω；發(fā)射導(dǎo)線截面積為6mm2；供電電流為9.7A；外接最大供電電壓為48V；接收天線磁矩為10 000m2。

本次高密度電法檢測采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK－2A高密度電法測試系統(tǒng)，其主要性能指標(biāo)為：電壓測試范圍±6V；電壓測量精度±1%；電流測量范圍0.5A；電流測量精度±1%；輸入阻抗不小于50MΩ；50HZ工頻壓制不小于80dB。

圖1 注漿效果檢測點(diǎn)平面布置

瞬變電磁法檢測測線布置在注漿區(qū)域內(nèi)外，平行于路線方向均勻布線（圖1）。沿高速公路兩側(cè)布置TEM11與TEM21兩條測線：TEM11位于K19＋630左側(cè)70m至K19＋960左側(cè)60m處，TEM21位于K19＋630右側(cè)60m至K19＋960右側(cè)60m處。瞬變電磁測點(diǎn)距10（20）m，共計297點(diǎn)。

高密度電法檢測孔位布置原則：注漿前背景值的試驗(yàn)點(diǎn)布置在注漿區(qū)域外且平行于擬建道路方向；注漿后，背景值的試驗(yàn)點(diǎn)大部分平行于路線方向均勻布線，局部垂直路線布線。共計9條1 033測點(diǎn)。

2.2 地面物探典型測線檢測結(jié)果分析

（1）瞬變電磁法TEM00測線為典型測線，位于K19＋630右側(cè)20mg至K19＋960右側(cè)80m處，走向與該處煤層走向大角度相交，整體視電阻率相對較低，淺部視電阻率相對較高。該測線地表蓋層主要為第四系沖洪積粉土、卵石土，厚度為30～40m，下伏基巖主要為砂巖、泥巖，下伏基巖上部主要為強(qiáng)風(fēng)化層，下部主要為中－微風(fēng)化層，電阻率值相對較高，整體視電阻率大于100Ω·m，較未注漿區(qū)域有所提高，結(jié)合鉆探資料推測，該測線位置注漿效果整體較好。測線里程K19＋870～K19＋910段表現(xiàn)為低阻異常特征，電阻率為10～40Ω·m的電性異常區(qū)域，地調(diào)資料表明該異常區(qū)域位于煤層位置及附近，推測該處為未采的煤層（安全煤柱區(qū)，該處測點(diǎn)距離為20m，導(dǎo)致低阻異常體范圍有所擴(kuò)大）；測線里程K19＋770附近出現(xiàn)的相對低阻區(qū)，推測為煤夾層導(dǎo)致的低阻相對異常，電阻率為10～40Ω·m的電性異常區(qū)域；測線里程K19＋660附近出現(xiàn)的相對低阻區(qū)，電阻率為10～40Ω·m的電性異常區(qū)域，推測為富水區(qū)（鉆探揭露有水泥漿液充填，位于強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)，裂隙相對較發(fā)育）。等值線圖與物探斷面見圖2、3。

圖2 TEM00測線瞬變電磁法反演視電阻率對數(shù)等值線

（2）高密度電法GMD03測線為典型測線，位于K19＋630左側(cè)210m至K19＋960左側(cè)390m處，電阻率整體表現(xiàn)為淺部低、深部高的特征。結(jié)合地調(diào)資料推測，本測線地表覆蓋層主要為第四系黃土狀粉土、卵石土，粉土電阻率相對較低，卵石土電阻率相對較高，該層分布連續(xù)，厚度較大且分布不均勻，厚度為10～70m。下伏基巖主要為砂巖、泥巖、煤；基巖起伏較大，巖體較破碎；裂隙發(fā)育，電阻率值相對較高，測線里程110～449m為注漿區(qū)域。整體電阻率較未注漿區(qū)域有所提高，結(jié)合鉆探資料推測該測線位置注漿效果較好，整體視電阻率大于100Ω·m，其中測線里程320m段地表低阻為黃土狀粉土表現(xiàn)（粉土電阻率較低），下部高阻為卵石土的表現(xiàn)，較未注漿區(qū)域電阻率有所提高；以測線里程365m段為中心區(qū)域出現(xiàn)低阻異常，結(jié)合地調(diào)資料推測為采空塌陷區(qū)，因注漿后含水量較大所致，經(jīng)鉆孔揭露此區(qū)域內(nèi)有少量漿液充填，推測為注漿效果一般區(qū)域；以測線里程225m段為中心深部出現(xiàn)低阻異常，即電阻率為10～40Ω·m的電性異常區(qū)域，結(jié)合地調(diào)資料推測為局部含煤所致。具體等值線及物探斷面見圖4、5。

