综合物探方法在急倾斜煤层采空区注浆质量检测中的应用

叶里扎提·吾林巴斯，付刚飞，刘 峰

（1.新疆维吾尔自治区交通建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830049；2.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；3.华北地质勘查局综合普查大队，河北 燕郊 065201）

0 引 言

随着中国工程建设的高速发展，工业与民用建筑、公路、铁路等领域的众多项目在建设过程中不可避免地遇见煤矿采空区问题。一般情况下，多采用注浆手段对下覆采空区及变形影响区进行加固治理［1－2］。目前，检测、评价经过注浆加固的场地是否满足工程建设的需要，可采用的手段较多，有钻孔检查法、声波测试法、钻孔抽（压）水检查法、电测深法、高密度电法、电磁波CT法、地质雷达法、旋转触探法等，每种方法都有其各自的优缺点［3－6］。一般常采用的方法多为瞬变电磁法或地面高密度电法，但在工程实际应用中这2种方法仅从治理加固前后电磁场特征的变化对采空区整体注浆效果进行评价，不能有效解析加固后场地内物探异常点的特征。因此，单一地采用瞬变电磁法或高密度电法存在一定的局限性［7－10］。

本文结合工程实例，在乌鲁木齐绕城高速公路（东线）煤矿采空区治理工程注浆效果检测中，采用瞬变电磁法与地面高密电法配合对注浆区进行检测，比较采空区注浆前后瞬变电磁场特征的变化，对物探异常点辅以钻探和孔内波速测试，综合分析评价整体注浆效果。该方法为点面结合的综合物探方式，依据钻探过程中孔内循环液的漏失情况及钻进过程中掉钻、卡钻等现象，判断采空区空洞高度且是否存在孔隙；检测孔取芯完成后，在孔内进行波速测试，以采空区受注层剪切波速作为其工程质量评价指标。

1 工程地质概况

乌鲁木齐绕城高速公路K19＋630～K19＋960段位于米东区铁厂沟，地属低山丘陵区，总体地势南高北低，海拨高程为778～893m，现区域内存在四带西南至东北向煤田采空塌陷区，局部已回填，但仍可见较多塌陷坑。

矿区（含井田及周边地区）出露的地层主要有侏罗系下统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、侏罗系下统西山窑组（J2x）、第四系（Q3、Q4）。根据探井、钻孔揭露，拟建场地地层主要由杂填土、黄土状粉土、卵石土、全风化基岩、强风化基岩、煤、微－中风化基岩构成。

2 瞬变电磁法及高密度电法典型测线结果分析

2.1 仪器与测线布置

本次瞬变电磁法检测采用美国Zonge公司生产的GDP32Ⅱ多功能电法工作站的TEM测量系统，包括 NTk－30发射机、GDP32Ⅱ接收机、TEM－3高精度磁探头、直流电池组和发射回线等。通过试验确定的最佳野外数据采集参数为：仪器采用GDP32Ⅱ（sn：85）型电法工作站TEM测试系统；装置为大定源回线装置；发射框电阻为5Ω；发射导线截面积为6mm2；供电电流为9.7A；外接最大供电电压为48V；接收天线磁矩为10 000m2。

本次高密度电法检测采用重庆地质仪器厂生产的DUK－2A高密度电法测试系统，其主要性能指标为：电压测试范围±6V；电压测量精度±1%；电流测量范围0.5A；电流测量精度±1%；输入阻抗不小于50MΩ；50HZ工频压制不小于80dB。

图1 注浆效果检测点平面布置

瞬变电磁法检测测线布置在注浆区域内外，平行于路线方向均匀布线（图1）。沿高速公路两侧布置TEM11与TEM21两条测线：TEM11位于K19＋630左侧70m至K19＋960左侧60m处，TEM21位于K19＋630右侧60m至K19＋960右侧60m处。瞬变电磁测点距10（20）m，共计297点。

高密度电法检测孔位布置原则：注浆前背景值的试验点布置在注浆区域外且平行于拟建道路方向；注浆后，背景值的试验点大部分平行于路线方向均匀布线，局部垂直路线布线。共计9条1 033测点。

