□申黎平 □屈志剛 □王 偉

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 工程概述

南水北調(diào)中線一期工程總干渠在禹州市西南約7 km處通過(guò)禹州煤礦區(qū)，禹州煤礦采空區(qū)區(qū)涉及礦井有：新峰礦務(wù)局二礦采空區(qū)、禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦采空區(qū)、梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦采空區(qū)和梁北鎮(zhèn)福利煤礦采空區(qū)。由于沿線煤礦地下挖采現(xiàn)象仍在繼續(xù)，采空、塌陷區(qū)仍在繼續(xù)擴(kuò)大，不僅對(duì)渠道穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生破壞作用，同時(shí)由于渠水下滲，會(huì)增大礦坑排水量，給煤礦開采造成不利影響或產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害。為了南水北調(diào)總干渠及附近煤礦的安全，針對(duì)禹州煤礦區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)總干渠下采空區(qū)進(jìn)行注漿處理。

禹州煤礦采空區(qū)注漿處理完成后，為檢驗(yàn)采空區(qū)的處理效果，采用地質(zhì)CT、鉆孔超聲波測(cè)試、孔壁成像等物探技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行物探對(duì)比試驗(yàn)，研究采空區(qū)處理情況，探求適宜的驗(yàn)收手段。

2 采空區(qū)概況

禹州礦區(qū)煤田地層由老至新依次為：古生界寒武系上統(tǒng)崮山組、常山組，石炭系上統(tǒng)太原組，二迭系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)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(xù)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(qū)分布情況如下：一是原新峰礦務(wù)局二礦采空區(qū)沿總干渠長(zhǎng)度747 m，所采六4、六2煤層厚度為0.90 m，煤層底板標(biāo)高為-150～+31，地面標(biāo)高為+116～+138，煤層埋深107～266m，該礦采空區(qū)為1965年以前開采。二是禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦采空區(qū)，沿總干渠長(zhǎng)度1055 m，所采六4、六2煤層厚度為0.75～1.13 m，煤層底板標(biāo)高為-150～±0，地面標(biāo)高為+126～+140，煤層埋深126～290 m，該礦采空區(qū)為90年代初期所形成。三是梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦采空區(qū)，沿總干渠長(zhǎng)度907 m，所采煤層厚度為0.69～1.04 m，煤層底板標(biāo)高為-100～+20，地面標(biāo)高為+126～+142，煤層埋深106～242 m，該礦采空區(qū)多為90年代所形成，但近年來(lái)仍有開采。四是北鎮(zhèn)福利煤礦采空區(qū)，沿總干渠長(zhǎng)度406m，所采煤層厚度為1 m左右，煤層底板標(biāo)高為±0～+50，地面標(biāo)高為+134～+140，煤層埋深90～134m，采空區(qū)時(shí)間為1999～2001年。

3 物探措施

3.1 彈性波CT檢測(cè)

CT（Computeriyed Tomography）技術(shù)，又稱層析成像技術(shù)，是醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)層析掃描技術(shù)在地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，是一項(xiàng)新興技術(shù)。工程CT技術(shù)，是借鑒醫(yī)學(xué)CT，通過(guò)人為設(shè)置的某種射線（彈性波、電磁波等）穿過(guò)工程探測(cè)對(duì)象（工程地質(zhì)體），從而達(dá)到探測(cè)其內(nèi)部異常（物理異常）的一種地球物理反演技術(shù)。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(yīng)用于工程探測(cè)的彈性波CT就是利用彈性波信息重建被檢測(cè)體內(nèi)部構(gòu)造的成像技術(shù)。

圖1 彈性波CT檢測(cè)原理圖

相同的巖性，波速高的區(qū)域巖體完整；波速低的區(qū)域巖體破碎。這就是利用彈性波CT檢測(cè)巖體完整性的基本原理。如圖1所示，A和B為兩個(gè)鉆孔，檢測(cè)時(shí)，先在A孔中某一位置處激發(fā)彈性波，并在B孔中n個(gè)等間隔位置處接收，可測(cè)得n個(gè)彈性小組旅行時(shí)；然后，按一定規(guī)律移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)或接收點(diǎn)的位置，直到完成預(yù)先設(shè)計(jì)好的“觀測(cè)系統(tǒng)”。若整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)共激發(fā)m次，則可測(cè)得m×n個(gè)彈性波旅行時(shí)，據(jù)此信息，利用計(jì)算機(jī)作反演計(jì)算，即可得到被檢巖體內(nèi)部的波速圖像。

利用彈性波CT檢測(cè)巖體完整性的步驟是：一是用彈性波掃描被檢測(cè)體，得到多個(gè)彈性波旅行時(shí)；二是利用計(jì)算機(jī)作反演計(jì)算，得到被檢測(cè)體內(nèi)部的波速圖像；三是依據(jù)巖體的波速評(píng)價(jià)巖體的完整性。CT激發(fā)點(diǎn)距和接收點(diǎn)距均為1.00 m，即一點(diǎn)激發(fā)，12點(diǎn)接收的觀測(cè)系統(tǒng)。實(shí)際CT掃描時(shí)，先在一孔中某一位置處激發(fā)彈性波，并在另一孔中12個(gè)等間隔位置接收，可測(cè)得12個(gè)彈性波旅行時(shí)；然后按一定規(guī)律移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)位置，直到完成預(yù)先設(shè)計(jì)好的觀測(cè)系統(tǒng)。

