破碎圍巖注漿加固效果評(píng)價(jià)技術(shù)研究進(jìn)展

王曉蕾， 姬治崗

(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，煤礦機(jī)械裝備維護(hù)與檢測(cè)試驗(yàn)呂梁市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呂梁 033000)

中國(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)消費(fèi)大國(guó)，煤炭在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)具有重要的促進(jìn)作用[1-3]。至“十三五”末，中國(guó)煤炭總消耗量為42億噸，占能源結(jié)構(gòu)的62%，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)中國(guó)能源還是以煤炭為主。

隨著煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不向深部開(kāi)采，隨著深度的增加，地應(yīng)力的增大[4]，越來(lái)越多的巷道出現(xiàn)軟巖特性，同時(shí)，受到相鄰工作面采動(dòng)影響，巷道煤巖體進(jìn)一步被破壞，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)[5-7]。

注漿是保證控制煤巖體繼續(xù)破壞的有效手段，注漿材料形成的固結(jié)體將原來(lái)松散的煤巖體固結(jié)形成一個(gè)整體[8-9]，同時(shí)，注漿屬于隱蔽工程，注漿效果的評(píng)價(jià)嚴(yán)重制約注漿工程的發(fā)展，若能準(zhǔn)確判斷注漿效果對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[10-11]。

現(xiàn)基于深部煤巖體注漿加固效果評(píng)價(jià)，總結(jié)注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù)的現(xiàn)狀，分析注漿效果評(píng)價(jià)存在的不足，針對(duì)存在的不足，提出未來(lái)深部煤巖體注漿加固效果評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 注漿效果評(píng)價(jià)方法

對(duì)深部破碎煤巖體注漿工程進(jìn)行效果評(píng)價(jià)是保證煤礦安全生產(chǎn)的前提，是控制深部煤巖體繼續(xù)破壞的基礎(chǔ)。對(duì)于深部破碎煤巖體注漿效果的評(píng)價(jià)方法目前有四大類，如圖1所示。

圖1 注漿加固效果評(píng)價(jià)方法分類Fig.1 Classification of evaluation methods for grouting reinforcement effect

2 分析評(píng)價(jià)法

2.1 P-Q-t曲線法

P-Q-t曲線法是用三參數(shù)記錄儀(圖2)對(duì)注漿過(guò)程中的注漿量、注漿壓力、注漿時(shí)間進(jìn)行跟蹤記錄，通過(guò)處理系統(tǒng)將以上三參數(shù)進(jìn)行處理，輸出注漿壓力P與時(shí)間t、注漿量Q與時(shí)間t關(guān)系曲線。最終根據(jù)工程地質(zhì)特征、注漿參數(shù)、注漿材料特性等綜合分析注漿效果。該法簡(jiǎn)單，易操作，適用于簡(jiǎn)單工程。

圖2 三參數(shù)記錄儀Fig.2 Three parameter recorder

薛翊國(guó)等[12]采用P-Q-t曲線法對(duì)青島膠州灣海底隧道涌水?dāng)鄬幼{效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該方法表明注漿效果較好，起到了阻水的目的；王曉蕾等[13]采用該方法對(duì)深部巷道破碎圍巖注漿加固效果進(jìn)行了研究，得出了雙曲線，綜合地質(zhì)條件以及工程特點(diǎn)對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；章定文等[14]采用該方法對(duì)鐵路巖溶路基注漿工程注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，采用分序注漿對(duì)曲線變化特征進(jìn)行了分析；王乾等[15]采用P-Q-t曲線法對(duì)青島膠州灣隧道圍巖加固注漿效果進(jìn)行了分析，結(jié)合其他方法綜合評(píng)價(jià)了注漿效果；周小生等[16]采用該方法對(duì)富水強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道注漿加固效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，證實(shí)了該方法的可行性；俞文生等[17]采用注漿參數(shù)法對(duì)富水?dāng)鄬铀淼劳凰{加固工程進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該體系對(duì)注漿加固工程具有一定的借鑒作用；方健[18]采用參數(shù)法對(duì)告訴鐵路隧道注漿效果進(jìn)行了分析，該評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較好的反應(yīng)注漿工程；王天彪等[19]采用模擬技術(shù)對(duì)卵石注漿加固進(jìn)行了研究，并用參數(shù)法對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；楊昌賢等[20]采用P-Q-t曲線法對(duì)隧道富水砂泥巖地層注漿加固效果進(jìn)行了分析；岳志華[21]采用參數(shù)法對(duì)富水軟弱破碎區(qū)注漿加固效果進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。

2.2 漿液填充率法

漿液填充率法是通過(guò)記錄注漿過(guò)程中注漿總量，反算鉆孔的漿液填充率，其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：D為注漿地層漿液填充率，%；Q為注漿工程的注漿總量，m3；β為注漿過(guò)程中漿液損失率，%；V為注漿工程需要加固的地層體積，m3；n為注漿工程地層孔隙度。

