深部条带采空区注浆效果综合评价技术与应用

王兵强

(中煤科工集团生态环境科技有限公司 西安分公司，陕西 西安 710077)

随着城市人口增多，城市规模不断外扩，国内很多煤炭资源型城市近郊采空区需治理后才能进行地面开发建设。目前，采空区治理技术主要有灌注充填法、砌筑法、剥挖回填法、强夯法以及堆载预压法等，其中灌注充填法应用最为广泛。

采空区尤其是深部条带采空区覆岩垮落形态及特征差异性较大，浆液在裂隙中的扩散规律和加固效果不确定性较大，因此，注浆效果评价环节至关重要，而评价结果的科学性与准确性很大程度上取决于检测方法选择的合理性[1-5]。目前，注浆效果检测方法主要是钻探法和物探法，而单纯在注浆结束后采用上述方法难以全面评价注浆效果，必须综合运用多种检测手段，对影响注浆质量的各个环节进行定性和定量分析，全面评价注浆效果[6-13]。

因此，以山东济宁岱庄煤矿730采区条带采空区治理工程为背景，运用注浆过程分析法、检查孔法、变形监测法以及物探法组合形成“即时检测+工后检测”的综合检测评价方法，系统评价注浆效果。

1 注浆效果综合检测技术

目前，常用的注浆效果评价方法可划分为四大类：注浆过程分析法、检查孔法、变形监测法以及物探法。

1.1 注浆过程分析法

通过对注浆过程中所收集的参数信息进行整理分析，对注浆效果进行定性、定量化评价。此类方法具有快速、直接、可靠的特点。

1)P-Q-t曲线分析法[14]：对钻孔注浆过程中的注浆量、注浆压力和注浆时间进行分析，初步分析单孔注浆情况，即P-Q-t曲线法。不考虑钻孔塌孔等异常情况，P-Q-t曲线表现为I型和II型两种形式。I型：垮落断裂带中存在一定空洞和裂隙，浆液流阻较小，以填充扩散方式加固采空区。当达到设计注浆量时，注浆压力未达到设计终压值，而此时注浆速度仍表现为较大；II型：随着注浆的进行，钻孔周边空洞和大的裂隙通道被充填后，注浆压力上升，注浆速度明显下降，浆液不断挤压-劈裂-挤压小的裂隙通道，最终达到设计注浆量时，注浆压力和注浆速度亦达到设计结束标准。

2)注浆量分布特征法：又称时空效应法，分为注浆量分布时间效应法和空间效应法。该方法简单易行，通过对比分析不同次序和位置钻孔的注浆量，对注浆效果进行合理评价。

3)浆液充填系数反算法：灌浆完成后，统计总灌浆量，采用式(1)计算浆液充填系数，通过对比规范及设计要求，评价注浆效果，即：

式中，QT总灌浆量，m3；V为采空区加固体积，m3；n为采空区剩余空隙率，%；c为浆液结石率，%；α为浆液充填系数，%；β为灌注量损耗系数。

1.2 检查孔法

检查孔法是最常用的注浆质量检测和评价方法，也是规范推荐方法。该方法是在注浆结束后，根据注浆量分布特征、空洞发育和裂隙连通特点以及P-Q-t曲线分析结果，在可能存在的薄弱区域设置检查孔，开展孔内观察、取芯、压浆试验、渗透系数测定等工作，评价注浆效果。

1)检查孔观察法：通过观察检查孔钻进过程中孔壁完整性、冲洗液漏失量及漏失位置情况、静置坍孔情况、浆液对空隙和裂隙的充填胶结程度[15]，成孔后孔内水位及变化情况，定性评定注浆加固效果。

2)检查孔取芯法：通过对检查孔取芯率、岩芯完整性、岩芯中是否含有浆液结石体、结石体强度试验等进行综合分析，评价注浆加固效果。

3)检查孔压浆法：对检查孔进行压浆试验，根据P-Q-t曲线特征，评价注浆加固效果。

1.3 变形监测法

通过在采空区影响范围内布设地表变形监测点，采集治理前后及施工中地表变形观测数据，分析评价加固效果。各监测阶段目的见表1。

表1 各监测阶段的作用

该方法缺点是时间跨度长、受施工影响大、观测点必须要保护。

1.4 物探法

注浆前，分析采空影响区域物探法使用的前提是否存在，获取采空影响区域岩土层特别是垮落断裂带的基本物性参数。注浆完成后，采用相同参数进行物探测试，通过前后对比，分析浆液对垮落断裂带的充填效果。

1)煤田测井：同一注浆区域内，通过在对相邻钻孔注浆前后进行全基岩段煤田测井，获取体积密度、侧向电阻率、井径以及波速等7个指标，分析各指标差异性，间接评价注浆目标层段灌浆充填质量。

