钻、物探技术在采空区注浆效果检测中的应用*

曲相屹 李学良

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿;2.中煤科工集团唐山研究院)

采空区结构复杂，其稳定性易受外来因素的影响，从而造成二次活化，对地表建筑物造成破坏，因此当建筑物荷载传递深度与导水裂隙带接触时必须对其采取必要的治理措施［1］，在众多的治理措施中，注浆加固方法以其施工简便、见效快、适用范围广而广泛为人们所接受［2-3］。

老采空区注浆效果的检验是评价老采空区注浆处理效果的主要手段，目前国内外尚无成熟的老采空区注浆检测技术［4-5］，因此寻求合理经济的注浆效果检测技术对老采空区加固处理工程具有重要的理论与现实意义。

1 工程概况

拟建热电厂厂区坐落于多层老采空区之上，工程地质条件较为复杂但不存在较大的地质构造。综合前期钻孔施工记录和钻孔电视实测资料分析，拟建热电厂地下老采空区上覆岩层受多煤层开采的影响，虽经多年压实，其稳定性仍然较差，岩层的破坏范围和裂隙发育范围超过原有预计，老采空区上方不稳定岩体在地表载荷及其他因素扰动作用下发生活化沉陷的可能性不能完全排除，有必要对部分重要建筑物下方的老采空区不稳定岩层进行注浆处理，以确保热电厂的安全运行。经研究决定，本次注浆将对冷却塔及主厂房下方老采空区及上覆岩层裂隙区进行充填加固，加强上覆岩层的承载能力和抗扰动能力。注浆施工从2006年11月开始，至2007年3月结束，共对厂区26个注浆孔进行注浆施工，累计注浆量达48 192 m3，平均单孔注浆量达1 854 m3。其中注浆量最大的注浆孔为2号注浆孔，单孔注入量为4 986 m3，注浆量最小的注浆孔为3号注浆孔，注浆量为18 m3。

为确保注浆治理效果的可靠性，从钻探和物探的角度对采空区注浆治理效果进行全面的检测和评价。

2 注浆效果检测内容及方法

采空区治理工程的质量监控主要包括2个方面的工作:一是施工过程中的监控，主要是监理工作;二是施工结束后的质量检测工作。采空区注浆治理的监理工作主要从钻孔、制浆、注浆3个环节进行控制，一般在施工过程中完成。目前用于工程质量检验的技术和方法主要有注浆前后物探资料对比分析、钻探取芯及室内试验确定充填体强度、钻孔电视查看孔内裂隙充填状况、地表变形观测等。采空区注浆施工结束后的质量检验主要包括注浆后采空区充填率分析、充填体强度检验、充填范围检验等内容［6-7］。常用的检测方法如表1所示。本次检测采用钻孔电视技术和EH－4物探技术相结合的方法对注浆效果进行综合评判。

表1 采空区注浆工程质量检验内容及方法

3 注浆效果钻孔检测技术

施工注浆效果检查孔，并进行钻探取芯是采空区治理工程质量检测工作中的重要技术和方法，并能为孔内裂隙实测和压水试验提供工作平台。根据钻探取芯采取率和岩芯的破碎程度判断浆液结石体与围岩的胶结程度。通过检测可以确定采空区经治理施工后地基稳定性是否满足设计的要求，是否达到注浆的预期目的。通过彩色钻孔电视观测，可以更进一步了解注浆后裂隙现状及裂隙充填情况。

3.1 检查孔的布置

根据规程，注浆效果检测的检查孔孔数为治理工程注浆孔数的2%～3%(最少不低于2孔)。本次治理工程共设计26个注浆孔，因此设计2个注浆效果检查孔。1号检查孔设置在冷却塔附近，2号设置在主厂房附近。

3.2 注浆后钻孔电视检测效果分析

(1)1号检查孔注浆效果探测分析。1号检查孔自190 m深度开始，钻进掉块严重，岩芯极度破碎，检查孔钻进到240 m深度，由于岩层极度破碎，施工单位无法继续钻进，因此提前进行钻孔电视探测。从钻进中上部掉块严重，受构造影响，岩芯揉动成碎块。钻孔电视观测结果如图1所示。结果表明1号检查孔在深度139 m以上能观测到岩层比较完整，没有发现明显的浆液充填痕迹，但是从180 m深度以下，钻孔孔斜较大，孔内水流较大，影响了观测效果，仅从深度184.5～186.0m和216.0～217.5m照片可以发现有浆液充填痕迹。