郭穎[22]采用漿液填充率法對(duì)巖溶地基注漿效果進(jìn)行了分析，為注漿效果檢測(cè)提供了保證；王慧潔等[23]采用漿液填充率法對(duì)盾構(gòu)壁注漿效果進(jìn)行了研究，分析了注漿效果；李傳富等[24]采用漿液填充率法對(duì)隧道工程防水注漿機(jī)理和施工技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)于注漿工程指導(dǎo)具有重要意義；郭建文等[25]采用漿液填充率法對(duì)隧道注漿效果進(jìn)行了研究，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求；屈浩[26]采用漿液填充率法對(duì)透明裂隙介質(zhì)注漿進(jìn)行了研究，為注漿工程提供了技術(shù)支持。

3 鉆孔檢查法

3.1 鉆孔電視法

鉆孔電視法是通過(guò)鉆孔電視設(shè)備對(duì)鉆孔裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比注漿前后裂隙充填情況分析注漿加固效果，鉆孔電視設(shè)備如圖3所示。通過(guò)鉆孔電視得出的鉆孔內(nèi)部裂隙充填情況如圖4所示。

圖3 鉆孔電視Fig.3 Boreholes television

圖4 數(shù)字式探測(cè)結(jié)果Fig.4 Detecting results of digital

帥建兵[27]采用鉆孔電視對(duì)地鐵車(chē)站注漿效果進(jìn)行了分析，具有很好的直觀性；李光勇[28]采用鉆孔電視對(duì)建筑物下伏采空區(qū)注漿效果進(jìn)行了分析；張文彬[29]采用鉆孔電視對(duì)小煤柱注漿加固效果進(jìn)行了研究；張連震等[30]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)軟弱地層注漿加固效果進(jìn)行了定量化分析；賀文等[31]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)采空區(qū)充填治理進(jìn)行了分析，為建筑物評(píng)價(jià)提供了參數(shù)；王琦等[32]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)三軟煤層巷道加固進(jìn)行了系統(tǒng)性研究；甘志超等[33]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)老窯采空區(qū)充填治理進(jìn)行了研究；曲相屹等[34]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)采空區(qū)注漿加固效果進(jìn)行了研究，為相似工程提供了借鑒；李樹(shù)志等[35]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)采空區(qū)注漿效果進(jìn)行了分析，準(zhǔn)確了解了注漿裂隙充填；王連國(guó)等[36]采用鉆孔電視技術(shù)對(duì)軟弱巷道底鼓工程進(jìn)行了治理，對(duì)相似工程具有指導(dǎo)意義；劉治國(guó)[37]采用鉆孔電視對(duì)采空區(qū)注漿治理效果進(jìn)行了分析，為施工人員提供了參考；張農(nóng)等[38]采用鉆孔電視法對(duì)千米深井注漿工程進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)；崔鋒[39]采用鉆孔探測(cè)技術(shù)對(duì)采空區(qū)治理進(jìn)行了研究，為綜合檢測(cè)技術(shù)推廣提供了支持。

3.2 鉆孔取芯率法

鉆孔取芯率法是通過(guò)注漿后對(duì)被注地層進(jìn)行取芯，通過(guò)計(jì)算完整巖芯占所有巖芯的比例來(lái)評(píng)價(jià)注漿效果，巖芯圖片如圖5所示，其計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：q為完整巖芯取芯率，%；Lw為完整巖芯長(zhǎng)度，m；Lz為鉆孔取芯的總長(zhǎng)度，m。

圖5 鉆孔巖芯Fig.5 Borehole core

袁進(jìn)科等[40]采用鉆孔取芯率法對(duì)地鐵隧道富水砂層注漿效果進(jìn)行了分析，通過(guò)檢驗(yàn)證實(shí)了注漿達(dá)到了預(yù)期效果；王保慶[41]采用鉆孔取芯率法對(duì)成樁注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為樁柱注漿效果檢測(cè)提供了技術(shù)支持；魏忠誠(chéng)[42]采用鉆孔取芯率法對(duì)立井穿越采空區(qū)施工技術(shù)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為井筒施工提供了技術(shù)支持，對(duì)于同類礦井建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義；先澤祥[43]采用鉆孔取芯率法對(duì)穿越煤礦采空區(qū)注漿加固效果進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，填補(bǔ)了采空區(qū)加固注漿施工的空白，具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值；郭守泉[44]采用鉆孔取芯率法對(duì)雙河煤礦深井高應(yīng)力破碎巷道進(jìn)行了注漿效果評(píng)價(jià)，該技術(shù)對(duì)于煤礦巷道治理具有一定的治理借鑒作用。