2.2 地面物探典型测线检测结果分析

（1）瞬变电磁法TEM00测线为典型测线，位于K19＋630右侧20mg至K19＋960右侧80m处，走向与该处煤层走向大角度相交，整体视电阻率相对较低，浅部视电阻率相对较高。该测线地表盖层主要为第四系冲洪积粉土、卵石土，厚度为30～40m，下伏基岩主要为砂岩、泥岩，下伏基岩上部主要为强风化层，下部主要为中－微风化层，电阻率值相对较高，整体视电阻率大于100Ω·m，较未注浆区域有所提高，结合钻探资料推测，该测线位置注浆效果整体较好。测线里程K19＋870～K19＋910段表现为低阻异常特征，电阻率为10～40Ω·m的电性异常区域，地调资料表明该异常区域位于煤层位置及附近，推测该处为未采的煤层（安全煤柱区，该处测点距离为20m，导致低阻异常体范围有所扩大）；测线里程K19＋770附近出现的相对低阻区，推测为煤夹层导致的低阻相对异常，电阻率为10～40Ω·m的电性异常区域；测线里程K19＋660附近出现的相对低阻区，电阻率为10～40Ω·m的电性异常区域，推测为富水区（钻探揭露有水泥浆液充填，位于强风化层内，裂隙相对较发育）。等值线图与物探断面见图2、3。

图2 TEM00测线瞬变电磁法反演视电阻率对数等值线

（2）高密度电法GMD03测线为典型测线，位于K19＋630左侧210m至K19＋960左侧390m处，电阻率整体表现为浅部低、深部高的特征。结合地调资料推测，本测线地表覆盖层主要为第四系黄土状粉土、卵石土，粉土电阻率相对较低，卵石土电阻率相对较高，该层分布连续，厚度较大且分布不均匀，厚度为10～70m。下伏基岩主要为砂岩、泥岩、煤；基岩起伏较大，岩体较破碎；裂隙发育，电阻率值相对较高，测线里程110～449m为注浆区域。整体电阻率较未注浆区域有所提高，结合钻探资料推测该测线位置注浆效果较好，整体视电阻率大于100Ω·m，其中测线里程320m段地表低阻为黄土状粉土表现（粉土电阻率较低），下部高阻为卵石土的表现，较未注浆区域电阻率有所提高；以测线里程365m段为中心区域出现低阻异常，结合地调资料推测为采空塌陷区，因注浆后含水量较大所致，经钻孔揭露此区域内有少量浆液充填，推测为注浆效果一般区域；以测线里程225m段为中心深部出现低阻异常，即电阻率为10～40Ω·m的电性异常区域，结合地调资料推测为局部含煤所致。具体等值线及物探断面见图4、5。

图3 TEM00测线物探解释断面

图4 GMD03测线高密度电法电阻率等值线

3 注浆工程质量物探检测分析

瞬变电磁场法检测结果表明以下几点。

（1）采空区呈现的圆或椭圆低阻异常体在注浆后电阻率明显提高，整体在80Ω·m以上，表明充填效果明显。

图5 GMD03测线物探解释断面

（2）煤层（煤柱）呈现半椭圆低阻异常体在注浆后电阻率有所提高，但不明显，说明加固处理的充填效果不明显。

（3）整体视电阻率相对较低，浅部视电阻率相对较高。第四系厚度为20～60m。局部煤层采空区域或岩层区域出现近圆状低阻异常，根据地质资料可知，推测注浆效果一般或为含水的岩石裂隙发育区。

本注浆工程煤层加固处理后电阻率明显升高，说明注浆充填效果好。

本次高密度电法检测结果表明以下几点。

（1）浅部采空区呈现从地表向深部延伸的半圆或半椭圆异常体；深部采空区呈现从最底部向上延伸的中低阻半圆或半椭圆异常体，注浆后电阻率明显提高，整体在80～100Ω·m，表明充填效果明显。

（2）煤层（煤柱）呈现半椭圆低阻异常体，电阻率为10～40Ω·m的电性异常区域，注浆后电阻率有提高，但不明显，说明加固处理的充填效果不明显。

（3）断层（破碎带）呈现阶梯式低阻异常体，在注浆区内电阻率有提高，但不明显，说明加固处理的效果不明显。第四系呈现浅部电阻率低深部电阻率高的特征，第四系厚度为10～55m。

（4）局部煤层采空区域出现团块状低阻异常，根据地质资料推测该处的注浆效果一般（也可能由于注浆时水下渗形成低阻异常）。

本注浆工程煤层加固处理后电阻率明显升高，表明注浆充填效果明显。

采空区在瞬变电磁场法电阻率断面图上的形态与高密度法电阻率断面图上的形态相似，注浆后裂隙和采空破碎岩体固结，形成一个整体，电阻率变化稳定，低阻区电阻率升高，电阻率等值线由扭曲趋于稳定平直，与注浆前相比，注浆后电阻率等值线“块”特征明显，说明注浆后岩体的稳定性、完整性和导电性均有一定程度提高［11－14］。