图1 1号钻孔电视观测结果

(2)2号检查孔注浆效果探测分析。2号检查孔钻进到设计深度310 m深度，利用钻孔电视观测可以看到自套管底部(孔深60 m)至孔深170 m深度，岩层裂隙很少，岩层完整性很好，在局部裂隙发育的位置能非常明显看到浆液充填结石的特征(如图2所示)。自孔深170m深度至孔底，注浆前岩层裂隙比较发育，岩层完整性较差。注浆后，检查孔孔壁裂隙被浆液充填的现象非常明显，在深度193.0～194.0 m、深度278.0～279.0 m等位置，均发现浆液结石体大量存在的痕迹，说明在该区域浆液扩散情况良好，地下采空区残余空隙得到了很好充填。

图2 2号钻孔电视观测结果

4 注浆效果物探检测技术

4.1 勘探线的布置

本次物探检测根据注浆钻孔的布置方向、位置和岩层倾向共设置了3条南北方向的检测勘探线。布置物探探测线时沿注浆钻孔布置，并结合建筑物实际情况适当调整了测点位置。

4.2 采空区探测资料解释依据

当对采空区进行注浆治理时，浆液将充填采空区中的裂隙、孔隙和空洞，从而提高岩体的整体性和均一性，显著改变采空区介质的物理性质。采空区介质的物理性质的改变导致采空区的电阻率发生变化，视电阻率剖面中的视电阻率值和视电阻率等值线形态也会发生相应的变化。具体变化见表2。

表2 不同介质因素下采空区注浆后视电阻率变化形式

4.3 注浆后物探检测效果分析

由于各测线观测时的噪声环境不同，同时，地下介质物性条件特别是其物性组合条件不一样，故同一岩性层在不同的剖面上其视电阻率值应相近，但不一定相同。

(1)注浆后测线I资料分析与解释。由注浆前后的视电阻率变化(图3)可以看出，对应采空区区域的视电阻率值在120～2 000Ωm之间;在测点12～测点13、测点15～测点18位置，注浆前出现的2处封闭的低阻异常已经消失;测点4～测点6位置处封闭的相对低阻异常的范围显著缩小，但低阻异常区仍然存在。说明测线I的测点4～测点6位置处注浆效果较差，没有达到采空区治理目的。在该位置处布置的注浆检查孔1的钻进过程和钻孔电视观测结果也证实了这一结论。对比注浆前后在深度200、250、300 m处各测点的视电阻率值可知，注浆后的视电阻率值比注浆前有所升高，有些测点升高得明显，有些测点则不明显。由图可以看出，在200 m深度位置，注浆后地层视电阻率变化差异较大，其中4号测点和19号测点位置视电阻率升高幅度小于30%。特别是4号测点附近，注浆后仍然存在一定的封闭低阻异常区。在300 m深度位置，注浆后地层视电阻率升高幅度小于30%的区域为测点4～测点6位置。根据上面的资料分析，按照资料的解释原则，说明经过注浆治理后采空区内介质的整体性与均一性在测线Ⅰ的大部分区段得到提高;但在测点4～测点6范围内还有封闭的相对低阻异常存在，且视电阻率值升高幅度较小，说明测点4～测点6区域注浆治理效果相对不如其他区段明显。

图3 测线Ⅰ注浆前后视电阻率对比

(2)注浆后测线II资料分析与解释。由注浆前后视电阻率变化(图4)可以看出:对应采空区区域的视电阻率值在170～1 100Ωm之间;在测线方向120～160 m(测点7～测点9)、230～250 m(测点13附近)、400～430m(测点21～测点23)等3处有较小的封闭的低阻异常，与注浆前的封闭低阻异常比较可以看出异常范围明显缩小。对比注浆前后在200 m、250 m、300 m深度各测点的视电阻率值可知，注浆后的视电阻率值比注浆前升高，有些测点升高得明显，有些测点则不明显。在200 m深度位置，注浆后视电阻率升高幅度小于30%的区域为测点7～测点8的区域和测点22～测点23的区域;在250 m深度位置，注浆后视电阻率升高幅度小于30%的测点区域为测点6～测点7的区域、测点20～测点21的区域;在300 m深度位置，注浆后视电阻率升高幅度小于30%的测点区域为测点4区域、测点9～测点11的区域和测点20的区域。根据上面的资料分析，按照物探资料解释原则，说明经过注浆治理后采空区内介质的整体性与均一性有所提高;但在测点4～6、测点20～23范围内，局部有封闭的相对低阻异常存在，且视电阻率值升高幅度小于30%，说明测点4～6和测点20～23区段注浆治理效果可能较差，建议在此区域布置注浆检查孔进行重新检查，进一步确认注浆效果。

