劉世奇，許延春，費(fèi) 宇，謝小鋒，王 人

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101601)

0 引 言

底板注漿加固及含水層改造技術(shù)通過(guò)充填巖體裂隙、裂縫和溶洞，能有效改善裂隙巖體阻隔水性能，降低底板巖體的富水性和導(dǎo)水性，同時(shí)增強(qiáng)巖體力學(xué)強(qiáng)度，減少突水事故的發(fā)生次數(shù)和突水量，被廣泛應(yīng)用于中國(guó)大水礦區(qū)防治底板承壓含水層突水。巖體注漿加固是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究工作，文獻(xiàn)[1-3]總結(jié)了近年來(lái)回采工作面底板注漿加固防治水關(guān)鍵技術(shù)及采動(dòng)底板破壞深度的直流電法觀測(cè)方法；文獻(xiàn)[4]建立了注漿加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力學(xué)模型，描述了注漿加固降低孔隙裂隙巖體類(lèi)型、開(kāi)采提升巖體類(lèi)型的力學(xué)機(jī)理；文獻(xiàn)[5]分析了注漿材料的作用機(jī)理；文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究了節(jié)理裂隙巖體注漿過(guò)程；文獻(xiàn)[7]研究了某礦巷道注漿參數(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用；文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行了巖體注漿模擬試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[10-12]分析了承壓水上開(kāi)采底板注漿加固效果的影響因素及綜合檢驗(yàn)技術(shù)；文獻(xiàn)[13-14]探索了一發(fā)雙收聲波測(cè)井技術(shù)在煤礦采空區(qū)注漿加固工程及水利工程中的應(yīng)用。可以看到，注漿加固效果是巖體、注漿材料和注漿工藝等多種因素綜合作用的結(jié)果，其檢測(cè)評(píng)價(jià)方法主要有物探法(包括直流電法、瞬變電磁法、無(wú)線(xiàn)電波透視法、聲波測(cè)試法)、鉆探法、RPT法、PST綜合法[15]等，其中利用聲波檢測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)巖體注漿加固效果是一種有效而實(shí)用的手段。它測(cè)量的是原巖體在注漿前后不同狀態(tài)下其內(nèi)部聲波速度的變化規(guī)律，據(jù)此推測(cè)原巖體相關(guān)的物理力學(xué)性能，并可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出縱波橫波衰減系數(shù)、等價(jià)彈性模量及巖石單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。由于是在現(xiàn)場(chǎng)大范圍內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量，其結(jié)果更接近于工程實(shí)際情況，更加準(zhǔn)確可靠。既可以為室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，又可以為現(xiàn)場(chǎng)注漿參數(shù)的選擇及注漿方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。以往研究注漿加固及開(kāi)采對(duì)工作面底板巖體富水性和滲透性變化的影響規(guī)律，主要通過(guò)電法和電磁法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)其變化程度。文中針對(duì)非金屬超聲波檢測(cè)儀在礦業(yè)工程應(yīng)用中測(cè)試精度低、探頭易損壞等實(shí)際問(wèn)題，研發(fā)了一種“斜孔一發(fā)雙收”探頭保護(hù)裝置，并應(yīng)用于焦煤集團(tuán)趙固二礦工作面底板注漿加固工程質(zhì)量檢測(cè)。應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)全面探測(cè)了“原巖(包括斷層帶)-注漿-開(kāi)采”全過(guò)程中底板不同巖性巖體力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，以巖體動(dòng)彈性模量數(shù)值及其變化率為基準(zhǔn)，定量分析了注漿加固及開(kāi)采過(guò)程對(duì)底板巖體動(dòng)彈模的“增強(qiáng)-損傷”度，評(píng)價(jià)注漿加固效果。該裝置不僅能極大程度保護(hù)探頭、節(jié)約成本，而且能保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。研究成果可為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐利用“一發(fā)雙收”聲波測(cè)井技術(shù)分析裂隙巖體注漿加固效果提供借鑒，豐富了注漿加固效果檢測(cè)手段。

1 聲波檢測(cè)技術(shù)

