姜春露 ，姜振泉，劉盛東，孫強，楊彩

(1.安徽大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥，230601；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州，221116)

化學注漿是解決低滲透性巖土體注漿有效手段，已在采礦、水電、建筑、交通等領域得到推廣應用[1?4]。有關化學漿液新材料的研制及其特性國內許多學者進行了試驗研究[5?10]，對注漿效果的檢驗也進行了相關試驗和大量工程實踐，取得了豐富的研究成果[11?16]，但對化學漿材性能的研究多集中在其物理和力學性能方面，如流變性、凝膠時間、固化強度及結石體抗?jié)B強度等方面。注漿效果檢驗方法主要有傳統(tǒng)的注漿過程分析法、取芯檢查法以及近年來發(fā)展的多種物探方法，但這些方法應用局限于注漿結束之后的注漿效果的檢測，缺少對注漿過程的跟蹤動態(tài)監(jiān)測。在化學注漿過程中，被注介質內部電學參數(shù)尤其是視電阻率變化規(guī)律如何，能否利用視電阻率的實時動態(tài)監(jiān)測來研究化學漿液的擴散規(guī)律與范圍以及視電阻率變化程度如何反映漿液充填效果，國內目前對此研究較少。根據(jù)前期相關試驗結果，在化學漿液滲透擴散過程中，被注介質自然電位顯著下降，激勵電流則發(fā)生躍升，反映出較高的靈敏度。基于這一研究成果，同時也借鑒國內外相關問題的試驗研究經驗，本文作者通過室內模型試驗，利用視電阻率變化信息，研究化學注漿過程中漿液擴散規(guī)律及漿液充填效果，以期能為注漿過程的動態(tài)監(jiān)測、漿液擴散規(guī)律的研究和漿液充填效果檢驗提供一種新方法。

1 模型設計與試驗控制

1.1 模型設計及制作

試驗設計滲透注漿模型如圖1所示。模型材料采用有機玻璃，外觀為圓柱形，外徑為70 cm，內徑為67 cm，高為97 cm。模型底部中心有1個開口，裝有閥門，外接水管用于注水和注漿，頂部開放，與大氣相通。

鑒于直接利用大型巖石進行試驗比較困難，且精度難以控制，采用河砂、水泥和水按一定比例制作模型，模擬弱膠結多孔巖石。河砂經篩分后粒徑介于0.5～5 mm之間，其中粒徑 2≤d＜5 mm為細礫組，0.5≤d＜2 mm為粗砂組；所用水泥為32.5普通硅酸鹽水泥，試驗中 m(細礫組):m(粗砂組):m(水泥)按1:4:0.4配置，模擬巖性為強滲透性砂礫巖。

試驗中把河砂和水泥按比例混合之后，加入適量自來水攪拌均勻裝入模型。在裝入過程中進行了輕微壓實，模型裝好后自然干燥一周后開始試驗。

采用5號電池碳棒作為電極。試驗模型與電極布置如圖1所示。電極自下而上依次編號為D0，D1，D2，…，D7，電極間距相同，均為11 cm；D0電極位置距模型底13 cm，電極端點距模型內壁約為5 cm；公共地電極N與公共供電負極B位于模型頂部。

圖1 試驗模型與電極布置圖Fig.1 Experimental recording geometry and its arrangement

1.2 試驗過程及控制

由于實際注漿工程多數(shù)是在飽和巖層中進行，因此，在試驗中先對模型注水飽和，然后進行化學注漿。整個試驗過程歷時約298 min，分為注水和注漿2個階段，其中注水過程歷時98 min，注水結束約100 min后開始注漿，注漿過程歷時約90 min。為考察注水和注漿滲流壓力對電信號響應的影響，注水過程和注漿過程均間歇數(shù)分鐘后重新恢復注水(漿液)，注水過程間歇5 min，注漿過程間歇10 min，間歇期間注水(漿)口處閥門都處于關閉狀態(tài)。