图4 测线Ⅱ注浆前后视电阻率对比

(3)注浆后测线Ⅲ资料分析与解释。由注浆前后的视电阻率变化(图5)可以看出:对应采空区区域的视电阻率值为170～1 500Ωm，视电阻率值明显升高;注浆前在320～360 m(测点17～测点19)出现的封闭的低阻异常基本消失，0～20 m(测点1～测点2)、60～120 m(测点4～测点7)2处封闭的相对低阻异常范围缩小。对比注浆前后在200、250、300 m深度处各测点的视电阻率值可知，注浆后的视电阻率值比注浆前升高，有些测点升高得明显，有些测点则不明显。在200 m深度位置，注浆后视电阻率升高幅度小于30%的区域为测点9～测点11区域;在250 m深度位置，注浆后视电阻率升高幅度小于30%的区域为测点3～测点10的区域;在300 m深度位置，注浆后视电阻率升高幅度小于30%的区域为测点6～测点11的区域。根据以上分析，注浆治理后采空区区域岩体的整体性与均一性得到了一定提高;但在测点6～测点11范围内仍有封闭的相对低阻异常存在。

图5 测线Ⅲ注浆前后视电阻率对比

5 检测技术综合分析

(1)在测线Ⅰ的测点4～测点6、测线Ⅱ的测点6～测点8和测点20～测点23、测线Ⅲ的测点6～测点11等范围内，物探资料显示的注浆治理效果没有达到设计要求。其中测线Ⅱ上测点5附近采空区注浆后充填状况已经得到检查孔1的证实，没有达到注浆充填目的。其他位置的采空区注浆后充填效果需要布置新的检查孔予以确认。

(2)采空区经过注浆治理后，3条测线的视电阻率值都比注浆前有一定幅度的升高;注浆治理前地层视电阻率剖面上封闭的相对低阻异常，在注浆治理后的视电阻率剖面上基本消失或是范围明显减小，说明经过注浆治理后，采空区的岩体整体性和均一性得到提高，从而提高了地层的承载能力。大部分区域达到了注浆治理的预期目的。

6 结论

(1)采空区注浆治理工程属于隐蔽工程，由于其隐蔽性和复杂性，在注浆工程结束后很难直观了解注浆工程的效果，注浆工程的效果若没有达到设计要求将对地面设施的安全运行造成巨大的隐患，因此采空区注浆工程检测尤为重要。

(2)钻孔电视虽可以充分利用钻孔获得地下信息，但其工程量大、成本高，在岩性软弱和岩石破碎地段，岩芯获得率较低。物探检测技术成本低、速度快、效率高，但一般情况下只能对工程质量进行定性评价。在实际检测工程中采用钻探、物探两种方法相互组合、优化，再结合注浆过程中的质量控制情况共同对注浆效果进行综合评价可以很好地满足工程需要。

(3)通过对工程实例的分析可知，为了既经济又能达到检测目的，在老采空区注浆效果检测中宜采用“地面物探+少量钻探+钻孔电视”的综合检测模式。

［1］ 滕永海，张俊英.老采空区地基稳定性评价［J］.煤炭学报，1997，22(5):504-508.

［2］ 胡海峰，郝兵元，康立勋，等.高等级公路下煤矿采空区注浆处治效果分析［J］.西安科技大学学报，2008(2):270-273.

［3］ 李凤明.采动区地表减沉技术应用现状及发展趋势［J］.煤矿开采，2006(1):3-7.

［4］ 刘海涛，杨 娜，董 哲.综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用［J］.工程地球物理学报.2011(3):362-365.

［5］ 刘生贵.采空区注浆加固效果检测方法的现状研究［J］.工程勘察，2007(10):73-76.

［6］ 李学良，李树志，李凤明.采动地基注浆加固治理技术研究［J］.金属矿山，2011(11):33-36.

［7］ 崔玖江，崔晓青.隧道与地下工程注浆技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.