深部條帶采空區(qū)注漿效果綜合評價技術(shù)與應用

王兵強

(中煤科工集團生態(tài)環(huán)境科技有限公司 西安分公司，陜西 西安 710077)

隨著城市人口增多，城市規(guī)模不斷外擴，國內(nèi)很多煤炭資源型城市近郊采空區(qū)需治理后才能進行地面開發(fā)建設。目前，采空區(qū)治理技術(shù)主要有灌注充填法、砌筑法、剝挖回填法、強夯法以及堆載預壓法等，其中灌注充填法應用最為廣泛。

采空區(qū)尤其是深部條帶采空區(qū)覆巖垮落形態(tài)及特征差異性較大，漿液在裂隙中的擴散規(guī)律和加固效果不確定性較大，因此，注漿效果評價環(huán)節(jié)至關(guān)重要，而評價結(jié)果的科學性與準確性很大程度上取決于檢測方法選擇的合理性[1-5]。目前，注漿效果檢測方法主要是鉆探法和物探法，而單純在注漿結(jié)束后采用上述方法難以全面評價注漿效果，必須綜合運用多種檢測手段，對影響注漿質(zhì)量的各個環(huán)節(jié)進行定性和定量分析，全面評價注漿效果[6-13]。

因此，以山東濟寧岱莊煤礦730采區(qū)條帶采空區(qū)治理工程為背景，運用注漿過程分析法、檢查孔法、變形監(jiān)測法以及物探法組合形成“即時檢測+工后檢測”的綜合檢測評價方法，系統(tǒng)評價注漿效果。

1 注漿效果綜合檢測技術(shù)

目前，常用的注漿效果評價方法可劃分為四大類：注漿過程分析法、檢查孔法、變形監(jiān)測法以及物探法。

1.1 注漿過程分析法

通過對注漿過程中所收集的參數(shù)信息進行整理分析，對注漿效果進行定性、定量化評價。此類方法具有快速、直接、可靠的特點。

1)P-Q-t曲線分析法[14]：對鉆孔注漿過程中的注漿量、注漿壓力和注漿時間進行分析，初步分析單孔注漿情況，即P-Q-t曲線法。不考慮鉆孔塌孔等異常情況，P-Q-t曲線表現(xiàn)為I型和II型兩種形式。I型：垮落斷裂帶中存在一定空洞和裂隙，漿液流阻較小，以填充擴散方式加固采空區(qū)。當達到設計注漿量時，注漿壓力未達到設計終壓值，而此時注漿速度仍表現(xiàn)為較大；II型：隨著注漿的進行，鉆孔周邊空洞和大的裂隙通道被充填后，注漿壓力上升，注漿速度明顯下降，漿液不斷擠壓-劈裂-擠壓小的裂隙通道，最終達到設計注漿量時，注漿壓力和注漿速度亦達到設計結(jié)束標準。

2)注漿量分布特征法：又稱時空效應法，分為注漿量分布時間效應法和空間效應法。該方法簡單易行，通過對比分析不同次序和位置鉆孔的注漿量，對注漿效果進行合理評價。

3)漿液充填系數(shù)反算法：灌漿完成后，統(tǒng)計總灌漿量，采用式(1)計算漿液充填系數(shù)，通過對比規(guī)范及設計要求，評價注漿效果，即：

式中，QT總灌漿量，m3；V為采空區(qū)加固體積，m3；n為采空區(qū)剩余空隙率，%；c為漿液結(jié)石率，%；α為漿液充填系數(shù)，%；β為灌注量損耗系數(shù)。

1.2 檢查孔法

檢查孔法是最常用的注漿質(zhì)量檢測和評價方法，也是規(guī)范推薦方法。該方法是在注漿結(jié)束后，根據(jù)注漿量分布特征、空洞發(fā)育和裂隙連通特點以及P-Q-t曲線分析結(jié)果，在可能存在的薄弱區(qū)域設置檢查孔，開展孔內(nèi)觀察、取芯、壓漿試驗、滲透系數(shù)測定等工作，評價注漿效果。

1)檢查孔觀察法：通過觀察檢查孔鉆進過程中孔壁完整性、沖洗液漏失量及漏失位置情況、靜置坍孔情況、漿液對空隙和裂隙的充填膠結(jié)程度[15]，成孔后孔內(nèi)水位及變化情況，定性評定注漿加固效果。