1.1 聲波檢測(cè)儀器及原理

非金屬超聲波檢測(cè)儀常用于檢測(cè)樁基工程中樁身完整性、混凝土強(qiáng)度、裂縫深度、結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷等。由于鉆孔深度一般不大于30 m，且鉆孔垂直、孔壁光滑，探頭可依靠自重下放至觀測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)效果理想。近年來(lái)，隨著應(yīng)用功能的擴(kuò)展，逐漸應(yīng)用于礦業(yè)工程中地層巖體裂隙及注漿加固效果檢測(cè)。由于井下觀測(cè)條件惡劣，鉆孔傾斜、角度多變、孔內(nèi)往往充填碎石巖屑，易發(fā)生塌孔、堵孔事故，且鉆孔傾斜長(zhǎng)度一般在100 m以上，僅依靠探頭和信號(hào)線(xiàn)自重難以下放至觀測(cè)點(diǎn)，并不能達(dá)到理想的檢測(cè)效果。此時(shí)探頭將承受較大抗力，易發(fā)生彎折、擠壓變形，導(dǎo)致測(cè)試精度差甚至損壞探頭。針對(duì)以上實(shí)際問(wèn)題，文中研發(fā)了一種探頭保護(hù)裝置，該裝置不僅能極大程度保護(hù)探頭、節(jié)約成本，而且能保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可靠性。

如圖1所示，ZBL-U520型非金屬超聲波檢測(cè)儀“單孔一發(fā)雙收”探頭包括一個(gè)發(fā)射換能器T和2個(gè)接收換能器R1，R2，其中T至R1的距離L稱(chēng)為源距，R1，R2之間的距離ΔL稱(chēng)為間距。各換能器之間通過(guò)塑料軟管連接，起結(jié)構(gòu)支撐作用，探頭尾部是不可拆卸的電纜線(xiàn)，線(xiàn)長(zhǎng)根據(jù)測(cè)試需求不等。其工作原理是，當(dāng)探頭置于鉆孔中心，發(fā)射換能器T輻射聲波，滿(mǎn)足入射角等于第一臨界角的聲線(xiàn)，在巖體中聲波折射角等于90°，即聲波沿孔壁滑行，然后折射回孔中，由接收換能器R1，R2分別接收，通過(guò)接收聲波在地層巖體中的傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算巖體內(nèi)部聲波速度。于是有

Δt=t2-t1，VP=ΔL/Δt

巖體內(nèi)部縱、橫波速與巖體動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)及介質(zhì)性質(zhì)存在如下關(guān)系[16-18]

式中t1，t2分別為聲波由T傳播至R1，R2的時(shí)間，s；Vp為縱波波速,m/s；Vs為橫波波速，m/s；ρ為介質(zhì)密度，g/cm3；Ed為動(dòng)彈性模量,Pa；μd為動(dòng)泊松比；Gd為動(dòng)剪切模量,Pa.

圖1 超聲波測(cè)井儀Fig.1 Ultrasonic logging instrument

從圖1可見(jiàn)，t1，t2都包括聲波在鉆孔漿液及巖體中的傳播時(shí)間，通過(guò)t2-t1后漿液中的聲時(shí)便完全消除，只保留了聲波由R1傳播至R2的聲時(shí)，最大限度地消除了系統(tǒng)誤差。然而部分聲線(xiàn)還會(huì)由發(fā)射換能器T直接在漿液中傳播至接收換能器R1，好在巖體中波速遠(yuǎn)高于漿液中波速，因此只要源距L足夠大，則聲波由T通過(guò)巖體傳播至R1的時(shí)間t1遠(yuǎn)小于聲波在漿液中傳播時(shí)間t0，這樣，“單孔一發(fā)雙收”測(cè)試才可實(shí)現(xiàn)。文中所選取ZBL-U520型“單孔一發(fā)雙收”探頭源距L為265 mm，間距ΔL為165 mm，滿(mǎn)足測(cè)試要求。由聲學(xué)理論可知，此方法所測(cè)波速只反映R1，R2之間的巖體沿孔壁一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波速。對(duì)于上述換能器的要求是：徑向軸向均無(wú)指向性、發(fā)射功率大、有足夠的接收靈敏度。

