超聲波檢測在副斜井井壁質(zhì)量探查中的應(yīng)用

鄭天斌

(陜西中能煤田有限公司，陜西 榆林 719000)

隨著我國煤礦開采深度的增加以及西部地區(qū)煤炭礦產(chǎn)資源的開發(fā)，越來越多的立井、斜井穿過深厚沖積層、雙深厚地層、含水松軟基巖。凍結(jié)法鑿井技術(shù)逐步發(fā)展成為我國鑿井的首選施工方法[1-5]。

袁大灘煤礦東距榆林市約 20km，行政區(qū)劃隸屬榆林市榆陽區(qū)，周邊與西紅墩井田、可可蓋井田、小紀(jì)汗煤礦、紅石峽井田等相鄰。設(shè)計生產(chǎn)能力為5.0Mt/a，服務(wù)年限83.6a，采用斜井開拓方式。袁大灘煤礦副斜井要穿越以厚風(fēng)積沙層為主的、富水性強的第四系松散層，井筒建設(shè)條件復(fù)雜，難度較大[6]。副斜井傾角較小(5°～6°)，須長距離穿越松散層，上部采用凍結(jié)法完成施工。我國凍結(jié)技術(shù)較為成熟，相對立井結(jié)構(gòu)設(shè)計參考案例較少[7]。斜井凍結(jié)技術(shù)在國內(nèi)尚無成熟的理論和技術(shù)規(guī)范，因此深入研究探查服役斜井凍結(jié)段井筒質(zhì)量意義重大。

1 裂縫檢測與分析

1.1 裂縫位置選擇與測量

1.1.1 井壁裂縫(紋)檢測方法

1)裂縫寬度檢測采用混凝土裂縫尺測試，裂縫深度采用超聲波測試，本項目裂縫檢測采用NM-4超聲波檢測儀，深度測量范圍為≤500mm，測試誤差≤5%或?qū)嶋H深度的2%～10%。

2)根據(jù)裂縫統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場井筒裂縫發(fā)育程度(見表1)，選取斜長 425m、590m、931m 三個位置進行裂縫檢查，測點位置編號如圖1所示。根據(jù)位置，依次編為第1、第2……第n跨；每個裂縫測試兩次深度，測試線第1裂縫起最上側(cè)為1-1，自上向下依次為 1-1、1-2。

表1 井壁裂縫發(fā)展情況統(tǒng)計

圖1 測區(qū)布置示意圖

1.1.2 裂縫表觀與寬度

1)425m測點4裂縫表觀與寬度檢查。如圖1所示，425m測點4裂縫位于直墻位置，產(chǎn)狀沿著斜井直墻近水平走向，呈中間寬、兩端細分布，經(jīng)過監(jiān)測期間連續(xù)觀測未見裂縫發(fā)育。裂縫表面存在洇水現(xiàn)象，無析出物及析出物化學(xué)成分等情況。混凝土表面層出現(xiàn)蜂窩麻面情況，但仍然能夠起到保護層作用。表面層厚度為20mm。裂縫尺測得該裂縫最寬處位于中部，寬度為0.55mm，中間細處寬度范圍為0.15～0.25mm。

2)590m測點8裂縫表觀與寬度檢查。590m測點8裂縫位于直墻位置，產(chǎn)狀沿著斜井直墻近水平走向，呈中間寬、兩端細分布，經(jīng)過檢測期間連續(xù)觀測未見裂縫發(fā)育。裂縫表面無滲水、析出物及析出物化學(xué)成分等情況?；炷帘砻鎸油旰茫^光滑，基本無蜂窩麻面情況，表面層厚度為20mm。根據(jù)裂縫尺測量，該裂縫最寬處位于中上部，寬度為0.55mm。兩端細處寬度范圍為0.15～0.25mm。

3)931m測點1裂縫表觀與寬度檢查。931m測點1裂縫位于拱頂位置，產(chǎn)狀近垂直走向，兩端等寬，中上部較細分布，經(jīng)過連續(xù)觀測未見裂縫發(fā)育。裂縫表面存在洇水現(xiàn)象，有析出物及析出物化學(xué)成分等情況?；炷帘砻鎸映霈F(xiàn)蜂窩麻面情況，但仍然能夠起到保護層作用。根據(jù)裂縫尺測量，該裂縫寬度范圍為0.25mm。

1.2 裂縫計算分析

裂縫肉眼清晰可見，為了檢測裂紋的深度，我們每條裂縫選擇了1個測點，在每個測點處用超聲波平測法對裂紋的深度進行檢測，以了解其破壞程度。采用平測法進行檢測，分別在裂縫的檢測部位以不同的測距同時按跨裂縫和不跨裂縫布置測點進行聲時測量。