4 钻探与孔内波速验证

4.1 钻探验证

在12个检测钻孔中，第三层煤3个孔，占25%；第二层煤3个孔，占25%；第一层煤2个孔，占17%；无煤孔4个，占33%。其中，3个浅层钻孔和2个深层钻孔未见到水泥浆充填物，其他7个钻孔内裂隙中有水泥浆充填物，占总数的58%，深度在68.0～282.0m。

钻探揭露数据表明：检测孔均打到并穿过了目的层（煤层采空区或煤柱上方地基加固区域），裂隙中的水泥浆充填物呈灰白－浅白色，固结状态，沿裂隙面分布，厚度多为0.1～0.3cm。从外观上观察水泥粉煤灰浆硬化体，发现浆液在凝结时出现明显的分层现象，下部水泥含量和致密程度高于上部，说明浆液在充填采空区或空洞区时因地下水的作用出现离析现象［15－16］。

本次检测均采用泥浆循环护壁钻进，根据成孔情况对钻孔取芯过程中的进尺快慢情况、冲洗液漏失情况、取芯率、结石充填裂隙、掉钻落钻等进行观察描述。在钻孔成孔过程中，进尺快慢情况与地层岩性吻合，冲洗液消耗正常，岩芯采取率在75%～95%之间，人工填土和基岩裂隙中可见水泥浆液充填痕迹，进尺慢，钻进平稳，无掉落钻现象，加固效果良好。

4.2 孔内波速验证

在593m范围内单孔法波速测试钻孔15个（采样间隔1.0m），其中背景值测试孔3个，注浆后检测孔12个。在15个孔中，选取4个典型钻孔，特征如下：Zk1孔卵石层单孔法平均横波波速为444m·s－1；Zk2孔卵石层单孔法平均横波波速为454m·s－1；Zk8孔卵石层单孔法平均横波波速为472m·s－1；Zk15孔粉土层单孔法平均横波波速为190m·s－1，卵石层单孔法平均横波波速为420m·s－1。

钻孔超声波检测2 016m范围内钻孔15个（采样间隔0.5m），其中背景值测试孔3个，注浆后检测孔12个。在15个孔中，选取3个典型钻孔。Zk1孔强风化基岩平均超声纵波速为2 462m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 423m·s－1；强风化煤层平均超声纵波速为2 290m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 324m·s－1。Zk8孔强风化基岩平均超声纵波速为2 546m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 472m·s－1；强风化煤层平均超声纵波速为2 287m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 322m·s－1；中风化基岩平均超声纵波速为2 884 m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 667m·s－1。Zk15孔强风化基岩平均超声纵波速为2 502 m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 446m·s－1；强风化煤层平均超声纵波速为2 254m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 303m·s－1；中风化基岩平均超声纵波速为2 898m·s－1，换算后平均超声波横波速为1 675m·s－1。

本次检测主要针对卵石、煤层和基岩地层，但在检测过程中测得粉土层的横波波速平均值为205 m·s－1、卵石层的横波波速平均值为367m·s－1，注浆后的横波波速平均值为451m·s－1，横波波速增长了84m·s－1，提高比率为22.9%。

通过背景值与注浆后检测值的对比分析可知，注浆后强风化基岩层纵波波速增长了339m·s－1，横波波速增长了196m·s－1，增长率达15.8%；煤层纵波波速增长了230m·s－1，横波波速增长了133m·s－1（增长率为11.2%），中风化基岩层纵波波速增长了385m·s－1，横波波速增长了223m·s－1（增长率为15.3%）。岩土体的横波波速均大于250 m·s－1，表明注浆后岩土体横波波速有所提高，密实度得到改善，注浆加固效果良好。

5 结 语

（1）通过钻探进尺速度、冲洗液消耗、岩芯采取率、水泥浆液充填情况可直接评价注浆效果；结合孔内波速测试，通过注浆后岩土的波速特征，可判断注浆工程的质量。

（2）电阻率断面图上的形态、电阻率变化位置与数值等特征可表征注浆前后岩体的稳定性、完整性和导电性的均一程度，从而间接评价注浆工程质量。

（3）新疆急倾斜煤矿采空区注浆工程质量检测采用点面结合原则，即地面高密度电法、瞬变电磁法与注浆前后钻孔内的声波检测法相结合，既避开了常用的以点代面方法的不足，同时也提高了检测工作的质量。因此本文的方案在业内具有广泛的推广价值。