3.3 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)試鉆孔不同階段的滲透性，通過(guò)地層的滲透性來(lái)判斷注漿效果[45]。分段注水系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 分段注水系統(tǒng)Fig.6 Staged waterflood system

其計(jì)算公式為

(3)

式(3)中：k為鉆孔地層滲透系數(shù)，m/d；A為地層試驗(yàn)注水漏失量，m3；l為鉆孔測(cè)試階段的長(zhǎng)度，m；s為鉆孔中水頭的高度，m；r為測(cè)試鉆孔的半徑，m。

楊鑫[46]采用滲透系數(shù)法對(duì)承壓水上開(kāi)采底板注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，詳細(xì)敘述了該方法的實(shí)施步驟，為相似工程進(jìn)行注漿效果評(píng)價(jià)提供了技術(shù)借鑒；劉凱[47]采用滲透系數(shù)法對(duì)破碎帶地層注漿加固工程效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，依據(jù)工程施工需求，提出了改變地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工工藝，對(duì)于提供注漿效果具有重要意義；姬程飛等[48]采用滲透系數(shù)法對(duì)隧道工程富水破碎帶注漿加固效果進(jìn)行了研究，詳細(xì)敘述了滲透系數(shù)法施工過(guò)程中注意的問(wèn)題，為破碎帶注漿加固效果評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)保證，為相似工程注漿效果評(píng)價(jià)提供了借鑒；王全華[49]采用鉆孔滲透系數(shù)法對(duì)富水含砂軟土地層注漿效果進(jìn)行了研究，為相關(guān)經(jīng)驗(yàn)工程提供了工程參考。

4 開(kāi)挖取樣法

4.1 力學(xué)參數(shù)對(duì)比法

力學(xué)參數(shù)對(duì)比法是通過(guò)對(duì)施工地層注漿前后進(jìn)行鉆孔取芯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試對(duì)比分析注漿前后力學(xué)參數(shù)變化特征，綜合判斷注漿地層的注漿效果情況。主要對(duì)比的力學(xué)參數(shù)有抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、含水率、抗拉強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)參數(shù)。

肖紅渠等[50]采用力學(xué)參數(shù)法對(duì)海底隧道施工注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，注漿后地層的力學(xué)參數(shù)得到有效提高，改善了圍巖的透水能力及力學(xué)強(qiáng)度，保證了施工；付文才等[51]采用錨網(wǎng)噴注技術(shù)對(duì)支護(hù)進(jìn)行了研究，通過(guò)力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠有效改變圍巖力學(xué)參數(shù)，提高煤巖體力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)于相似工程具有重要的借鑒作用；鄧志勇[52]采用注漿工程對(duì)大面積巖體滑坡進(jìn)行了注漿加固治理，通過(guò)力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，注漿后其自身不僅增假了抗剪強(qiáng)度，同時(shí)提高了預(yù)應(yīng)力；馬開(kāi)玉等[53]采用錨網(wǎng)噴柱對(duì)深水平破碎巖層進(jìn)行了加固處理，通過(guò)力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)提高圍巖力學(xué)參數(shù)，提高圍巖強(qiáng)度；李文洲[54]采用注漿加固技術(shù)對(duì)煤礦馬頭門(mén)進(jìn)行了處理，失穩(wěn)破壞得到了有效處理，力學(xué)參數(shù)表明，注漿后圍巖結(jié)構(gòu)整體完整，錨索受力穩(wěn)定，注漿效果明顯；張興才等[55]采用注漿對(duì)千米深井巷道圍巖進(jìn)行加固處理，結(jié)果顯示注漿能夠適應(yīng)高應(yīng)力軟巖巷道壓力變化特征；劉世江[56]采用注漿技術(shù)對(duì)弱膠結(jié)頂板破碎巷道進(jìn)行了加固處理，力學(xué)參數(shù)表明其具有提高圍巖力學(xué)強(qiáng)度的作用；劉鵬飛等[57]采用帷幕注漿加固法對(duì)高含水率黃土隧道進(jìn)行了加固處理，結(jié)果表明，支護(hù)得到改善，含水率降低；孫淼等[58]采用注漿技術(shù)對(duì)護(hù)巷柱進(jìn)行加固，參數(shù)表明，圍巖力學(xué)強(qiáng)度得到有效提高；孫敬濤等[59]采用注漿技術(shù)對(duì)破碎巖體含水層巷道進(jìn)行處理，結(jié)果表明巷道變形得到有效控制，強(qiáng)度大大提高；王春等[60]采用力學(xué)參數(shù)法對(duì)回采巷道斷層錨固支護(hù)進(jìn)行了分析，其圍巖整體強(qiáng)度提高。

4.2 加固效果觀察法

加固效果觀察法是通過(guò)加固后通過(guò)打檢測(cè)孔觀察檢測(cè)孔涌水、涌沙以及是否產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象綜合評(píng)價(jià)注漿效果，為直觀評(píng)價(jià)法。圖7所示為加固效果觀察圖[61]。