1.2 探頭保護(hù)裝置

保護(hù)裝置的目的一是保護(hù)探頭不受擠壓破壞，另一個(gè)作用，通過(guò)硅膠絕緣卡墊和卡箍可以保證探頭固定在鉆孔中央位置，不接觸孔壁。如圖2所示，探頭保護(hù)裝置包括3部分：①主體結(jié)構(gòu)；②收發(fā)換能器保護(hù)罩；③螺紋活接頭。

圖2 探頭保護(hù)裝置示意圖Fig.2 Sketch of the probe protection device

探頭保護(hù)裝置主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)焊接件，如圖3所示，起剛性作用保護(hù)探頭最前部。兩側(cè)為2條φ10×650 mm，級(jí)別HRB400的鋼筋；頂端為保護(hù)殼，可防止探頭頂部直接接觸巖石碎屑，有效緩解外力擠壓，材料為中板，熱軋鋼板；尾部為連接螺紋活接頭的普通鋼構(gòu)件。

圖3 保護(hù)裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Main structure of the probe protection device

保護(hù)罩是一個(gè)卡箍件，如圖4所示，厚度5 mm，材料為普通鋼。兩卡箍件之間用螺栓和螺母連接，安裝時(shí)卡箍件內(nèi)部墊有可壓縮絕緣硅膠墊片，最大限度減少構(gòu)件對(duì)超聲波的干擾，防止巖石碎屑作用在收發(fā)換能器上以及探頭在保護(hù)裝置里轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 保護(hù)罩示意圖Fig.4 Sketch of shelter

螺紋活接頭作用是連接主體結(jié)構(gòu)和礦用鉆桿，如圖5所示，材料為普通鋼。由于鉆桿型號(hào)不同，直徑大小不一，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)需要，將螺紋孔加工成不同的尺寸，如φ63.5，φ73等。

圖5 螺紋活接頭示意圖Fig.5 Sketch of joint

2 觀測(cè)步驟及數(shù)據(jù)處理

探頭增加保護(hù)裝置后整體最大直徑達(dá)到75 cm，要求鉆孔直徑較大，一般在90 cm以上。取地面某樁基垂直鉆孔，分別在有、無(wú)保護(hù)裝置情況下檢測(cè)其對(duì)波速測(cè)量結(jié)果的影響。具體步驟如下：①檢查儀器主機(jī)、收發(fā)換能器能否正常工作；②將探頭及電纜線(xiàn)下放至鉆孔觀測(cè)點(diǎn)；③將鉆孔中灌滿(mǎn)清水，探頭位于鉆孔中心，不接觸孔壁；④將電纜線(xiàn)的3個(gè)接頭(發(fā)射T，接收R1，R2)分別與主機(jī)的“發(fā)射”、“通道1”、“通道2”接口對(duì)應(yīng)連接；⑤探頭沿鉆孔中心線(xiàn)每下放1 m進(jìn)行一次采樣，主機(jī)記錄換能器位置及對(duì)應(yīng)的聲波信息。結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，有、無(wú)保護(hù)裝置所測(cè)波速曲線(xiàn)走勢(shì)非常一致，說(shuō)明保護(hù)裝置并沒(méi)有對(duì)聲波速度產(chǎn)生嚴(yán)重干擾；分析得到波速平均誤差僅為2.16%，最大誤差5.74%，考慮到儀器系統(tǒng)誤差，認(rèn)為2.16%的誤差在可接受范圍之類(lèi)，對(duì)觀測(cè)結(jié)果的定性及定量分析的影響可忽略，因此認(rèn)為該探頭保護(hù)裝置滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

圖6 有、無(wú)保護(hù)裝置情況下波速對(duì)比Fig.6 Testing results of wave velocity with and without the probe protection instrument

