南水北調工程禹州煤礦采空區技術研究

□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，禹州煤礦采空區區涉及礦井有：新峰礦務局二礦采空區、禹州市梁北鎮郭村煤礦采空區、梁北鎮工貿公司煤礦采空區和梁北鎮福利煤礦采空區。由于沿線煤礦地下挖采現象仍在繼續，采空、塌陷區仍在繼續擴大，不僅對渠道穩定會產生破壞作用，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，針對禹州煤礦區的地質特點，對總干渠下采空區進行注漿處理。

禹州煤礦采空區注漿處理完成后，為檢驗采空區的處理效果，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進行物探對比試驗，研究采空區處理情況，探求適宜的驗收手段。

2 采空區概況

禹州礦區煤田地層由老至新依次為：古生界寒武系上統崮山組、常山組，石炭系上統太原組，二迭系下統山西組、下石盒子組，上統上石盒子組、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。采空區分布情況如下：一是原新峰礦務局二礦采空區沿總干渠長度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，該礦采空區為1965年以前開采。二是禹州市梁北鎮郭村煤礦采空區，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，該礦采空區為90年代初期所形成。三是梁北鎮工貿公司煤礦采空區，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，該礦采空區多為90年代所形成，但近年來仍有開采。四是北鎮福利煤礦采空區，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，是醫學計算機層析掃描技術在地球物理領域的應用和發展，是一項新興技術。工程CT技術，是借鑒醫學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，波速高的區域巖體完整；波速低的區域巖體破碎。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，按一定規律移動激發點或接收點的位置，直到完成預先設計好的“觀測系統”。若整個觀測系統共激發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激發點距和接收點距均為1.00 m，即一點激發，12點接收的觀測系統。實際CT掃描時，先在一孔中某一位置處激發彈性波，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；然后按一定規律移動激發點和接收點位置，直到完成預先設計好的觀測系統。

激發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。在采空區對比試驗區，經充填注漿處理后，巖體彈性波速度有所提高。如試驗區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。孔底以上50m（三帶區域），注漿后巖體普遍都＞2600 m/s以上，注漿后低速區減少較多，試驗區CT波數分布見表1。

表1 注漿后檢測剖面波數區間百分比分布表

從波數區間百分比分布匯總表分布表上看，波數值95%以上區域波數值大于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采用了特殊的光學系統，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、卷揚系統、數據采集處理系統組成。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，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圖像實時顯示，連續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和實驗區成像統計描述表2。

4 結語

一是從對采空區布置的監測儀器的監測成果顯示，在總干渠安全保護煤柱范圍內注漿施工區的地表變形和地基巖土體的變形基本是穩定的，未出現有過大的變形，亦驗證注漿施工對消除采空區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，并不代表大區域的地質情況。禹州采空區處理面積廣，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處理驗收參考手段。三是結合物探及注漿技術，禹州采空區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.