圖7 加固效果Fig.7 Reinforcement effect

劉再斌等[62]采用注漿加固效果觀察法對(duì)陷落柱治理注漿工程效果進(jìn)行了分析，詳細(xì)敘述了該方法的流程以及評(píng)價(jià)指標(biāo)，為類似工程效果評(píng)價(jià)提供了借鑒；張金祥[63]對(duì)路基巖溶注漿工程效果進(jìn)行了分析，采用注漿加固效果觀察法對(duì)其進(jìn)行了研究，無(wú)涌水、涌沙、涌泥現(xiàn)象, 檢查孔放置一段時(shí)間后無(wú)塌孔現(xiàn)象；萬(wàn)浩然等[64]采用加固效果觀察法對(duì)富水巖溶地鐵站基坑注漿加固效果進(jìn)行了分析，通過(guò)加固效果觀察發(fā)現(xiàn)基底巖溶被注漿有效加固；楊成忠等[65]采用加固效果觀察法對(duì)隧道進(jìn)口段注漿效果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其圍巖收斂最終趨于穩(wěn)定。

5 物探法

物探法主要是通過(guò)儀器對(duì)注漿前后地層進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)裂縫特征、電阻率、聲波變化等特征判斷注漿效果。主要的儀器有地質(zhì)雷達(dá)、電法儀、超聲波檢測(cè)儀。圖8所示為地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖，圖9所示為電阻率變化情況，圖10所示為超聲波檢測(cè)圖。

圖8 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖Fig.8 Geological radar detection map

圖9 電阻率變化Fig.9 Resistivity change

圖10 超聲波檢測(cè)Fig.10 Ultrasonic inspection

李榮[66]采用物探法對(duì)注漿堵水工程進(jìn)行了研究，注漿后異常區(qū)明顯減少；李建力等[67]采用物探技術(shù)對(duì)陷落柱進(jìn)行了加固效果處理，通過(guò)物探分析發(fā)現(xiàn)，注漿后異常區(qū)減少；高振宇[68]采用物探法對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下注漿治理工程進(jìn)行了分析，通過(guò)物探發(fā)現(xiàn)注漿后異常區(qū)減少；韓貴雷[69]采用物探技術(shù)對(duì)城門(mén)山銅礦改性湖泥注漿加固工程進(jìn)行了效果檢測(cè)；王廣強(qiáng)等[70]采用物探技術(shù)對(duì)辛安礦復(fù)雜構(gòu)造下涌突水注漿加固工程進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)；蔣輝等[71]采用地震散射方法對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析了該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為類似工程效果評(píng)價(jià)提供了借鑒；胡熠等[72]采用物探技術(shù)對(duì)巖溶路基注漿加固工程進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)，注漿后電阻率、波速等均有所變化；劉軍勇等[73]采用瞬變電磁法對(duì)公路采空區(qū)注漿加固效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該方法對(duì)于采空區(qū)治理效果評(píng)價(jià)具有重要作用；潘光明等[74]采用物探技術(shù)對(duì)隧道松軟圍巖注漿加固效果進(jìn)行了研究，總結(jié)了定量化標(biāo)準(zhǔn)；李耀偉[75]采用物探技術(shù)對(duì)帶壓開(kāi)采注漿加固技術(shù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，圈定了異常區(qū)；彭永良等[76]采用物探技術(shù)對(duì)大型復(fù)雜采空區(qū)注漿效果進(jìn)行了分析，為類似工程評(píng)價(jià)提供了借鑒。

6 問(wèn)題與展望

注漿效果評(píng)價(jià)對(duì)于注漿工程具有重要意義，中外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[77-78]，取得了眾多研究成果，但也存在一定的問(wèn)題，基于存在的問(wèn)題分析了未來(lái)注漿效果發(fā)展趨勢(shì)[79-80]。

(1)對(duì)于注漿效果評(píng)價(jià)，尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒，大部分憑借施工經(jīng)驗(yàn)和探測(cè)分析來(lái)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，未來(lái)需要提出注漿效果評(píng)價(jià)方法以及定量性指標(biāo)。

(2)物探技術(shù)受到環(huán)境影響較大，不能作為主要的注漿效果評(píng)價(jià)手段，其只能作為輔助手段，未來(lái)應(yīng)研發(fā)新型物探技術(shù)，減少周?chē)h(huán)境對(duì)于物探結(jié)果的影響。

(3)單一方法對(duì)于注漿效果作用較小，具有不準(zhǔn)確性，未來(lái)應(yīng)該多種評(píng)價(jià)方法綜合運(yùn)用，邊注漿邊評(píng)價(jià)。

(4)未來(lái)注漿效果評(píng)價(jià)應(yīng)針對(duì)不同的注漿工程提出不同的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。