圖3 TEM00測線物探解釋斷面

圖4 GMD03測線高密度電法電阻率等值線

3 注漿工程質(zhì)量物探檢測分析

瞬變電磁場法檢測結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。

（1）采空區(qū)呈現(xiàn)的圓或橢圓低阻異常體在注漿后電阻率明顯提高，整體在80Ω·m以上，表明充填效果明顯。

圖5 GMD03測線物探解釋斷面

（2）煤層（煤柱）呈現(xiàn)半橢圓低阻異常體在注漿后電阻率有所提高，但不明顯，說明加固處理的充填效果不明顯。

（3）整體視電阻率相對較低，淺部視電阻率相對較高。第四系厚度為20～60m。局部煤層采空區(qū)域或巖層區(qū)域出現(xiàn)近圓狀低阻異常，根據(jù)地質(zhì)資料可知，推測注漿效果一般或?yàn)楹膸r石裂隙發(fā)育區(qū)。

本注漿工程煤層加固處理后電阻率明顯升高，說明注漿充填效果好。

本次高密度電法檢測結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。

（1）淺部采空區(qū)呈現(xiàn)從地表向深部延伸的半圓或半橢圓異常體；深部采空區(qū)呈現(xiàn)從最底部向上延伸的中低阻半圓或半橢圓異常體，注漿后電阻率明顯提高，整體在80～100Ω·m，表明充填效果明顯。

（2）煤層（煤柱）呈現(xiàn)半橢圓低阻異常體，電阻率為10～40Ω·m的電性異常區(qū)域，注漿后電阻率有提高，但不明顯，說明加固處理的充填效果不明顯。

（3）斷層（破碎帶）呈現(xiàn)階梯式低阻異常體，在注漿區(qū)內(nèi)電阻率有提高，但不明顯，說明加固處理的效果不明顯。第四系呈現(xiàn)淺部電阻率低深部電阻率高的特征，第四系厚度為10～55m。

（4）局部煤層采空區(qū)域出現(xiàn)團(tuán)塊狀低阻異常，根據(jù)地質(zhì)資料推測該處的注漿效果一般（也可能由于注漿時水下滲形成低阻異常）。

本注漿工程煤層加固處理后電阻率明顯升高，表明注漿充填效果明顯。

采空區(qū)在瞬變電磁場法電阻率斷面圖上的形態(tài)與高密度法電阻率斷面圖上的形態(tài)相似，注漿后裂隙和采空破碎巖體固結(jié)，形成一個整體，電阻率變化穩(wěn)定，低阻區(qū)電阻率升高，電阻率等值線由扭曲趨于穩(wěn)定平直，與注漿前相比，注漿后電阻率等值線“塊”特征明顯，說明注漿后巖體的穩(wěn)定性、完整性和導(dǎo)電性均有一定程度提高［11－14］。

4 鉆探與孔內(nèi)波速驗(yàn)證

4.1 鉆探驗(yàn)證

在12個檢測鉆孔中，第三層煤3個孔，占25%；第二層煤3個孔，占25%；第一層煤2個孔，占17%；無煤孔4個，占33%。其中，3個淺層鉆孔和2個深層鉆孔未見到水泥漿充填物，其他7個鉆孔內(nèi)裂隙中有水泥漿充填物，占總數(shù)的58%，深度在68.0～282.0m。

鉆探揭露數(shù)據(jù)表明：檢測孔均打到并穿過了目的層（煤層采空區(qū)或煤柱上方地基加固區(qū)域），裂隙中的水泥漿充填物呈灰白－淺白色，固結(jié)狀態(tài)，沿裂隙面分布，厚度多為0.1～0.3cm。從外觀上觀察水泥粉煤灰漿硬化體，發(fā)現(xiàn)漿液在凝結(jié)時出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，下部水泥含量和致密程度高于上部，說明漿液在充填采空區(qū)或空洞區(qū)時因地下水的作用出現(xiàn)離析現(xiàn)象［15－16］。