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

焦煤集團(tuán)趙固二礦主采山西組二1煤層，埋深-680 m，單一近水平煤層，平均傾角5.5°，平均煤厚6.16 m.采用分層開(kāi)采和走向長(zhǎng)壁一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，厚度3.69～13.98 m，老頂為細(xì)～粗粒砂巖，厚度2.32～6.94 m；底板多為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖，偶見(jiàn)炭質(zhì)泥巖，厚度12.49～38.18 m.工作面主要充水水源為底板L8灰?guī)r含水層，平均厚度8.22 m，局部巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，水壓高達(dá)7 MPa，而隔水層主要為砂質(zhì)泥巖和泥巖，平均厚度只有32.5 m，未注漿加固時(shí)突水系數(shù)達(dá)到0.21 MPa/m.在如此復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，采用一次采全高開(kāi)采，支承壓力在底板中的應(yīng)力集中程度會(huì)更高，無(wú)疑會(huì)增大底板突水機(jī)率。為了防治工作面突水，設(shè)計(jì)底板注漿加固深度為70 m，則突水系數(shù)降至0.1 MPa/m，符合安全開(kāi)采條件。

3.2 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

參考鉆孔窺視器觀測(cè)的已有成果，如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)：不同鉆孔由于其方位角、傾角等因素不同，巖體結(jié)構(gòu)弱面、節(jié)理裂隙、含水量等情況也不盡相同，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)值、變化趨勢(shì)上均存在較大差異，使觀測(cè)結(jié)果不具有對(duì)比性，無(wú)法有效地評(píng)價(jià)注漿加固效果。因此，綜合分析認(rèn)為對(duì)同一鉆場(chǎng)同一鉆孔在注漿前后進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)效果更好。

圖7 底板鉆孔窺視結(jié)果Fig.7 Results of floor borehole peeping

采用ZBL-U520型非金屬超聲波檢測(cè)儀，利用“一發(fā)雙收”聲波測(cè)井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)全面探測(cè)“原巖(包括斷層帶)-注漿-開(kāi)采”全過(guò)程中底板不同巖性巖體力學(xué)性質(zhì)的“增強(qiáng)-損傷”程度，評(píng)價(jià)注漿加固效果，共獲得了2組5孔/次同地點(diǎn)同鉆孔觀測(cè)結(jié)果。

表1，分2種情況：①無(wú)斷層：在開(kāi)采前未注漿、開(kāi)采前已注漿、注漿后受開(kāi)采影響3種條件下分別對(duì)同一鉆孔進(jìn)行觀測(cè)，即表1中編號(hào)1，2，3；②有斷層：在注漿前、注漿后2種條件下分別對(duì)同一鉆孔進(jìn)行觀測(cè)，即表1中編號(hào)4，5.

表1 觀測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)Tab.1 Parameters of observation holes

3.3 觀測(cè)結(jié)果分析

3.3.1 觀測(cè)結(jié)果

如圖8所示，不同深度處，由于巖性改變，巖體動(dòng)彈模整體變化范圍較大。無(wú)斷層時(shí)，注漿前巖體動(dòng)彈模為0.9～8.9 GPa，平均值4.6 GPa；注漿后動(dòng)彈模明顯增大，達(dá)到6.9～19.3 GPa，平均值11.9 GPa，平均提升了159%；受開(kāi)采影響，動(dòng)彈模有所降低，為4.6～15.7 GPa，平均值9.5 GPa，平均降低了20%，可見(jiàn)降低幅度不大，但仍大于注漿前初始值，表明注漿加固巖體在開(kāi)采損傷后仍具有一定的加固作用。

有斷層時(shí)，注漿前巖體動(dòng)彈模為0.7～7.1 GPa，平均值3.9 GPa；注漿后動(dòng)彈模增大至4.9～15.8 GPa，平均值10.3 GPa，平均提升了164%.說(shuō)明注漿后巖體動(dòng)彈模整體增大，且有斷層時(shí)增大幅度略大于無(wú)斷層，這是由于斷層帶巖體整體破碎，裂隙發(fā)育，使得觀測(cè)背景值(即注漿前)較低所致；但加固后斷層帶巖體動(dòng)彈模仍然略低于正常段，說(shuō)明斷層帶在加固后仍然是較低強(qiáng)度區(qū)，是突水危險(xiǎn)區(qū)域。

