基于探测技术的底板构造区注浆加固效果评价

郎 君，刘正武

(吕梁学院矿业工程系，山西 吕梁 033000)

0 引 言

我国是一个煤矿大国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位，对于经济发展具有重要意义[1]。随着煤矿资源的大量回采，浅埋深煤层已趋于殆尽，煤炭企业不得不向深部发展，我国矿井正以每年8～12 m的速度向下延伸[2]。随着开采深度的增加，煤矿面临水害威胁，特别是沁水煤田受底板构造区高压奥灰水影响[3]。一旦发生突水事故，将造成大量的财产损失和人员伤亡，甚至造成社会不稳定因素[4-5]。

注浆加固技术是保证工作面底板稳定的有效手段，它是沿着工作面巷道布置钻场向煤层底板钻注浆孔，通过注浆孔将浆液输送到底板构造区内，从而大大减弱底板构造区的富水性并切断给水源[5]，而注浆效果评价对于工作面底板构造区的稳定起着决定性作用。

对于注浆效果评价技术的研究，国内外众多学者进行了大量的研究，评价方法以定性评价为主，尚没有统一的标准可以借鉴，由于注浆效果评价技术的不规范，导致工作面底板注浆加固工程完成后无法正确评价，无法保证注浆工程取得良好的效果[6-8]。因此，注浆效果评价技术指标对于保证注浆工程质量具有重要意义。本文以山西某矿为试验矿井，利用综合物探技术对构造区进行探测并对其进行注浆加固改造，对改造后的区域进行物探、钻孔电视窥视、分段注水测试，并对工作面回采过程中涌水量进行监测，基于工作面的安全回采提出了构造区注浆加固效果探测技术评价表，以期对今后类似工程的注浆施工提供借鉴价值。

1 工程概况

山西某矿生产能力为1.5 Mt/a，主采5号煤层，煤层平均厚度为9.4 m，煤层倾角为31°。以3205工作面作为试验工作面，工作面底板下方为灰岩，属于富水含水层，距离最小58 m，最大81 m，水压可达3.2 MPa，工作面走向、倾向分别是438 m、110 m。工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置示意图

2 底板物探

2.1 探测设备

1、瞬变电磁

瞬变电磁是通过接地线向地下发射电磁场，在脉冲磁场期间利用接地电极引起的涡流场进行电阻率探测的一种方法，其原理如图2所示[9]。

图2 瞬变电磁探测原理图

2、直流电法

直流电法是利用煤岩体与富水区域的电性区别进行探测的。通过人为向底板煤岩体提供稳定电流，利用接收设备观测电流在底板的分布情况，从而确定底板的构造异常区[10]。探测原理如图3所示。

图3 直流电法原理图

2.2 探测布置及结果分析

1）瞬变电磁

瞬变电磁探测采用偶极进行分析，距离设置为15 m，探测布置示意如图4所示。线圈指向探测方向，在巷道两侧分别布置15个测点。

图4 布置方式与探测方向

瞬变电磁探测后采用GOTEM进行处理，经过正反演计算，得出底板层的电阻率与距离探测数据图，结合水文地质特征，对正反演图像进行处理，其探测数据如图5所示。

图5 瞬变电磁探测结果

由图5可知，在整个勘测范围内存在3个低电阻率区，从左向右依次标记为Y1、Y2、Y3。其与工作面底板距离分别是42 m、52 m、68 m。其中Y1的面积最大。导高较大且分布极不均匀；Y2区域范围较小，导高最小，内部发育极不均匀，工作面回采时容易发生突水；Y3区域范围中等，导高中等发育不均匀，有发生突水的可能。

2）直流电法

直流电法采用四极探测法，共布置30个物理点。直流电法探测数据如图6所示。

图6 直流电法探测结果

由图6可知，勘探范围内存在两个异常区，从左到右依次编号为D1、D2。与巷道底板的距离分别是2 m、15 m。其中D1区域最大，部分区域向底板深部延伸，且分布极不均匀。工作面回采时，极易发生突水事故。

3）物探综合分析

采用瞬变电磁和直流电法对3205工作面进行探测。两种物探方法相结合，查明了3205工作面底板90 m范围内的岩层赋水特性，综合两种物探数据，得出煤层底板岩层低阻异常区如图7所示。

