基于探測技術的底板構造區注漿加固效果評價

郎 君，劉正武

(呂梁學院礦業工程系，山西 呂梁 033000)

0 引 言

我國是一個煤礦大國，煤炭在我國能源結構中占有重要地位，對于經濟發展具有重要意義[1]。隨著煤礦資源的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤炭企業不得不向深部發展，我國礦井正以每年8～12 m的速度向下延伸[2]。隨著開采深度的增加，煤礦面臨水害威脅，特別是沁水煤田受底板構造區高壓奧灰水影響[3]。一旦發生突水事故，將造成大量的財產損失和人員傷亡，甚至造成社會不穩定因素[4-5]。

注漿加固技術是保證工作面底板穩定的有效手段，它是沿著工作面巷道布置鉆場向煤層底板鉆注漿孔，通過注漿孔將漿液輸送到底板構造區內，從而大大減弱底板構造區的富水性并切斷給水源[5]，而注漿效果評價對于工作面底板構造區的穩定起著決定性作用。

對于注漿效果評價技術的研究，國內外眾多學者進行了大量的研究，評價方法以定性評價為主，尚沒有統一的標準可以借鑒，由于注漿效果評價技術的不規范，導致工作面底板注漿加固工程完成后無法正確評價，無法保證注漿工程取得良好的效果[6-8]。因此，注漿效果評價技術指標對于保證注漿工程質量具有重要意義。本文以山西某礦為試驗礦井，利用綜合物探技術對構造區進行探測并對其進行注漿加固改造，對改造后的區域進行物探、鉆孔電視窺視、分段注水測試，并對工作面回采過程中涌水量進行監測，基于工作面的安全回采提出了構造區注漿加固效果探測技術評價表，以期對今后類似工程的注漿施工提供借鑒價值。

1 工程概況

山西某礦生產能力為1.5 Mt/a，主采5號煤層，煤層平均厚度為9.4 m，煤層傾角為31°。以3205工作面作為試驗工作面，工作面底板下方為灰巖，屬于富水含水層，距離最小58 m，最大81 m，水壓可達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 探測設備

1、瞬變電磁

瞬變電磁是通過接地線向地下發射電磁場，在脈沖磁場期間利用接地電極引起的渦流場進行電阻率探測的一種方法，其原理如圖2所示[9]。

圖2 瞬變電磁探測原理圖

2、直流電法

直流電法是利用煤巖體與富水區域的電性區別進行探測的。通過人為向底板煤巖體提供穩定電流，利用接收設備觀測電流在底板的分布情況，從而確定底板的構造異常區[10]。探測原理如圖3所示。

圖3 直流電法原理圖

2.2 探測布置及結果分析

1）瞬變電磁

瞬變電磁探測采用偶極進行分析，距離設置為15 m，探測布置示意如圖4所示。線圈指向探測方向，在巷道兩側分別布置15個測點。

圖4 布置方式與探測方向

瞬變電磁探測后采用GOTEM進行處理，經過正反演計算，得出底板層的電阻率與距離探測數據圖，結合水文地質特征，對正反演圖像進行處理，其探測數據如圖5所示。

圖5 瞬變電磁探測結果

由圖5可知，在整個勘測范圍內存在3個低電阻率區，從左向右依次標記為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。導高較大且分布極不均勻；Y2區域范圍較小，導高最小，內部發育極不均勻，工作面回采時容易發生突水；Y3區域范圍中等，導高中等發育不均勻，有發生突水的可能。

2）直流電法

直流電法采用四極探測法，共布置30個物理點。直流電法探測數據如圖6所示。

圖6 直流電法探測結果

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

3）物探綜合分析

采用瞬變電磁和直流電法對3205工作面進行探測。兩種物探方法相結合，查明了3205工作面底板90 m范圍內的巖層賦水特性，綜合兩種物探數據，得出煤層底板巖層低阻異常區如圖7所示。

圖7 工作面綜合探測異常區平面圖

圖中的綠色、藍色、青色陰影區域分別顯示的是工作面底板下方30 m（發生底板突水可能性較大的切片）、40 m（不排除發生底板滲、出水可能性的切片）、55 m（存在于深部不會發生底板突水的切片）處的異常區域平面分布情況。選取30 m、50 m兩個切片深度，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，結合相似水文地質條件礦區的物探經驗進行確定。

由圖7可知，工作面底板存在3個異常區域，其編號分別為 Z1、Z2、Z3。

Z1、Z2異常區范圍和導高較大，工作面回采發生底板突水概率較大，對工作面安全回采存在較大影響，要引起重視。

Z3異常區范圍和導高中等，工作面回采不排除發生底板滲、出水的可能性，要引起注意。

3 底板注漿改造

根據物探結果對底板進行注漿加固改造，灰巖擴散半徑設計為25 m，在正常地層段進行均勻布孔，對于富水區域進行密集布孔，在工作面的兩側巷道分別布置八個鉆窩，對于正常地層布置6個鉆孔，對于異常區域布置8個鉆孔，鉆窩布置如圖8所示。

圖8 鉆場布置示意圖（單位：mm）

根據底板深度和物探結果進行鉆孔參數設定，設計終孔為進入灰巖5 m，鉆孔最大長度為151 m，最小長度為62 m。共布置鉆孔60個，共鉆進長度4 526.65 m。采用全液壓鉆機進行鉆進。注漿材料選用雙液無機注漿材料，利用2TGZ- 60/210注漿泵進行注漿，注漿壓力設計為3～4 MPa，根據地質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