2)孔内VSP地震及二维地震勘探：注浆完成后，对治理区域预留测试孔重新扫孔，采用与注浆前相同参数进行零偏VSP及Walkaround VSP地震勘探。地面激发-孔内接收，分别采集纵波及横波的波动参数(时差、频率、相位等)，利用纵波及横波反演注浆加固地层弹性力学参数，识别地层裂隙及各向异性改善情况，定量评价注浆目标层段加固效果。

2 工程应用

2.1 工程概况

岱庄煤矿730采区于2013年10月12日—2014年6月8日完成开采，开采3上煤，项目区内开采34#和38#共2个工作面，倾斜长度50m，煤柱留宽100m，全部垮落法管理顶板。地层整体由东北向西南倾斜，倾角6°～8°，煤层采厚2.80m，平均埋深538.77m，其中第四系松散层平均厚度256.78m，基岩平均厚度274.86m。

经勘察，项目区下伏采空区处于不充分垮落全充水状态，顶板部分垮落，部分钻孔存在掉钻现象，采空区内部存在较大空间与裂隙。稳定性综合评价结果认为：采空区处于不稳定-基本稳定状态，条带煤柱稳定性不满足安全储备要求。

项目区拟进行高强度商业开发，建筑物密集，人口众多。采空区对地表工程建设的影响程度为中等～大，地表变形极易造成建(构)筑物墙体开裂、倾斜、不均匀沉降等问题，甚至造成地基失稳或结构破坏，因此，开展项目区范围内采空区治理工作十分必要。

2.2 治理方案

本工程采用煤柱保护与墩台注浆相结合局部充填治理方案。一方面，通过对条带开采后遗留煤柱进行注浆保护，防止煤柱在地下水、长期荷载作用导致煤壁剥落、风化及塑性区向内部进一步扩展，利用煤柱自身强度对上部地层起到承载作用；同时在采空区内设置50m×50m墩台，起分担煤柱荷载，降低煤柱应力作用，有效提高地层承载力，降低采空区变形对工程建设不利影响，提高工程建设安全可靠性。

根据施工图设计，钻孔采用垂直钻孔，分为先导性钻孔、一般灌浆钻孔和质量自检钻孔三类，共计115个。设计灌浆总量为95286m3，采用水泥-粉煤灰浆液，水固比1∶1～1∶1.3，固相比2∶8～3∶7。采用间歇式局部充填工艺，单孔补浆次数不应小于3次。灌浆结束标准：灌浆压力达到3.5MPa后，单位灌浆量小于50L/min且稳定15min以上即可结束灌注。

2.3 质量控制

2.3.1 材料质量控制

严格按照相关规范及施工组织设计要求，灌浆原材实行“三检”(进场检、取样检和委托送检)制度，严把质量关。

进场材料均检查是否有出厂合格证等质量证明文件，如没有，禁止进场；对符合进场条件的材料在入罐前全部进行抽检，辨识物理性能，同时记录进场材料入罐号码，如后续发现存在质量问题，可追溯供应单位责任；按批次对进场水泥和粉煤灰进行抽检，送至符合资质要求的检测单位进行性能检测。

2.3.2 制浆质量控制

运用自主研发的采空区自动化注浆控制系统，经现场工艺性试验核定，能够实现精确化上料，自动化制浆，减少原材料计量误差，符合相关规范及设计要求。同时，严格按照规范及设计要求，检测灌注浆液比重、流动度、结石率及结石体强度等性能指标。

2.3.3 灌浆质量控制

1)灌注施工工序：依据施工图设计，结合现场施工条件，总体灌注施工顺序：先灌注工作面西南侧边缘帷幕孔，在治理区域形成有效帷幕后，灌注工作面内部钻孔，每个注浆控制单元均分三序次进行间隔灌注。

2)间歇灌注控制：施工过程中，单孔灌注量较大时，及时进行间歇，并根据现场实际情况逐步延长间歇时间。前期间歇时间一般在6～24h，对于部分灌注量较大钻孔，单次间歇时间逐渐延长至14～21d；尤其是8个帷幕钻孔，平均间歇次数超过6次，平均灌注时间跨度达45d。通过合理利用间歇工艺，有效控制浆液扩散范围。

3)关键参数控制：钻孔成孔后，及时测量孔深、水位，记录漏水位置、掉钻、进尺速度等成孔信息，分析钻孔可注性。灌浆前，对钻孔进行压水试验，压水异常钻孔及时安排扫孔。灌浆开始后，利用自动化注浆控制系统，实时监控记录P-Q-t曲线，一旦发现异常，及时调整灌注流量、浆液浓度等指标。记录灌注过程中出现的各种情况，分析灌注数据，及时调整灌注工艺。