图7 工作面综合探测异常区平面图

图中的绿色、蓝色、青色阴影区域分别显示的是工作面底板下方30 m（发生底板突水可能性较大的切片）、40 m（不排除发生底板渗、出水可能性的切片）、55 m（存在于深部不会发生底板突水的切片）处的异常区域平面分布情况。选取30 m、50 m两个切片深度，主要考虑到底板奥灰水与煤层之间多以松软、破碎岩石为主，抵御底板奥灰水压的骨架刚性存在不足，结合相似水文地质条件矿区的物探经验进行确定。

由图7可知，工作面底板存在3个异常区域，其编号分别为 Z1、Z2、Z3。

Z1、Z2异常区范围和导高较大，工作面回采发生底板突水概率较大，对工作面安全回采存在较大影响，要引起重视。

Z3异常区范围和导高中等，工作面回采不排除发生底板渗、出水的可能性，要引起注意。

3 底板注浆改造

根据物探结果对底板进行注浆加固改造，灰岩扩散半径设计为25 m，在正常地层段进行均匀布孔，对于富水区域进行密集布孔，在工作面的两侧巷道分别布置八个钻窝，对于正常地层布置6个钻孔，对于异常区域布置8个钻孔，钻窝布置如图8所示。

图8 钻场布置示意图（单位：mm）

根据底板深度和物探结果进行钻孔参数设定，设计终孔为进入灰岩5 m，钻孔最大长度为151 m，最小长度为62 m。共布置钻孔60个，共钻进长度4 526.65 m。采用全液压钻机进行钻进。注浆材料选用双液无机注浆材料，利用2TGZ- 60/210注浆泵进行注浆，注浆压力设计为3～4 MPa，根据地质特征以及承压水压力确定注浆终压为5.6 MPa[11]。

3.1 注浆材料

双液无机注浆材料A液以硫铝酸盐水泥熟料为主，B液以生石灰和石膏混合材料为主。添加相应的速凝剂、缓凝剂、减水剂。注浆材料凝结时间最长可达到35 min，最短为30 s，凝结时间区间较大，能够适应底板构造区注浆加固工程；抗压强度可达16.8 MPa，能够满足强度要求；浆液干缩率随着水灰比的增大而增加，当水灰比为2.0∶1时，浆液干缩率为3.8%，小于5%，材料整体干缩率较小能够极大保证浆液稳定性；浆液泌水率随着水灰比的增大而增加，当水灰比为2.0∶1时，浆液的泌水率达到最大值，为4.7%，小于5%，较低的泌水率能够保证材料得到充分反应，达到材料最优效果。

4 注浆效果评价

工作面底板构造区注浆加固后，其构造区完整性、连续性必然发生改变，对于完整性主要指裂隙宽度两方面，注浆后浆液构造区充填，最终固结硬化，使得裂隙开度与宽度必然减少，可通过渗透系数法进行评价；连续性是指浆液充填后，将构造区充满浆液，将不完整的煤岩体固结形成连续整体，可通过物探技术、钻孔电视窥视技术进行评价。综上所述，采用物探、钻孔电视、渗透系数法对构造区注浆效果进行评价。

4.1 物探技术

物探检测法是测定注浆前后构造区地层视电阻率变化特征，通过注浆前后的视电阻率变化评价注浆效果。采用直流电法对注浆后的底板进行探测，得到的探测结果如图9所示。

图9 注浆后探测结果

对比图6和图9可知，注浆后异常区D1范围大幅度减少，视电阻率明显升高，说明注浆后浆液将构造区中的水置换出来，煤岩体连续性得到提高，注浆改造效果明显。

4.2 钻孔电视探测

钻孔电视探测是一种直观地对裂隙连续性分析的一种方法。通过对比注浆前后工作面底板构造区裂隙充填情况来判断注浆效果。

钻孔电视探测可以清晰地看到钻孔内部裂隙情况（钻孔电视结构如图10所示）。能够很好地反映注浆后地层特征[14]，该设备通过CCD光学耦合器将钻孔中裂隙发育特征进行实时采集（如图11所示），深度测试装置监测探头深度并传输到处理器中，最后通过图片形式展现出来。