模型采取軸向滲透方式進行注漿(圖1)，即漿液從模型底座中心處的閥門注入后，整個徑向斷面成為滲透斷面，漿液自底向上沿軸向方向滲透擴散。注漿過程泵壓范圍為45～55 kPa。

采用 NPEI網絡并行電法儀[17?18]采集數(shù)據(jù)，試驗開始前測取幾組背景值，在注水、注漿過程連續(xù)采集試驗數(shù)據(jù)，直至試驗結束(結束注化學漿)。

本項試驗在室內進行，試驗期間室內環(huán)境溫度為18～22 ℃。試驗用水為自來水，所用化學漿為中國礦業(yè)大學自主研制的改性脲醛樹脂漿液，分為甲液(主)和乙液(輔)，甲乙液質量比為10:3。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

利用 NPEI并行網絡電法儀對試驗中注水過程和注漿過程進行了動態(tài)跟蹤監(jiān)測，測量得到的數(shù)據(jù)經過相關程序反演并生成視電阻率剖面圖。據(jù)此得到試驗過程中不同時刻的視電阻率剖面圖，如圖 2所示(1/2縱剖面)。

由圖 2可以得出：(1) 不同時刻的視電阻率剖面圖形狀基本相同，說明網絡并行電法儀測量系統(tǒng)在測量中的一致性和穩(wěn)定性；(2) 試驗前模型中不同位置視電阻率有一定差異，中心視電阻率最高，達240 ?·m以上，周圍視電阻率較低，在100 ?·m以下，這說明模型中不同部位孔隙度和含水率不同，可能是因為在裝填模型過程中各部位壓實程度有差異，導致模型中不同位置水分含量不同；(3) 試驗過程中模型視電阻率都有一定程度下降，但不同階段、不同部位下降幅度不同。在注水過程中，視電阻率下降幅度較大，所有位置基本都下降50%以上；在注漿過程中，視電阻率下降幅度較小，模型上部漿液未到達區(qū)域視電阻率基本穩(wěn)定。

2.2 結果分析與討論

為便于對比分析試驗過程中模型中不同位置視電阻率在試驗過程中變化規(guī)律，在視電阻率剖面圖上選取A，B，…，I共9個點，其位置坐標如表1所示(坐標原點位于圖1所示模型剖面的右下方，L軸指向圓心方向，M軸指向高度方向)，在模型中的位置見圖1和圖2。根據(jù)各點不同時刻反演得到的視電阻率數(shù)據(jù)，繪制其視電阻率時間曲線，如圖3所示。

由圖2和圖3可見：在注水(間歇)過程中模型中各點視電阻率先是緩慢下降，之后急劇下降并穩(wěn)定。在停水很長一段時間后，各點視電阻率略有上升。各點視電阻率急劇下降段正對應該點附近空隙被水飽和過程，飽和之后，視電阻率便穩(wěn)定。各點視電阻率開始穩(wěn)定的時間不一致，這反映了模型中不同位置水滲流達到的時間不同。如處于同一軸向線上的A點和D點相比，A點位于模型下部，僅用27 min便已穩(wěn)定；而D點位于模型上部，至51 min才趨于穩(wěn)定。

在注漿過程中，模型中各點視電阻率變化趨勢不同，反映出各點處漿液擴散充填程度有差異。由圖 3可以把9個點視電阻率變化趨勢分為3類：較大幅度下降型，如點A，B，H和I；小幅度下降型，如點C和E；基本穩(wěn)定不變型，如點D，F(xiàn)和G。

圖2 不同時刻視電阻率剖面圖Fig.2 Apparent resistivity profiles at different time

考慮到由于坐標尺度范圍較大，不易直觀對比發(fā)現(xiàn)各點曲線的差異，也不便于分析注漿過程中視電阻率變化規(guī)律，為此繪出注漿過程各點視電阻率的歷時變化曲線，如圖4所示。

