孔間電阻率監(jiān)測在注漿效果檢測的應(yīng)用研究

王程， 李博凡， 吳璋， 魯晶津

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

我國華北區(qū)域煤炭開發(fā)的石炭系煤層正逐漸走向深部，由此煤層開發(fā)所面臨的奧灰?guī)r溶水威脅變得尤為突出[1]。采用長定向鉆孔工藝對導(dǎo)、含水層進(jìn)行超前區(qū)域注漿改造與加固是華北型煤田煤層底板巖溶水害防治的主要技術(shù)手段[2-3]。

煤礦注漿工程中，由于工藝和材料等因素可能造成注漿孔間盲區(qū)問題，所以有必要對注漿效果進(jìn)行檢測，以便發(fā)現(xiàn)盲區(qū)，消除隱患。目前針對注漿效果檢測的手段還很有限，注漿檢測技術(shù)理論也不成熟，注漿改造加固效果也沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)，如何對注漿效果進(jìn)行正確有效的評價，成為煤礦注漿工程結(jié)束后亟需解決的難題[4]。

目前，針對注漿效果檢測的方法主要有鉆孔法、物探法等[5]。鉆孔法方面：薛翊國等[6]采用鉆孔取心、壓水試驗分析及注漿前后巖心力學(xué)實驗分析進(jìn)行注漿檢測，取得了一定效果；劉世奇等[7]采用鉆孔超聲波檢測注漿前后巖性巖體力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，通過彈性模量評價注漿效果。鉆孔法直接高效，但造價較高，且由于地層存在不均勻性和各向異性會導(dǎo)致漿液擴散方向和范圍具有不確定性，易導(dǎo)致安全隱患。物探法方面：李雁等[8]對破裂煤樣注漿前后的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CT掃描；劉鑫明等[9]、劉戀等[10]在地面采用高密度電法檢測淺層采空區(qū)注漿效果；齊飛等[11]、常青等[12]采用瞬變電磁法對注漿區(qū)域效果進(jìn)行了檢測；柴敬等[13]以溫度為監(jiān)測參量，引入光纖傳感技術(shù)對被注介質(zhì)內(nèi)部漿液擴散范圍和狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測；湛鎧瑜等[14-16]采用動水注漿擴散、裂隙動水注漿模型對漿液擴散范圍進(jìn)行了試驗，漿液擴散受水流流速、裂隙開度、注漿壓力和漿液黏度的影響。物探法可探測漿液在鉆孔周圍的擴散范圍，但由于工藝所限僅在注漿前后采集數(shù)據(jù)，定性地分析注漿效果，缺少對注漿全過程的跟蹤動態(tài)監(jiān)測，未得到注漿全過程的地層電性數(shù)據(jù)，很難對注漿效果進(jìn)行準(zhǔn)確評價。

電阻率對化學(xué)漿液的運動具有很好的“可視化”再現(xiàn)和指示漿液滲流位置功能[17]，在煤礦井下注漿層位全過程動態(tài)監(jiān)測地層電阻率，是準(zhǔn)確判斷漿液擴散范圍、評價導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё{效果的關(guān)鍵。本文引入孔間電阻率監(jiān)測系統(tǒng)對注漿改造巖層的電阻率變化特征進(jìn)行全過程監(jiān)測，以實現(xiàn)漿液擴散范圍的精準(zhǔn)探測。利用定向鉆孔內(nèi)布置的電阻率監(jiān)測系統(tǒng)[18]，采用孔間電阻率監(jiān)測技術(shù)，獲取注漿全過程注漿層位電阻率的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后采用三維電阻率反演對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋，得到注漿層位巖性電阻率變化規(guī)律，從而推測漿液擴散范圍。

1 孔間電阻率監(jiān)測技術(shù)

1.1 電阻率監(jiān)測系統(tǒng)