本次檢測均采用泥漿循環(huán)護(hù)壁鉆進(jìn)，根據(jù)成孔情況對鉆孔取芯過程中的進(jìn)尺快慢情況、沖洗液漏失情況、取芯率、結(jié)石充填裂隙、掉鉆落鉆等進(jìn)行觀察描述。在鉆孔成孔過程中，進(jìn)尺快慢情況與地層巖性吻合，沖洗液消耗正常，巖芯采取率在75%～95%之間，人工填土和基巖裂隙中可見水泥漿液充填痕跡，進(jìn)尺慢，鉆進(jìn)平穩(wěn)，無掉落鉆現(xiàn)象，加固效果良好。

4.2 孔內(nèi)波速驗(yàn)證

在593m范圍內(nèi)單孔法波速測試鉆孔15個（采樣間隔1.0m），其中背景值測試孔3個，注漿后檢測孔12個。在15個孔中，選取4個典型鉆孔，特征如下：Zk1孔卵石層單孔法平均橫波波速為444m·s－1；Zk2孔卵石層單孔法平均橫波波速為454m·s－1；Zk8孔卵石層單孔法平均橫波波速為472m·s－1；Zk15孔粉土層單孔法平均橫波波速為190m·s－1，卵石層單孔法平均橫波波速為420m·s－1。

鉆孔超聲波檢測2 016m范圍內(nèi)鉆孔15個（采樣間隔0.5m），其中背景值測試孔3個，注漿后檢測孔12個。在15個孔中，選取3個典型鉆孔。Zk1孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 462m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 423m·s－1；強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲縱波速為2 290m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 324m·s－1。Zk8孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 546m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 472m·s－1；強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲縱波速為2 287m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 322m·s－1；中風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 884 m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 667m·s－1。Zk15孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 502 m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 446m·s－1；強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲縱波速為2 254m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 303m·s－1；中風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 898m·s－1，換算后平均超聲波橫波速為1 675m·s－1。

本次檢測主要針對卵石、煤層和基巖地層，但在檢測過程中測得粉土層的橫波波速平均值為205 m·s－1、卵石層的橫波波速平均值為367m·s－1，注漿后的橫波波速平均值為451m·s－1，橫波波速增長了84m·s－1，提高比率為22.9%。

通過背景值與注漿后檢測值的對比分析可知，注漿后強(qiáng)風(fēng)化基巖層縱波波速增長了339m·s－1，橫波波速增長了196m·s－1，增長率達(dá)15.8%；煤層縱波波速增長了230m·s－1，橫波波速增長了133m·s－1（增長率為11.2%），中風(fēng)化基巖層縱波波速增長了385m·s－1，橫波波速增長了223m·s－1（增長率為15.3%）。巖土體的橫波波速均大于250 m·s－1，表明注漿后巖土體橫波波速有所提高，密實(shí)度得到改善，注漿加固效果良好。

5 結(jié) 語

（1）通過鉆探進(jìn)尺速度、沖洗液消耗、巖芯采取率、水泥漿液充填情況可直接評價注漿效果；結(jié)合孔內(nèi)波速測試，通過注漿后巖土的波速特征，可判斷注漿工程的質(zhì)量。

（2）電阻率斷面圖上的形態(tài)、電阻率變化位置與數(shù)值等特征可表征注漿前后巖體的穩(wěn)定性、完整性和導(dǎo)電性的均一程度，從而間接評價注漿工程質(zhì)量。

（3）新疆急傾斜煤礦采空區(qū)注漿工程質(zhì)量檢測采用點(diǎn)面結(jié)合原則，即地面高密度電法、瞬變電磁法與注漿前后鉆孔內(nèi)的聲波檢測法相結(jié)合，既避開了常用的以點(diǎn)代面方法的不足，同時也提高了檢測工作的質(zhì)量。因此本文的方案在業(yè)內(nèi)具有廣泛的推廣價值。