图10 钻孔电视结构图

图11 注浆后裂隙充填情况

通过钻孔电视进行探测，能够将钻孔内的情况以图片的形式展现出来，具有非常好的直观性，注浆前后裂隙情况如图11所示。

由图11（a）可知，注浆前工作面底板地层明显存在裂隙，且裂隙宽度较大，以大于2 mm的裂隙为主。

由图11（b）可知，注浆后裂隙明显被白色的浆液填充，仅有一小部分微小裂隙没有被白色浆液填充，经分析，普通水泥浆液难以进入地层微小裂隙中，而大多数裂隙已被白色浆液完全填充，裂隙宽度主要以小于1 mm为主，注浆加固提高了煤岩体的连续性，注浆改造效果明显。

4.3 渗透系数法

渗透系数法是通过分段注水试验测定地层水漏失量，根据下式得出渗透系数的一种方法，对于底板注浆改造、防治水工程具有非常好的效果。

式中：k——注浆后地层渗透系数，m /d；

Q——测试过程中每个测试段稳定注水量，m3；

l——每次测试的长度，m；

s——钻孔中承压水的压力，MPa；

r——测试过程中所钻钻孔的半径，m。

测试过程中采用山东科技大学设计的双栓塞注浆测试设备，该设备具有很好的测试效果，其测试原理是：注浆前裂隙整体发育度较高，当注浆加固工程实施后，裂隙被浆液充填，裂隙发育度随之降低，钻孔注水量明显减低，通过钻孔注水量判断裂隙充填情况，注水试验设备结构如图12所示[14]。

图12 注水设备结构示意图

试验过程中采用注浆压力为5.5 MPa，每次测试1 m，每段测试三次取平均值，测试结果如表1所示。

表1 注水试验测试结果

根据测试结果结合上式进行计算，得出地层的渗透系数在 1.73×10-5～1.91×10-5cm/s之间，渗透系数较小，理论上满足工作面安全回采的需要，达到注浆加固改造的效果。

5 注浆效果检验

为了进一步分析注浆对于底板改造的效果，对工作面回采过程中涌水量进行监测，得出不同推进距离下的涌水量曲线如图13所示[15]。

图13 涌水量曲线图

由图13可知，工作面开采初期涌水量随着回采距离的增加呈直线上升，随着开采的不断推进，在150～300 m之间呈现降低趋势，之后基本保持在同一水平，工作面最大涌水量小于工作面排水能力（80 m3/h）。实现了工作面的安全回采。

6 综合评定指标

注浆效果评价是对构造区注浆加固工程实施好坏的有效评定，以安全回采为依据。采用物探技术、钻孔电视法、渗透系数法、涌水量监测法对注浆指标进行了评定，根据各个方法的特点，得出构造区注浆加固评价表如表2所示。

表2 构造区注浆加固效果探测技术评价表

物探技术对于一定埋深条件下的精度较高，而对于深部开采物探精度大大降低，同时，煤矿施工过程中使用大量的锚杆、锚索等钢制材料，对于物探结果存在较大影响，因此，物探技术仅能作为注浆效果评价的补充手段。

钻孔电视探测该技术属于物理探测技术，不受地质环境的影响，其裂隙宽度精度可达0.1 mm，通过探测图像能够直观地看到裂隙充填情况，具有非常高的准确度，但无法实现全注浆区域的探测，可作为注浆效果评价的主要手段。

渗透系数法该方法属于物理探测技术，受地质环境影响较少，通过注浆量反算地层渗透率，定量评价注浆效果，与钻孔电视一样无法实现全注浆区域的地层测试，可作为注浆效果评价的主要手段。

涌水量监测法是注浆效果检测的有效方法，通过记录不同推进距离下的工作面涌水量定量评价注浆效果，是注浆效果评价的主要手段。

7 结束语

对评价指标进行了定性和定量化分析，提出了构造区注浆加固效果探测技术评价表，注浆后异常区范围大幅度减少，视电阻率明显升高；注浆后地层裂隙被充填，裂隙宽度主要以小于1 mm为主；注浆后地层钻孔渗透系数保持在10-5等级以下；工作面涌水量小于工作面排水能力，实现了工作面的安全回采，对于构造区注浆加固工程具有重要的借鉴意义。