3 注浆效果评价

3.1 注浆过程分析法

3.1.1P-Q-t曲线分析法

利用自动化注浆系统对钻孔注浆压力数据进行实时采集，筛选灌浆起压前30min的P-t曲线，进行汇总梳理后发现，钻孔在最后30min起压段曲线可分为两类；①正常起压曲线：压力平滑上升；②异常起压曲线：压力突然上升。

及时梳理异常起压钻孔，结合灌注中出现的其他情况，分析确定起压原因后，采取针对性的扫孔补浆措施，确保所有钻孔均达到设计灌浆结束标准。

3.1.2 注浆量分布空间特征

1)帷幕区钻孔分三序进行灌注：①对设计的8个帷幕孔分2序间隔注浆施工；②对帷幕孔紧邻的其他钻孔注浆，以补强帷幕封堵效果，形成30m宽的帷幕封堵区；③对帷幕区部分非正常起压钻孔组织扫孔、补孔，开展补充性注浆，同时起检验帷幕效果的作用。帷幕区注浆量空间分布特征如图1所示。

图1 帷幕区注浆量分布

由图1可知，帷幕区不同序次钻孔灌浆量呈逐次衰减特征，表明帷幕封堵效果较好。

2)内部区域：以III序孔为中心，将两个工作面采空区分别划分为4个和5个墩台区域，经统计分析，得出2个工作面9个墩台区域注浆量空间分布情况，如图2所示。

图2 各墩台区域注浆量分布情况

由图2可知，34#工作面各墩台区域注浆量分布均匀，无明显薄弱区域，充填效果较好。38#工作面各墩台区域注浆量有一定差异，2#与4#墩台区域注浆量虽低于平均值的10%左右，但3#墩台区域注浆量偏大，对相邻区域起补充作用。

3.1.3 注浆量分布时间特征

9个墩台区域的钻孔按照3个序次进行灌注，各序次注浆量如图3所示。

图3 各次序钻孔注浆量分布情况

由图3可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序钻孔注浆量呈逐次递减趋势，表明分序注浆可提高区域充填效果。各区域分序灌注后，采空区剩余空隙数量减少，可注性逐渐降低，后一序次钻孔注浆可对前一序次控制区域起补充充填作用。

3.1.4 浆液充填系数反算法

注浆完成后，统计总注浆量，并与设计工程量进行对比，反算浆液充填系数，评价注浆效果。如图4所示。

图4 设计与实际工程量对比情况

由图4可知，实际钻探进尺和灌浆量均大于设计值。根据钻孔揭露情况，采空区上覆地层中存在多处泥岩破碎地层，因此，通过综合分析，将设计浆液损耗系数β由1.18修正为1.3。根据式(1)反算得出34和38工作面的浆液充填系数分别为95.6%和93.3%，大于设计值(90%)，表明采空区充填效果较好。

3.2 检查孔法

通过对比分析不同序次钻孔冲洗液漏失位置、注浆目标层段治理前后的钻孔取芯率及后序钻孔取出浆液结石体的位置3个参数，评价注浆效果。

3.2.1 漏失位置高度对比分析[16]

为进一步量化分析评判注浆充填效果，将34#和38#工作面采空区内3个序次钻孔冲洗液平均漏失位置进行对比，如图5、图6所示。

图5 34#工作面不同序次钻孔冲洗液漏失位置

图6 38#工作面不同序次钻孔冲洗液漏失位置

由图5、图6可知，治理区域内共设置9个墩台，每个墩台内的Ⅰ序、Ⅱ序和Ⅲ序钻孔冲洗液漏失位置均呈下行趋势，表明灌注浆液通过不同序次钻孔在垂向上分层充填堆积，逐渐实现对整个注浆目标层段的有效充填，效果明显。

3.2.2 钻孔取芯率对比分析

通过对勘察孔和检测孔岩芯采取率和RQD值进行统计，如图7、图8所示。

图7 勘察孔与检测孔岩芯采取率情况

图8 勘察孔与检测孔岩芯RQD值情况

由图8可知，检测孔煤层底板以上60m岩芯采取率平均值均大于90%，达到治理设计要求。由图9可知，检测孔煤层底板以上10m岩芯RQD平均值44.48%，煤层底板以上10～60m为72.76%，煤层底板以上60m至基岩面为75.96%。结果表明，经过治理，钻孔岩芯采取率和RQD值均有明显提升，浆液对采空区垮落断裂带充填效果明显。

3.2.3 取出结石体情况

对21个取芯钻孔取出浆液结石体位置(共计37处)进行统计分析，如图9所示。

图9 钻孔取出浆液结石体位置情况

为便于分析，将煤层底板以上10m作为一个区段。由图9可知，浆液结石体位置集中在煤层底板以上35m范围内，而其中煤层底板以上0～10m范围内结石体分布比例达52.63%，与勘察成果中垮落带高度8～9.58m基本一致。煤层底板以上10～30m范围内结石体分布比例为44.74%，表明断裂带充填效果同样较好；煤层底板以上30～40m范围内结石体分布比例仅为2.63%，分析认为断裂带上部裂隙发育不明显，不易取出含有结石体的芯样。