2)檢查孔取芯法：通過對檢查孔取芯率、巖芯完整性、巖芯中是否含有漿液結(jié)石體、結(jié)石體強度試驗等進行綜合分析，評價注漿加固效果。

3)檢查孔壓漿法：對檢查孔進行壓漿試驗，根據(jù)P-Q-t曲線特征，評價注漿加固效果。

1.3 變形監(jiān)測法

通過在采空區(qū)影響范圍內(nèi)布設地表變形監(jiān)測點，采集治理前后及施工中地表變形觀測數(shù)據(jù)，分析評價加固效果。各監(jiān)測階段目的見表1。

表1 各監(jiān)測階段的作用

該方法缺點是時間跨度長、受施工影響大、觀測點必須要保護。

1.4 物探法

注漿前，分析采空影響區(qū)域物探法使用的前提是否存在，獲取采空影響區(qū)域巖土層特別是垮落斷裂帶的基本物性參數(shù)。注漿完成后，采用相同參數(shù)進行物探測試，通過前后對比，分析漿液對垮落斷裂帶的充填效果。

1)煤田測井：同一注漿區(qū)域內(nèi)，通過在對相鄰鉆孔注漿前后進行全基巖段煤田測井，獲取體積密度、側(cè)向電阻率、井徑以及波速等7個指標，分析各指標差異性，間接評價注漿目標層段灌漿充填質(zhì)量。

2)孔內(nèi)VSP地震及二維地震勘探：注漿完成后，對治理區(qū)域預留測試孔重新掃孔，采用與注漿前相同參數(shù)進行零偏VSP及Walkaround VSP地震勘探。地面激發(fā)-孔內(nèi)接收，分別采集縱波及橫波的波動參數(shù)(時差、頻率、相位等)，利用縱波及橫波反演注漿加固地層彈性力學參數(shù)，識別地層裂隙及各向異性改善情況，定量評價注漿目標層段加固效果。

2 工程應用

2.1 工程概況

岱莊煤礦730采區(qū)于2013年10月12日—2014年6月8日完成開采，開采3上煤，項目區(qū)內(nèi)開采34#和38#共2個工作面，傾斜長度50m，煤柱留寬100m，全部垮落法管理頂板。地層整體由東北向西南傾斜，傾角6°～8°，煤層采厚2.80m，平均埋深538.77m，其中第四系松散層平均厚度256.78m，基巖平均厚度274.86m。

經(jīng)勘察，項目區(qū)下伏采空區(qū)處于不充分垮落全充水狀態(tài)，頂板部分垮落，部分鉆孔存在掉鉆現(xiàn)象，采空區(qū)內(nèi)部存在較大空間與裂隙。穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果認為：采空區(qū)處于不穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，條帶煤柱穩(wěn)定性不滿足安全儲備要求。

項目區(qū)擬進行高強度商業(yè)開發(fā)，建筑物密集，人口眾多。采空區(qū)對地表工程建設的影響程度為中等～大，地表變形極易造成建(構(gòu))筑物墻體開裂、傾斜、不均勻沉降等問題，甚至造成地基失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)破壞，因此，開展項目區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)治理工作十分必要。

2.2 治理方案

本工程采用煤柱保護與墩臺注漿相結(jié)合局部充填治理方案。一方面，通過對條帶開采后遺留煤柱進行注漿保護，防止煤柱在地下水、長期荷載作用導致煤壁剝落、風化及塑性區(qū)向內(nèi)部進一步擴展，利用煤柱自身強度對上部地層起到承載作用；同時在采空區(qū)內(nèi)設置50m×50m墩臺，起分擔煤柱荷載，降低煤柱應力作用，有效提高地層承載力，降低采空區(qū)變形對工程建設不利影響，提高工程建設安全可靠性。

根據(jù)施工圖設計，鉆孔采用垂直鉆孔，分為先導性鉆孔、一般灌漿鉆孔和質(zhì)量自檢鉆孔三類，共計115個。設計灌漿總量為95286m3，采用水泥-粉煤灰漿液，水固比1∶1～1∶1.3，固相比2∶8～3∶7。采用間歇式局部充填工藝，單孔補漿次數(shù)不應小于3次。灌漿結(jié)束標準：灌漿壓力達到3.5MPa后，單位灌漿量小于50L/min且穩(wěn)定15min以上即可結(jié)束灌注。

2.3 質(zhì)量控制

2.3.1 材料質(zhì)量控制

嚴格按照相關(guān)規(guī)范及施工組織設計要求，灌漿原材實行“三檢”(進場檢、取樣檢和委托送檢)制度，嚴把質(zhì)量關(guān)。

進場材料均檢查是否有出廠合格證等質(zhì)量證明文件，如沒有，禁止進場；對符合進場條件的材料在入罐前全部進行抽檢，辨識物理性能，同時記錄進場材料入罐號碼，如后續(xù)發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問題，可追溯供應單位責任；按批次對進場水泥和粉煤灰進行抽檢，送至符合資質(zhì)要求的檢測單位進行性能檢測。