425m測點4裂縫深度檢測。不跨縫聲時測量：將T和R換能器布置與裂縫同一側(cè)，以兩個換能器內(nèi)邊緣間距(li)等于100mm、200mm、300mm、400mm分別讀取聲時(ti)繪制t-l曲線，擬合得到直線方程l=t+a，不跨裂縫的測試結(jié)果經(jīng)線性擬合后如圖2所示。經(jīng)計算得擬合常數(shù)a=8.129，相關(guān)系數(shù) 0.9999。

圖2 不跨縫平測擬合曲線

將v帶入跨縫平測公式可得該處測點縫深數(shù)據(jù)，見表2。

表2 425m處測點縫深

據(jù)此求得縫深為114.13mm，除去保護層厚度20mm，則超聲實測混凝土的裂縫深度為94.13mm。同樣可得其余兩測點裂縫深度，并將另外兩條裂縫深度匯總見表3。

表3 裂縫深度

綜上所述，利用超聲波平測法獲得裂縫深度分別為 94.13mm、 171.46mm、50.11mm。裂縫深度較淺，推測為非貫穿性結(jié)構(gòu)損壞裂縫，目前暫未對井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)成大的威脅，但應(yīng)當(dāng)長期監(jiān)測，必要時須及時采取處理措施。

2 探查方法選擇

目前，不同探查方法，所測數(shù)值反應(yīng)結(jié)果不同：①回彈法可以反映混凝土的表面強度；②超聲波法可以在不破壞混凝土的情況下檢測混凝土內(nèi)部的實際強度。

超聲波在混凝土中的傳播速度隨著混凝土強度的提高而增大，混凝土強度愈高，超聲波在混凝土中的傳播速度愈快。因此，可以通過測定超聲波在混凝土中的傳播速度來檢測混凝土的強度[8]。本次檢測為利用超聲波平測法和回彈法測量井壁混凝土的抗壓強度，以推定混凝土強度，并作為探查、評定混凝土質(zhì)量問題的一個主要依據(jù)[9，10]。

超聲回彈綜合法是指采用超聲儀和回彈儀，在構(gòu)件混凝土同一測區(qū)分別測量聲音和回彈值，然后利用已建立起的測強公式推算測區(qū)混凝土抗壓強度的一種方法。與單一回彈法或超聲法相比，超聲回彈綜合法具有受混凝土齡期和含水率影響小、測試精度高、適用范圍廣、能夠較全面地反映結(jié)構(gòu)混凝土的實際質(zhì)量等優(yōu)點[11]。

3 超聲波綜合測強檢測

3.1 強度截面位置選擇與測點布置

副斜井凍結(jié)段斜長范圍為253～941m，對副斜井凍結(jié)段容易出現(xiàn)較大安全隱患的重點區(qū)段出水情況進行了統(tǒng)計，見表4。

鑒于以上井筒井壁代表段出水情況統(tǒng)計，根據(jù)井壁設(shè)計與施工情況，選取6個位置截面，其位置見表5。

3.2 測區(qū)設(shè)計

在副斜井凍結(jié)段中，考慮到現(xiàn)場條件與檢測位置等因素，檢測工具選取回彈儀、超聲波檢測儀。選擇超聲回彈綜合檢測區(qū)200mm×200mm正方形區(qū)域：①每個測區(qū)布置9個回彈測點(如圖3所示)，相鄰兩側(cè)點間距不小于50mm，同一截面內(nèi)，兩測區(qū)距離不小于100mm；②超聲波測區(qū)在回彈檢測測區(qū)內(nèi)，上下跨點布置，每個測區(qū)布置3個測點，相鄰兩側(cè)點間距不小于100mm。

表4 斜井井壁出水情況統(tǒng)計

表5 井壁混凝土強度檢測位置

圖3 測區(qū)點范圍及布置示意圖(mm)

3.3 混凝土強度計算方法

計算測區(qū)平均回彈值時，從該測區(qū)測試面的9個回彈值中，剔除1個最大值和1個最小值，然后將余下的7個回彈值取平均值。對于非水平狀態(tài)測得的回彈值，進行修正。

根據(jù)井壁各測區(qū)的混凝土回彈代表值和聲速代表值，按《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS02：2005)中的相關(guān)要求，進行超聲波回彈檢測。