3.2.4 钻孔成像

由勘察结果可知，采空区断裂带平均高度为50.84m，垮落带高度8.33m，因此，通过钻孔电视对煤层底板以上60m范围的钻孔岩壁进行观察，分析垮落断裂带充填效果。检查孔垮落断裂带内可见明显的浆液结石体充填，直观反映注浆效果明显。

3.2.5 检查孔压浆试验

检查孔压浆试验能直观有效评价注浆效果。试验用浆液类型及配比均与施工时相同，各检查孔的压浆试验P-t曲线如图10所示，压浆量情况见表2。

图10 检查孔压浆试验压力曲线

表2 检查孔压浆量统计表

由图10可知，除JC05钻孔(试验过程中，泵压升至1.3MPa，孔口压力0.8MPa，距孔口1m处地表开始冒浆，亦能满足相应的技术要求)外，其他检查孔最大注浆压力均达到3.5MPa以上，满足设计要求。由表1可知，检查孔压浆量均低于注浆孔平均单孔灌浆量的10%，其中JC03孔压浆量最大，为23m3。试验结果表明，注浆目标层段残余裂隙较少，且不具有连通性。

3.3 变形监测法

项目区地表共布设A、B、C共3条测线，共计48个监测点。

34#和38#工作面采空区治理工程于2019年12月23日结束。自2019年12月16日至2020年5月18日，共进行9次监测，历时5个月。对C测线测点监测结果进行整理分析，如图11所示。

图11 C测线监测点下沉曲线

由图11可知，C测线监测点最大累计沉降量为1.7mm，最大沉降速率为0.011mm/d，满足规范和设计要求。结果表明，地表变形已处于稳定状态。

3.4 物探法

3.4.1 煤田测井

通过对不同注浆区域的Ⅲ序孔全基岩段进行煤田测井，获取纵波波速数据，采用转换公式得到横波波速，分析评价灌浆充填效果[17-19]。典型钻孔测井曲线如图12所示。

图12 Ⅲ序孔A-N08横波波速曲线

由图12可知，Ⅲ序孔注浆目标层段横波波速均大于500m/s，满足相关规范及设计要求。同时，表明Ⅲ序孔起施工自检作用，同时亦可对垮落断裂带裂隙起补充充填作用。

3.4.2 孔内VSP地震及二维地震勘探

对原勘察CK3-2钻孔(38#工作面正上方)重新扫孔，采用与注浆前相同参数进行零偏VSP及Walkaround VSP地震勘探，采集纵波及横波的波动参数(时差、频率、相位等)。

1)VSP地震。采空区治理前后CK3-2零偏VSP波形如图13所示。由图13可知，采空区治理前后，原始记录波形变化较明显。治理前，采空区内被水填充，阻碍横波传播，原始记录可见低频横波并不发育；治理后，采空区部位横波突显，能量明显加强，连续性较好，表明采空区得到有效填充。

图13 采空区治理前后CK3-2零偏VSP波形

平均速度的变化能够反映地层物性变化。治理前后透射波旅行时距曲线如图14所示。

图14 治理前后透射波旅行时距曲线

由图14可知，采空区治理前后，采空区及其上覆岩层相同射线路径的透射波旅行时距变化显著，而下伏岩层的变化不大，变化极值区位于采空区附近，表明注浆充填前采空区平均速度较低，填充后，采空区及其上覆地层密实度提高。

选取典型测线R164，对治理前后的时间剖面情况进行对比分析。

治理前，34#和38#工作面3上煤层处反射波同相轴尖灭中断，且产状突变。治理后，煤层处反射波连续性加强，与治理前剖面形态发生明显变化，表明采空区充填效果良好。

4 结 论

1)注浆效果很大程度上取决于注浆过程质量控制，应从材料、制浆和灌浆等影响注浆效果的三个关键环节入手，采取全面严格的质量控制措施，才能有效保证注浆效果。

2)在注浆质量要求较高的情况下，单一注浆效果评价方法存在一定的局限性。因此，须结合现场具体情况，充分运用各种方法的优点，采取“即时检测+工后检测”的评价方法对采空区进行全方位多指标综合评价，做到注浆过程中及时补救薄弱部位，注浆完成后科学评价加固效果。

3)各类检测技术均具有各自的适用性和适用范围，它们之间互相印证和补充。评价注浆效果时，应根据现场条件，选取多种手段，并结合翔实可靠的施工记录资料，保证评价结果的真实性和准确性。