2.3.2 制漿質(zhì)量控制

運用自主研發(fā)的采空區(qū)自動化注漿控制系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場工藝性試驗核定，能夠?qū)崿F(xiàn)精確化上料，自動化制漿，減少原材料計量誤差，符合相關(guān)規(guī)范及設計要求。同時，嚴格按照規(guī)范及設計要求，檢測灌注漿液比重、流動度、結(jié)石率及結(jié)石體強度等性能指標。

2.3.3 灌漿質(zhì)量控制

1)灌注施工工序：依據(jù)施工圖設計，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，總體灌注施工順序：先灌注工作面西南側(cè)邊緣帷幕孔，在治理區(qū)域形成有效帷幕后，灌注工作面內(nèi)部鉆孔，每個注漿控制單元均分三序次進行間隔灌注。

2)間歇灌注控制：施工過程中，單孔灌注量較大時，及時進行間歇，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況逐步延長間歇時間。前期間歇時間一般在6～24h，對于部分灌注量較大鉆孔，單次間歇時間逐漸延長至14～21d；尤其是8個帷幕鉆孔，平均間歇次數(shù)超過6次，平均灌注時間跨度達45d。通過合理利用間歇工藝，有效控制漿液擴散范圍。

3)關(guān)鍵參數(shù)控制：鉆孔成孔后，及時測量孔深、水位，記錄漏水位置、掉鉆、進尺速度等成孔信息，分析鉆孔可注性。灌漿前，對鉆孔進行壓水試驗，壓水異常鉆孔及時安排掃孔。灌漿開始后，利用自動化注漿控制系統(tǒng)，實時監(jiān)控記錄P-Q-t曲線，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時調(diào)整灌注流量、漿液濃度等指標。記錄灌注過程中出現(xiàn)的各種情況，分析灌注數(shù)據(jù)，及時調(diào)整灌注工藝。

3 注漿效果評價

3.1 注漿過程分析法

3.1.1P-Q-t曲線分析法

利用自動化注漿系統(tǒng)對鉆孔注漿壓力數(shù)據(jù)進行實時采集，篩選灌漿起壓前30min的P-t曲線，進行匯總梳理后發(fā)現(xiàn)，鉆孔在最后30min起壓段曲線可分為兩類；①正常起壓曲線：壓力平滑上升；②異常起壓曲線：壓力突然上升。

及時梳理異常起壓鉆孔，結(jié)合灌注中出現(xiàn)的其他情況，分析確定起壓原因后，采取針對性的掃孔補漿措施，確保所有鉆孔均達到設計灌漿結(jié)束標準。

3.1.2 注漿量分布空間特征

1)帷幕區(qū)鉆孔分三序進行灌注：①對設計的8個帷幕孔分2序間隔注漿施工；②對帷幕孔緊鄰的其他鉆孔注漿，以補強帷幕封堵效果，形成30m寬的帷幕封堵區(qū)；③對帷幕區(qū)部分非正常起壓鉆孔組織掃孔、補孔，開展補充性注漿，同時起檢驗帷幕效果的作用。帷幕區(qū)注漿量空間分布特征如圖1所示。

圖1 帷幕區(qū)注漿量分布

由圖1可知，帷幕區(qū)不同序次鉆孔灌漿量呈逐次衰減特征，表明帷幕封堵效果較好。

2)內(nèi)部區(qū)域：以III序孔為中心，將兩個工作面采空區(qū)分別劃分為4個和5個墩臺區(qū)域，經(jīng)統(tǒng)計分析，得出2個工作面9個墩臺區(qū)域注漿量空間分布情況，如圖2所示。

圖2 各墩臺區(qū)域注漿量分布情況

由圖2可知，34#工作面各墩臺區(qū)域注漿量分布均勻，無明顯薄弱區(qū)域，充填效果較好。38#工作面各墩臺區(qū)域注漿量有一定差異，2#與4#墩臺區(qū)域注漿量雖低于平均值的10%左右，但3#墩臺區(qū)域注漿量偏大，對相鄰區(qū)域起補充作用。