目前，煤礦工作面電阻率監(jiān)測系統(tǒng)[19-20]被廣泛應(yīng)用于煤層底板采動破壞及導(dǎo)水通道發(fā)育過程的動態(tài)監(jiān)測，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將電極及線纜埋入綜采工作面兩側(cè)的巷道，監(jiān)測主機置于2條巷道開口處，采用光端機將監(jiān)測主機通過網(wǎng)絡(luò)連接至井上控制服務(wù)器，在井上服務(wù)器通過采集操控軟件對井下監(jiān)測分站進(jìn)行控制并采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸至井上服務(wù)器后由數(shù)據(jù)處理軟件自動實現(xiàn)反演成像，采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫與處理軟件自動交互，傳輸與處理過程不需要人工干預(yù)，從而實現(xiàn)井下系統(tǒng)的無人化數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)初步分析。系統(tǒng)最大發(fā)射電壓為105 V，最大發(fā)射電流為60 mA，發(fā)射頻率為1～128 Hz，最小信號分辨率為5 μV，記錄的工作參數(shù)為發(fā)射電流和接收電壓信號。數(shù)據(jù)處理軟件可實現(xiàn)開發(fā)數(shù)據(jù)庫自動交互的數(shù)據(jù)實時處理，采用小波分析等技術(shù)對接收的電壓信號進(jìn)行預(yù)處理，并采用擬高斯-牛頓法進(jìn)行三維反演及成像。

圖1 工作面電阻率監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Working face resistivity monitoring system architecture

1.2 鉆孔布置工藝

煤礦注漿改造工程一般為將煤層頂?shù)装迥骋粠r層通過注漿手段改造為穩(wěn)定的隔水層，在工作面巷道內(nèi)布置的電阻率監(jiān)測收發(fā)裝置縱向距離注漿位置達(dá)30～50 m，橫向距離注漿位置最大達(dá)150 m，距離較遠(yuǎn)將導(dǎo)致精度降低，且在巷道中監(jiān)測時易受巷道中各種設(shè)備和生產(chǎn)活動產(chǎn)生的電磁干擾，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)分辨率無法滿足精細(xì)監(jiān)測的需求。

因此設(shè)計將電阻率監(jiān)測系統(tǒng)布置于鉆孔中，形成孔間電阻率監(jiān)測系統(tǒng)，避開巷道中各種干擾源，且電極具備穩(wěn)定不變的接地條件，從而獲取更高分辨率的原始數(shù)據(jù)?？组g電阻率監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測主機與巷道監(jiān)測系統(tǒng)一致，監(jiān)測測線布置不同：首先通過水力送線工藝[21]，在長定向鉆孔中送入電極和線纜，使電極等間距均勻平鋪在定向鉆孔中，然后在孔口將線纜接入監(jiān)測主機，最后對定向鉆孔進(jìn)行注漿封孔，使每個電極與鉆孔圍巖接觸較好。孔中線纜電極布置如圖2所示，監(jiān)測平面范圍為2個孔之間扇形區(qū)域，監(jiān)測的垂向范圍與孔距有關(guān)，為30～60 m。

圖2 孔中線纜電極布置Fig. 2 Cable electrode layout in the hole

1.3 數(shù)據(jù)處理與解釋方法

數(shù)據(jù)的正演通過數(shù)學(xué)模型計算得到其理論監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的反演成像從監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取漿液擴散范圍。正演采用有限體積法的離散偏微分方程，利用預(yù)條件雙共軛梯度穩(wěn)定算法對方程進(jìn)行求解[22-23]。

式中：D為三維散度；S(σ)為包含電導(dǎo)率σ的對角矩陣；G為梯度算子；u為電位向量；A(σ)為正演算子；q為包含了正負(fù)電流源位置的源向量。

采用擬高斯-牛頓法對采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演擬合，并用預(yù)條件共軛梯度法計算更新模型。則目標(biāo)函數(shù)為

式中：Φ(m)為目標(biāo)函數(shù)，m為反演迭代的模型，模型參數(shù)取lnσ；d(m)為確定模型正演計算所得的數(shù)據(jù)；dobs為觀測的電壓除以發(fā)射電流所得的數(shù)據(jù)；β為正則化參數(shù)；W為模型正則化矩陣；mref為參考模型。