激發(fā)設(shè)備采用大功率電火花震源，接收設(shè)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(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)1024，記錄長(zhǎng)度為125 ms。在采空區(qū)對(duì)比試驗(yàn)區(qū)，經(jīng)充填注漿處理后，巖體彈性波速度有所提高。如試驗(yàn)區(qū)J3-3、J3-4鉆孔注漿前后彈性波CT剖面。

經(jīng)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(qū)域），注漿后巖體普遍都＞2600 m/s以上，注漿后低速區(qū)減少較多，試驗(yàn)區(qū)CT波數(shù)分布見表1。

表1 注漿后檢測(cè)剖面波數(shù)區(qū)間百分比分布表

從波數(shù)區(qū)間百分比分布匯總表分布表上看，波數(shù)值95%以上區(qū)域波數(shù)值大于2600 m/s。

3.2 鉆孔超聲波測(cè)試檢測(cè)

鉆孔超聲波測(cè)試為單孔聲波法，以人工激震的方法向介質(zhì)發(fā)射聲波，在一定的空間距離上接收被測(cè)介質(zhì)的傳播速度、振幅、頻率等聲波參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析，研究巖土特性。物理使用一發(fā)雙收聲波探頭進(jìn)行測(cè)試。使用儀器為RS－ST01C非金屬超聲波測(cè)試儀。現(xiàn)場(chǎng)工作裝置如圖所示，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行，由下向上逐點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)距0.20 m。J3-4鉆孔充填灌漿前、后聲波測(cè)試對(duì)比曲線如圖2。

J3-4鉆孔充填灌漿前超聲波測(cè)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(cè)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(cè)試曲線上基本不出現(xiàn)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(jīng)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(cè)試對(duì)比曲線圖

3.3 鉆孔全孔壁光學(xué)成像檢測(cè)

鉆孔全孔壁光學(xué)成像系統(tǒng)采用了特殊的光學(xué)系統(tǒng)，能比較全面的觀察孔壁四周圖像。使用360°全景數(shù)字電視攝像，真實(shí)、全面記錄鉆孔孔壁情況，采用軟件對(duì)圖像進(jìn)行采集處理，形成連續(xù)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(shí)現(xiàn)鉆孔全壁面的影像成圖，真實(shí)、全面的保存鉆孔孔壁影像資料。該物探技術(shù)可詳細(xì)描述巖體裂隙注漿前后裂隙的發(fā)展及充填狀況等孔內(nèi)地質(zhì)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(tǒng)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。下井探頭裝配有成像設(shè)備和電子羅盤，攝像頭通過(guò)360度廣角鏡頭攝取孔壁四周圖像，利用計(jì)算機(jī)控制圖像采集和圖像處理系統(tǒng)，同時(shí)控制電機(jī)提升、下放探頭，自動(dòng)采集圖像。對(duì)鉆孔孔壁每10mm攝取1幀圖像，并進(jìn)行展開、拼接處理，形成鉆孔全孔壁柱狀剖面連續(xù)圖像實(shí)時(shí)顯示，連續(xù)采集記錄全孔壁圖像。電子羅盤實(shí)時(shí)采集方位角，上傳給計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(wú)縫拼接，無(wú)百葉窗等現(xiàn)象。

從鉆孔全孔壁光學(xué)成像檢測(cè)結(jié)果看，充填注漿處理后鉆孔孔壁裂隙長(zhǎng)度縮短，條數(shù)減少，破碎程度減輕，充填物基本密實(shí)。描述見圖3和實(shí)驗(yàn)區(qū)成像統(tǒng)計(jì)描述表2。

4 結(jié)語(yǔ)

一是從對(duì)采空區(qū)布置的監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)成果顯示，在總干渠安全保護(hù)煤柱范圍內(nèi)注漿施工區(qū)的地表變形和地基巖土體的變形基本是穩(wěn)定的，未出現(xiàn)有過(guò)大的變形，亦驗(yàn)證注漿施工對(duì)消除采空區(qū)巖土體的殘余變形是有效的。3種物探探測(cè)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(cè)，檢測(cè)范圍為兩孔之間的巖土體情況，檢測(cè)面積大，代表性強(qiáng)；鉆孔超聲波測(cè)試檢測(cè)、全孔壁光學(xué)成像都只是針對(duì)一個(gè)孔進(jìn)行的地質(zhì)描述，并不代表大區(qū)域的地質(zhì)情況。禹州采空區(qū)處理面積廣，埋深大，為檢測(cè)地下巖土體情況并不增加太多物探費(fèi)用下，鉆孔超聲波測(cè)試檢測(cè)、全孔壁光學(xué)成像這兩項(xiàng)物探方法不宜作為采空區(qū)處理驗(yàn)收參考手段。三是結(jié)合物探及注漿技術(shù)，禹州采空區(qū)注漿驗(yàn)收最后采用彈性波CT和注漿檢查為主，綜合評(píng)定注漿效果。

圖3 全孔壁光學(xué)成像對(duì)比圖

表2 鉆孔全孔壁光學(xué)成像主要描述表

[1]張啟生，韓進(jìn)國(guó).彈性波CT在煤礦采空區(qū)注漿填充施工質(zhì)量檢測(cè)的應(yīng)用效果[J].中國(guó)冶金地質(zhì)局山東正元地質(zhì)勘測(cè)院，2010（21）：61-62.