3.1.3 注漿量分布時間特征

9個墩臺區(qū)域的鉆孔按照3個序次進行灌注，各序次注漿量如圖3所示。

圖3 各次序鉆孔注漿量分布情況

由圖3可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序鉆孔注漿量呈逐次遞減趨勢，表明分序注漿可提高區(qū)域充填效果。各區(qū)域分序灌注后，采空區(qū)剩余空隙數(shù)量減少，可注性逐漸降低，后一序次鉆孔注漿可對前一序次控制區(qū)域起補充充填作用。

3.1.4 漿液充填系數(shù)反算法

注漿完成后，統(tǒng)計總注漿量，并與設計工程量進行對比，反算漿液充填系數(shù)，評價注漿效果。如圖4所示。

圖4 設計與實際工程量對比情況

由圖4可知，實際鉆探進尺和灌漿量均大于設計值。根據(jù)鉆孔揭露情況，采空區(qū)上覆地層中存在多處泥巖破碎地層，因此，通過綜合分析，將設計漿液損耗系數(shù)β由1.18修正為1.3。根據(jù)式(1)反算得出34和38工作面的漿液充填系數(shù)分別為95.6%和93.3%，大于設計值(90%)，表明采空區(qū)充填效果較好。

3.2 檢查孔法

通過對比分析不同序次鉆孔沖洗液漏失位置、注漿目標層段治理前后的鉆孔取芯率及后序鉆孔取出漿液結(jié)石體的位置3個參數(shù)，評價注漿效果。

3.2.1 漏失位置高度對比分析[16]

為進一步量化分析評判注漿充填效果，將34#和38#工作面采空區(qū)內(nèi)3個序次鉆孔沖洗液平均漏失位置進行對比，如圖5、圖6所示。

圖5 34#工作面不同序次鉆孔沖洗液漏失位置

圖6 38#工作面不同序次鉆孔沖洗液漏失位置

由圖5、圖6可知，治理區(qū)域內(nèi)共設置9個墩臺，每個墩臺內(nèi)的Ⅰ序、Ⅱ序和Ⅲ序鉆孔沖洗液漏失位置均呈下行趨勢，表明灌注漿液通過不同序次鉆孔在垂向上分層充填堆積，逐漸實現(xiàn)對整個注漿目標層段的有效充填，效果明顯。

3.2.2 鉆孔取芯率對比分析

通過對勘察孔和檢測孔巖芯采取率和RQD值進行統(tǒng)計，如圖7、圖8所示。

圖7 勘察孔與檢測孔巖芯采取率情況

圖8 勘察孔與檢測孔巖芯RQD值情況

由圖8可知，檢測孔煤層底板以上60m巖芯采取率平均值均大于90%，達到治理設計要求。由圖9可知，檢測孔煤層底板以上10m巖芯RQD平均值44.48%，煤層底板以上10～60m為72.76%，煤層底板以上60m至基巖面為75.96%。結(jié)果表明，經(jīng)過治理，鉆孔巖芯采取率和RQD值均有明顯提升，漿液對采空區(qū)垮落斷裂帶充填效果明顯。

3.2.3 取出結(jié)石體情況

對21個取芯鉆孔取出漿液結(jié)石體位置(共計37處)進行統(tǒng)計分析，如圖9所示。

圖9 鉆孔取出漿液結(jié)石體位置情況

為便于分析，將煤層底板以上10m作為一個區(qū)段。由圖9可知，漿液結(jié)石體位置集中在煤層底板以上35m范圍內(nèi)，而其中煤層底板以上0～10m范圍內(nèi)結(jié)石體分布比例達52.63%，與勘察成果中垮落帶高度8～9.58m基本一致。煤層底板以上10～30m范圍內(nèi)結(jié)石體分布比例為44.74%，表明斷裂帶充填效果同樣較好；煤層底板以上30～40m范圍內(nèi)結(jié)石體分布比例僅為2.63%，分析認為斷裂帶上部裂隙發(fā)育不明顯，不易取出含有結(jié)石體的芯樣。

3.2.4 鉆孔成像

由勘察結(jié)果可知，采空區(qū)斷裂帶平均高度為50.84m，垮落帶高度8.33m，因此，通過鉆孔電視對煤層底板以上60m范圍的鉆孔巖壁進行觀察，分析垮落斷裂帶充填效果。檢查孔垮落斷裂帶內(nèi)可見明顯的漿液結(jié)石體充填，直觀反映注漿效果明顯。