2 注漿過程的數(shù)值模擬

漿液通過鉆孔注入地層后，將降低地層的電阻率，并充填地層的原始裂隙。為研究孔間電阻率監(jiān)測系統(tǒng)對注漿過程中地層電阻率變化規(guī)律的分辨能力，分析電阻率變化范圍與漿液擴散范圍之間的關(guān)系，同時給予實際工程理論支持和測線布置指導(dǎo)，開展注漿過程的數(shù)值模擬。

注漿工程電阻率監(jiān)測模型如圖3所示，孔1和孔2為監(jiān)測施工孔，夾角30°，孔長480 m，為避免套管影響，距孔口80 m處開始布設(shè)電極，電極間距為20 m，共布設(shè)42個電極?？?為注漿孔，假設(shè)漿液在破裂點處向四周均勻擴散，形成一個球狀異常體。

圖3 注漿工程電阻率監(jiān)測模型Fig. 3 Resistivity monitoring model of grouting engineering

以孔口為坐標(biāo)原點，以鉆孔所在的平面為x-y平面，以孔1方向為x方向，建立坐標(biāo)系。球狀異常體中心位置為（250，80，0） m，漿液電阻率為20 Ω·m，地層電阻率為100 Ω·m。隨著漿液注入，球狀異常體模型半徑從0逐漸增大至30 m，分別選取半徑為10，20，30 m的模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成像， 漿液擴散范圍的孔間電阻率監(jiān)測反演成像如圖4所示，圖中紅色虛線的圓圈為漿液擴散范圍?？煽闯鰸{液擴散的位置存在低阻異常區(qū)（藍(lán)色區(qū)域），在x方向上漿液擴散范圍與模型參數(shù)基本吻合，在y方向上與模型參數(shù)有偏差。隨著漿液逐漸擴散，低阻異常區(qū)范圍逐漸變大，低阻異常強度逐漸增強。通過對注漿過程的數(shù)值模擬，表明采用孔間電阻率監(jiān)測技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確地圈定漿液擴散范圍。

圖4 漿液擴散范圍的孔間電阻率監(jiān)測反演成像Fig. 4 Inter hole resistivity monitoring for slurry diffusion range inversion imaging

3 工作面監(jiān)測試驗

3.1 礦井地質(zhì)概況

某煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中東部，目前主要綜放開采石炭–二疊系太原組均厚為 18.93 m 的 6 號煤層，間接充水水源為煤層底板富水性中等、強的奧陶系巖溶裂隙含水層地下水（底板隔水層厚為30～80 m，6 號煤帶水壓為0.7～1.5 MPa）。井田范圍內(nèi)落差大于 5 m 的斷層和其他構(gòu)造較為發(fā)育，導(dǎo)致奧陶系灰?guī)r水可能通過構(gòu)造涌入礦井，形成底板突水的水害問題[22]。

3.2 定向鉆孔結(jié)果

煤層底板定向鉆孔實施位置位于煤礦61304工作面輔助運輸巷6號調(diào)車硐室，計劃施工3個主孔，其中1號孔和4號孔為單獨主孔，3號孔為1個主孔，其2個分支孔分別為3-1號和3-2號孔，鉆孔水平鉆進(jìn)層位為煤層底板下35 m中砂巖，布置如圖5所示。

圖5 定向鉆孔及孔間電阻率監(jiān)測布置Fig. 5 Directional holes and inter hole resistivity monitoring layout

通過定向鉆孔結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Y6異常區(qū)大部分區(qū)域內(nèi)巖性、層位、水量正常，基本排除了Y6異常區(qū)內(nèi)存在大型“陷落柱”的情況。為進(jìn)一步消除區(qū)域內(nèi)可能存在小型斷裂帶，對上述鉆孔進(jìn)行注漿封孔，并開展注漿效果檢測，監(jiān)測漿液擴散范圍。

3.3 孔間電阻率監(jiān)測布置

根據(jù)定向鉆孔方案，在1號孔和4號孔中布置孔間電阻率監(jiān)測系統(tǒng)，采用定向鉆機將線纜推送至孔內(nèi)，然后進(jìn)行注漿封孔。注漿完成后，通過測試每個電極的發(fā)射電流判斷電極接地情況。