雙液無機注漿材料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。添加相應的速凝劑、緩凝劑、減水劑。注漿材料凝結時間最長可達到35 min，最短為30 s，凝結時間區間較大，能夠適應底板構造區注漿加固工程；抗壓強度可達16.8 MPa，能夠滿足強度要求；漿液干縮率隨著水灰比的增大而增加，當水灰比為2.0∶1時，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定性；漿液泌水率隨著水灰比的增大而增加，當水灰比為2.0∶1時，漿液的泌水率達到最大值，為4.7%，小于5%，較低的泌水率能夠保證材料得到充分反應，達到材料最優效果。

4 注漿效果評價

工作面底板構造區注漿加固后，其構造區完整性、連續性必然發生改變，對于完整性主要指裂隙寬度兩方面，注漿后漿液構造區充填，最終固結硬化，使得裂隙開度與寬度必然減少，可通過滲透系數法進行評價；連續性是指漿液充填后，將構造區充滿漿液，將不完整的煤巖體固結形成連續整體，可通過物探技術、鉆孔電視窺視技術進行評價。綜上所述，采用物探、鉆孔電視、滲透系數法對構造區注漿效果進行評價。

4.1 物探技術

物探檢測法是測定注漿前后構造區地層視電阻率變化特征，通過注漿前后的視電阻率變化評價注漿效果。采用直流電法對注漿后的底板進行探測，得到的探測結果如圖9所示。

圖9 注漿后探測結果

對比圖6和圖9可知，注漿后異常區D1范圍大幅度減少，視電阻率明顯升高，說明注漿后漿液將構造區中的水置換出來，煤巖體連續性得到提高，注漿改造效果明顯。

4.2 鉆孔電視探測

鉆孔電視探測是一種直觀地對裂隙連續性分析的一種方法。通過對比注漿前后工作面底板構造區裂隙充填情況來判斷注漿效果。

鉆孔電視探測可以清晰地看到鉆孔內部裂隙情況（鉆孔電視結構如圖10所示）。能夠很好地反映注漿后地層特征[14]，該設備通過CCD光學耦合器將鉆孔中裂隙發育特征進行實時采集（如圖11所示），深度測試裝置監測探頭深度并傳輸到處理器中，最后通過圖片形式展現出來。

圖10 鉆孔電視結構圖

圖11 注漿后裂隙充填情況

通過鉆孔電視進行探測，能夠將鉆孔內的情況以圖片的形式展現出來，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有被白色漿液填充，經分析，普通水泥漿液難以進入地層微小裂隙中，而大多數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性，注漿改造效果明顯。

4.3 滲透系數法

滲透系數法是通過分段注水試驗測定地層水漏失量，根據下式得出滲透系數的一種方法，對于底板注漿改造、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，m /d；

Q——測試過程中每個測試段穩定注水量，m3；

l——每次測試的長度，m；

s——鉆孔中承壓水的壓力，MPa；

r——測試過程中所鉆鉆孔的半徑，m。

測試過程中采用山東科技大學設計的雙栓塞注漿測試設備，該設備具有很好的測試效果，其測試原理是：注漿前裂隙整體發育度較高，當注漿加固工程實施后，裂隙被漿液充填，裂隙發育度隨之降低，鉆孔注水量明顯減低，通過鉆孔注水量判斷裂隙充填情況，注水試驗設備結構如圖12所示[14]。

圖12 注水設備結構示意圖

試驗過程中采用注漿壓力為5.5 MPa，每次測試1 m，每段測試三次取平均值，測試結果如表1所示。

表1 注水試驗測試結果

根據測試結果結合上式進行計算，得出地層的滲透系數在 1.73×10-5～1.91×10-5cm/s之間，滲透系數較小，理論上滿足工作面安全回采的需要，達到注漿加固改造的效果。

5 注漿效果檢驗

為了進一步分析注漿對于底板改造的效果，對工作面回采過程中涌水量進行監測，得出不同推進距離下的涌水量曲線如圖13所示[15]。

圖13 涌水量曲線圖

由圖13可知，工作面開采初期涌水量隨著回采距離的增加呈直線上升，隨著開采的不斷推進，在150～300 m之間呈現降低趨勢，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）。實現了工作面的安全回采。

6 綜合評定指標

注漿效果評價是對構造區注漿加固工程實施好壞的有效評定，以安全回采為依據。采用物探技術、鉆孔電視法、滲透系數法、涌水量監測法對注漿指標進行了評定，根據各個方法的特點，得出構造區注漿加固評價表如表2所示。

表2 構造區注漿加固效果探測技術評價表

物探技術對于一定埋深條件下的精度較高，而對于深部開采物探精度大大降低，同時，煤礦施工過程中使用大量的錨桿、錨索等鋼制材料，對于物探結果存在較大影響，因此，物探技術僅能作為注漿效果評價的補充手段。

鉆孔電視探測該技術屬于物理探測技術，不受地質環境的影響，其裂隙寬度精度可達0.1 mm，通過探測圖像能夠直觀地看到裂隙充填情況，具有非常高的準確度，但無法實現全注漿區域的探測，可作為注漿效果評價的主要手段。

滲透系數法該方法屬于物理探測技術，受地質環境影響較少，通過注漿量反算地層滲透率，定量評價注漿效果，與鉆孔電視一樣無法實現全注漿區域的地層測試，可作為注漿效果評價的主要手段。

涌水量監測法是注漿效果檢測的有效方法，通過記錄不同推進距離下的工作面涌水量定量評價注漿效果，是注漿效果評價的主要手段。

7 結束語

對評價指標進行了定性和定量化分析，提出了構造區注漿加固效果探測技術評價表，注漿后異常區范圍大幅度減少，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保持在10-5等級以下；工作面涌水量小于工作面排水能力，實現了工作面的安全回采，對于構造區注漿加固工程具有重要的借鑒意義。