3.2.5 檢查孔壓漿試驗

檢查孔壓漿試驗能直觀有效評價注漿效果。試驗用漿液類型及配比均與施工時相同，各檢查孔的壓漿試驗P-t曲線如圖10所示，壓漿量情況見表2。

圖10 檢查孔壓漿試驗壓力曲線

表2 檢查孔壓漿量統(tǒng)計表

由圖10可知，除JC05鉆孔(試驗過程中，泵壓升至1.3MPa，孔口壓力0.8MPa，距孔口1m處地表開始冒漿，亦能滿足相應的技術(shù)要求)外，其他檢查孔最大注漿壓力均達到3.5MPa以上，滿足設計要求。由表1可知，檢查孔壓漿量均低于注漿孔平均單孔灌漿量的10%，其中JC03孔壓漿量最大，為23m3。試驗結(jié)果表明，注漿目標層段殘余裂隙較少，且不具有連通性。

3.3 變形監(jiān)測法

項目區(qū)地表共布設A、B、C共3條測線，共計48個監(jiān)測點。

34#和38#工作面采空區(qū)治理工程于2019年12月23日結(jié)束。自2019年12月16日至2020年5月18日，共進行9次監(jiān)測，歷時5個月。對C測線測點監(jiān)測結(jié)果進行整理分析，如圖11所示。

圖11 C測線監(jiān)測點下沉曲線

由圖11可知，C測線監(jiān)測點最大累計沉降量為1.7mm，最大沉降速率為0.011mm/d，滿足規(guī)范和設計要求。結(jié)果表明，地表變形已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 物探法

3.4.1 煤田測井

通過對不同注漿區(qū)域的Ⅲ序孔全基巖段進行煤田測井，獲取縱波波速數(shù)據(jù)，采用轉(zhuǎn)換公式得到橫波波速，分析評價灌漿充填效果[17-19]。典型鉆孔測井曲線如圖12所示。

圖12 Ⅲ序孔A-N08橫波波速曲線

由圖12可知，Ⅲ序孔注漿目標層段橫波波速均大于500m/s，滿足相關(guān)規(guī)范及設計要求。同時，表明Ⅲ序孔起施工自檢作用，同時亦可對垮落斷裂帶裂隙起補充充填作用。

3.4.2 孔內(nèi)VSP地震及二維地震勘探

對原勘察CK3-2鉆孔(38#工作面正上方)重新掃孔，采用與注漿前相同參數(shù)進行零偏VSP及Walkaround VSP地震勘探，采集縱波及橫波的波動參數(shù)(時差、頻率、相位等)。

1)VSP地震。采空區(qū)治理前后CK3-2零偏VSP波形如圖13所示。由圖13可知，采空區(qū)治理前后，原始記錄波形變化較明顯。治理前，采空區(qū)內(nèi)被水填充，阻礙橫波傳播，原始記錄可見低頻橫波并不發(fā)育；治理后，采空區(qū)部位橫波突顯，能量明顯加強，連續(xù)性較好，表明采空區(qū)得到有效填充。

圖13 采空區(qū)治理前后CK3-2零偏VSP波形

平均速度的變化能夠反映地層物性變化。治理前后透射波旅行時距曲線如圖14所示。

圖14 治理前后透射波旅行時距曲線

由圖14可知，采空區(qū)治理前后，采空區(qū)及其上覆巖層相同射線路徑的透射波旅行時距變化顯著，而下伏巖層的變化不大，變化極值區(qū)位于采空區(qū)附近，表明注漿充填前采空區(qū)平均速度較低，填充后，采空區(qū)及其上覆地層密實度提高。

選取典型測線R164，對治理前后的時間剖面情況進行對比分析。

治理前，34#和38#工作面3上煤層處反射波同相軸尖滅中斷，且產(chǎn)狀突變。治理后，煤層處反射波連續(xù)性加強，與治理前剖面形態(tài)發(fā)生明顯變化，表明采空區(qū)充填效果良好。

4 結(jié) 論

1)注漿效果很大程度上取決于注漿過程質(zhì)量控制，應從材料、制漿和灌漿等影響注漿效果的三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，采取全面嚴格的質(zhì)量控制措施，才能有效保證注漿效果。

2)在注漿質(zhì)量要求較高的情況下，單一注漿效果評價方法存在一定的局限性。因此，須結(jié)合現(xiàn)場具體情況，充分運用各種方法的優(yōu)點，采取“即時檢測+工后檢測”的評價方法對采空區(qū)進行全方位多指標綜合評價，做到注漿過程中及時補救薄弱部位，注漿完成后科學評價加固效果。

3)各類檢測技術(shù)均具有各自的適用性和適用范圍，它們之間互相印證和補充。評價注漿效果時，應根據(jù)現(xiàn)場條件，選取多種手段，并結(jié)合翔實可靠的施工記錄資料，保證評價結(jié)果的真實性和準確性。