圖8 觀測(cè)結(jié)果Fig.8 Measurement results

3.3.2 巖體動(dòng)彈模注漿增強(qiáng)度及開(kāi)采損傷度

為了定量描述底板巖體“注漿增強(qiáng)”及“開(kāi)采損傷”特征，提出巖體動(dòng)彈?！白{增強(qiáng)度”及“開(kāi)采損傷度”的參量。同一巖性巖體動(dòng)彈模數(shù)值相近、變化趨勢(shì)基本一致，可以求得注漿加固區(qū)域巖體動(dòng)彈?！白{增強(qiáng)度”及“開(kāi)采損傷度”，如下

巖體動(dòng)彈?！白{增強(qiáng)度”

EZ=(E2-E1)/E1×100%

巖體動(dòng)彈模“開(kāi)采損傷度”

ES=(E2-E3)/E2×100%

式中E1，E2，E3分別為注漿前、注漿后、受開(kāi)采影響的巖體動(dòng)彈模，GPa.

無(wú)斷層時(shí)，根據(jù)巖體動(dòng)彈模數(shù)值波動(dòng)及變化趨勢(shì)，結(jié)合鉆孔柱狀圖、測(cè)斜參數(shù)等資料，以相鄰2次觀測(cè)數(shù)值相差比例大于15%為基準(zhǔn)，將觀測(cè)范圍分為5個(gè)區(qū)段，見(jiàn)表2.

表2 無(wú)斷層時(shí)，巖體動(dòng)彈?！霸鰪?qiáng)-損傷”度Tab.2 Floor rock mass enhanced-damage degreeof the move mode without faults

可以看到，注漿加固后，73～79 m區(qū)段的泥巖動(dòng)彈模增強(qiáng)度最大，達(dá)到400%；其次是砂巖，為160%～165%；灰?guī)r最小，為109%～120%.受開(kāi)采影響，各區(qū)段巖體動(dòng)彈模損傷度差異不大，為17%～30%.

有斷層時(shí)，將觀測(cè)范圍分為7個(gè)區(qū)段，見(jiàn)表3.

表3 有斷層時(shí)，巖體動(dòng)彈?！霸鰪?qiáng)-損傷”度Tab.2 Floor rock mass enhanced-damagedegree of the move mode with faults

從表3可以看到，注漿加固后56～64 m區(qū)段的泥巖動(dòng)彈模增強(qiáng)度最大，達(dá)到392%；其次是砂巖為173%～194%；灰?guī)r最小，為103%～144%.斷層帶由于巖體破碎、裂隙發(fā)育，所以原始動(dòng)彈模比正常段低，但注漿后可達(dá)到正常值。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)非金屬超聲波檢測(cè)儀在采礦工程領(lǐng)域的應(yīng)用，研發(fā)了一種“斜孔-發(fā)雙收”探頭保護(hù)裝置，并應(yīng)用于趙固二礦工作面底板注漿加固效果檢測(cè)。該裝置不僅能極大程度保護(hù)探頭、節(jié)約成本，且能保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性；

2)注漿加固后，巖體動(dòng)彈模整體增大。無(wú)斷層時(shí)，巖體動(dòng)彈模平均提升了159%，其中泥巖動(dòng)彈模增強(qiáng)度最大，達(dá)到400%；其次是砂巖，為160%～165%；灰?guī)r最小，為109%～120%.有斷層時(shí)，巖體動(dòng)彈模平均提升了164%，其中泥巖動(dòng)彈模增強(qiáng)度最大，達(dá)到392%；其次是砂巖，為173%～194%；灰?guī)r最小，為103%～144%；

3)受開(kāi)采影響，各區(qū)段巖體動(dòng)彈模損傷度差異不大，在17%～30%，注漿加固巖體開(kāi)采損傷后仍然有一定的加固作用；斷層帶巖體破碎、裂隙發(fā)育，原始動(dòng)彈模較低，加固后仍然是較低強(qiáng)度區(qū)，是突水危險(xiǎn)區(qū)域。

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