根據(jù)構(gòu)件各測區(qū)的混凝土回彈代表值和聲速代表值，按陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《混凝土超聲回彈綜合法測強曲線標(biāo)準(zhǔn)》(DB61/T 1084—2017)的要求推算各測區(qū)混凝土抗壓強度換算值。本次測試對象袁大灘煤礦副斜井位于榆林市轄區(qū)，按陜北地區(qū)曲線行駛計算，粗集料類型為碎石，即式(1)。

4 混凝土結(jié)構(gòu)強度推測與分析

4.1 檢測推定混凝土強度分布

將回彈法與超聲波法數(shù)據(jù)處理結(jié)果代入到公式中，即可得到超聲波回彈綜合法推定混凝土結(jié)構(gòu)強度結(jié)果見表6。其中60個測區(qū)中，強度最大值為斜長250m位置的拱頂，為53.59MPa；最小值為斜長587m位置的底板邊側(cè)，為18.36MPa。

表6 副斜井井壁檢測推定混凝土結(jié)構(gòu)強度值匯總表 MPa

需要說明的是，由于測區(qū)5、6、7位于井筒底板鋪底混凝土層上，其檢測推定值不是下部結(jié)構(gòu)層混凝土強度，而是直接接觸的鋪底層混凝土強度現(xiàn)時值。

根據(jù)副斜井的設(shè)計資料，副斜井凍結(jié)段井壁混凝土設(shè)計等級為C45。根據(jù)超聲綜合探測的技術(shù)規(guī)程，強度檢測推定值對標(biāo)的是相同強度等級的混凝土立方體抗壓強度標(biāo)注值(fcu，k)，C45混凝土的立方體抗壓強度為45MPa。將表6數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)強度(45MPa)相減(負(fù)值表示強度不足)得到推定強度與基準(zhǔn)強度差值，如圖4所示。

圖4 各測區(qū)檢測推定強度與基準(zhǔn)強度差值

4.2 混凝土強度推定的分析

根據(jù)超聲回彈綜合檢測技術(shù)的理論，超聲波波速主要表征混凝土內(nèi)部構(gòu)造的密實程度，為混凝土結(jié)構(gòu)的彈性性質(zhì)，聲速越高強度越大，反之亦然?；貜椃ㄖ饕碚骰炷帘砻?cm厚度的強度值，為混凝土結(jié)構(gòu)的塑性性質(zhì)。二者結(jié)合通過測強曲線公式即可得出測區(qū)的混凝土現(xiàn)時強度。

根據(jù)超聲回彈綜合檢測獲得的副斜井井壁混凝土強度推定強度匯總(表6)，分析可得：與基準(zhǔn)值比較，沿井筒走向上看，斜長250m、534m、587m處不合格測區(qū)分布較其他三個位置集中。各測區(qū)檢測推定強度與基準(zhǔn)強度差值分布(圖4)顯示：①375～931m的混凝土井壁強度(測區(qū)1、2、3、8、9、10)目前可以保證C45等級設(shè)計要求；②底板所有檢測區(qū)(測區(qū)5、6、7)現(xiàn)時強度未達到C45的標(biāo)準(zhǔn)，大多處于C30～C35的水平；③斜長250m處2號點的混凝土井壁現(xiàn)時強度達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，原因在于回彈值遠低于45MPa，混凝土結(jié)構(gòu)表面塑性區(qū)大，但是內(nèi)部密實程度較高。故在今后工作中需要重點對斜長250m處井壁完整性進行重點觀測。

5 結(jié) 論

1)直墻、拱部與底板混凝土強度檢測數(shù)據(jù)表明，井壁及底板混凝土現(xiàn)時強度較設(shè)計值(或初期值)有所下降。井筒投入使用后，井壁受力變形對混凝土產(chǎn)生影響，尤其在距斜井井口斜長250m、534m、587m處不合格測區(qū)，在今后的使用過程中要加強檢測。

2)鋪底混凝土現(xiàn)時強度較設(shè)計值有較大下降，其原因可能有兩個方面，一是凍結(jié)段井筒解凍過程中，結(jié)構(gòu)下沉可能對底板結(jié)構(gòu)層受力變形產(chǎn)生不利影響，二是運營期間車輛載荷的直接作用對鋪底混凝土產(chǎn)生負(fù)載損害。

3)根據(jù)推定的混凝土抗壓強度，斜井井筒安全狀態(tài)評估尚為安全，但凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)的綜合性能已經(jīng)較建設(shè)初期和設(shè)計要求有所下降，不利于長期安全運行。為提供斜井井筒整體運行安全，建議在斜井凍結(jié)段加套一層內(nèi)層井壁，進行加固處理。