由圖4(a)可以看出：注漿后A和B 2點視電阻率下降幅度較大，且A點下降幅度比B點更大，A點從45 ?·m 下降到 26 ?·m，B 點從 40 ?·m 下降到 28 ?·m。C點下降幅度較小，而D點基本穩(wěn)定在注水飽和時視電阻率水平。對比分析這4個點坐標和注漿擴散范圍(圖5)，A和B 2點處于注漿充填區(qū)，且A點比B點更靠近注漿口，因此，A和B 2點視電阻率在注漿過程中有較大幅度下降，且A點充填效果要好于B點。C點視電阻率變化趨勢說明其處于注漿影響區(qū)，即漿液擴散前鋒已到達C點，但受水稀釋，漿液濃度降低，其注漿充填效果較A和B點處差。D處于非注漿區(qū)，因此，其視電阻率基本穩(wěn)定在注漿之前水平。

由圖4(b)可見：H和I點視電阻率下降幅度較大，E點略有下降，F(xiàn)點基本穩(wěn)定在注漿前水平。因此，可以判斷出H和I點處漿液充填良好，E點處于漿液擴散影響部位，而漿液基本未擴散至F點。

圖3 視電阻率時間曲線Fig.3 Resistivity?time curve of measuring point

表1 9個點在模型中位置坐標Table 1 Location coordinates of 9 measuring points in model

圖4 注漿過程中視電阻率變化曲線Fig.4 Resistivity?time curve of measuring point in grouting process

由圖4(c)可見：C和E點視電阻率略有下降，F(xiàn)和G點視電阻率基本穩(wěn)定。由于C，E，F(xiàn)和G點處于同一高度，因此，可以判斷出在模型中心和周圍處漿液擴散速度和距離是不同的，即模型中心漿液擴散高度略低于周圍高度。

根據(jù)以上各點視電阻率變化，基本可以判斷出漿液在模型中的擴散范圍，漿液滲透所及位置與圖5所示的漿液擴散位置大致吻合。

圖5 漿液擴散位置Fig.5 Position reached of grout

由圖5可知：化學漿液在孔隙介質中的滲透擴散是比較均勻的。模型邊緣部位漿液滲透速度之所以略高于模型中心，主要是模型邊緣試樣與圓筒界面的接觸不是太密實，漿液滲透阻力相對較小所致。

由試驗結果分析可知：試驗過程中漿液擴散充填良好區(qū)域視電阻率顯著降低，漿液擴散影響區(qū)域視電阻率略有降低，而非注漿區(qū)視電阻率則基本穩(wěn)定。在試驗過程中同時監(jiān)測了模型中自然電位和激勵電流的變化，結果表明自然電位和激勵電流都能很好地反映出試驗過程的幾個階段且能指示滲流到達位置。在注漿過程中，漿液滲流擴散到電極位置時，自然電位大幅度降低，而激勵電流則迅速升高到較高值；而漿液未到達處，自然電位和激勵電流都和飽水狀態(tài)時一致。這說明自然電位、激勵電流以及視電阻率變化與化學注漿過程中漿液的滲流及充填效果有密切的關聯(lián)性，可以通過監(jiān)測上述幾個電性參數(shù)來深入研究化學注漿規(guī)律，控制注漿施工。

3 結論

(1) 采用大型有機玻璃模型對弱膠結巖石化學注漿試驗過程中視電阻率變化進行動態(tài)實時監(jiān)測，結果表明視電阻率參數(shù)既能指示漿液滲流擴散范圍，也能反映漿液充填效果。

(2) 注漿工程屬隱蔽工程，通過對施工過程中自然電位、激勵電流和視電阻率的跟蹤監(jiān)測可以指導施工，進一步完善施工工藝，并保證工程質量，也為探尋可視化施工方式提供有益借鑒和思考。此外，在注水飽和過程中，模型視電阻率大幅度下降這一變化規(guī)律也為煤層底板、隧道等突水的臨突預報提供一個思路。

(3) 本文對化學注漿過程中視電阻率變化規(guī)律進行了初步探討，但如何利用視電阻率變化深入研究化學漿液滲流規(guī)律以及定量評價注漿效果等有待深入研究。

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