本次采用的電極間距為20 m，布置見圖5中的黑色圓點，2個鉆孔共布置34個電極。收發(fā)裝置采用偶極-偶極，1號孔和4號孔交替收發(fā)，共監(jiān)測12 d，平均每天采集有效數(shù)據(jù)5組，相比巷道監(jiān)測系統(tǒng)，孔中監(jiān)測收發(fā)電極不受巷道中各種因素干擾，發(fā)射電流穩(wěn)定，發(fā)射電流均大于45 mA，接收電壓均大于500 μV，監(jiān)測1號孔和4號孔間巖層電阻率動態(tài)變化過程。

3.4 監(jiān)測結(jié)果分析

采用三維電阻率反演對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理成像，煤層底板下30 m注漿層位的電阻率反演成像結(jié)果如圖6所示。

圖6 底板下30 m層位電阻率監(jiān)測反演成像Fig. 6 Inverse imaging of resistivity monitoring at 30 m horizon under the floor

由圖6（a）可看出，在未進(jìn)行注漿時，電阻率穩(wěn)定在120～150 ?·m之間，未發(fā)現(xiàn)明顯藍(lán)綠色的低阻異常區(qū)，與鉆孔結(jié)果一致；當(dāng)向1號孔注漿116 t后，漿液水灰比為3∶1，注漿壓力為6 MPa，在1號孔底旁側(cè)巖層電阻率下降為50～90 ?·m，命名為J1低阻異常區(qū)；向3-1號孔注漿20 t后，漿液水灰比為3∶1，注漿壓力為6 MPa，在3-1號孔四周發(fā)現(xiàn)巖層電阻率下降為80～110 ?·m，命名為J2低阻異常區(qū)。

根據(jù)孔間電阻率監(jiān)測成果，推測J1和J2低阻異常區(qū)分別為1號和3-1號孔的漿液擴散區(qū)：1號孔漿液擴散x方向80～130 m、y方向300～330 m，3-1號孔漿液擴散x方向150～230 m、y方向200～270 m，均超過理論模擬的擴散半徑10 m[23]，說明定向鉆孔附近存在裂隙。根據(jù)低阻異常區(qū)推測3-1號孔附近裂隙較1號孔附近裂隙平面范圍較大。

3.5 驗證結(jié)果

為驗證孔間電阻率監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測漿液擴散范圍的準(zhǔn)確性，分別在運輸巷和切眼進(jìn)行打鉆驗證。在運輸巷對J1低阻異常區(qū)進(jìn)行打鉆取心，發(fā)現(xiàn)異常區(qū)存在漿液水泥塊，異常區(qū)外巖性正常。在J2低阻異常區(qū)內(nèi)進(jìn)行打鉆取心，經(jīng)施工穿層孔取心發(fā)現(xiàn)J2低阻異常區(qū)內(nèi)存在水泥塊，3-1號孔注漿漿液集中在J2低阻異常區(qū)附近。經(jīng)驗證，孔間電阻率監(jiān)測發(fā)現(xiàn)低阻區(qū)與注漿漿液擴散范圍基本一致。

4 結(jié)論

1） 注漿漿液擴散過程數(shù)值模擬結(jié)果表明：孔間電阻率監(jiān)測三維反演成像能識別漿液異常的擴散范圍；根據(jù)電阻率隨時間的變化趨勢可推測漿液擴散范圍，隨著漿液逐漸擴散，異常區(qū)范圍逐漸變大，異常強度逐漸增強。

2） 通過煤層底板長定向鉆孔孔間電阻率監(jiān)測試驗表明：采用孔間電阻率監(jiān)測系統(tǒng)對注漿區(qū)域內(nèi)的巖層進(jìn)行電阻率動態(tài)監(jiān)測，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的電阻率三維反演成像推測了注漿漿液擴散范圍，經(jīng)打鉆驗證了推測的準(zhǔn)確性。

3） 本次監(jiān)測試驗的2條測線均位于煤層底板下35 m層位，采集的數(shù)據(jù)嚴(yán)格意義上仍為二維數(shù)據(jù)體，導(dǎo)致垂向分辨率較低，需增加采集數(shù)據(jù)維度和數(shù)量或結(jié)合其他手段，可進(jìn)一步提高解釋的精度。