葉里扎提·吾林巴斯,付剛飛,劉 峰
(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830049;2.中交通力建設(shè)股份有限公司,陜西 西安 710075;3.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊,河北 燕郊 065201)
隨著中國工程建設(shè)的高速發(fā)展,工業(yè)與民用建筑、公路、鐵路等領(lǐng)域的眾多項(xiàng)目在建設(shè)過程中不可避免地遇見煤礦采空區(qū)問題。一般情況下,多采用注漿手段對下覆采空區(qū)及變形影響區(qū)進(jìn)行加固治理[1-2]。目前,檢測、評價經(jīng)過注漿加固的場地是否滿足工程建設(shè)的需要,可采用的手段較多,有鉆孔檢查法、聲波測試法、鉆孔抽(壓)水檢查法、電測深法、高密度電法、電磁波CT法、地質(zhì)雷達(dá)法、旋轉(zhuǎn)觸探法等,每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)[3-6]。一般常采用的方法多為瞬變電磁法或地面高密度電法,但在工程實(shí)際應(yīng)用中這2種方法僅從治理加固前后電磁場特征的變化對采空區(qū)整體注漿效果進(jìn)行評價,不能有效解析加固后場地內(nèi)物探異常點(diǎn)的特征。因此,單一地采用瞬變電磁法或高密度電法存在一定的局限性[7-10]。
本文結(jié)合工程實(shí)例,在烏魯木齊繞城高速公路(東線)煤礦采空區(qū)治理工程注漿效果檢測中,采用瞬變電磁法與地面高密電法配合對注漿區(qū)進(jìn)行檢測,比較采空區(qū)注漿前后瞬變電磁場特征的變化,對物探異常點(diǎn)輔以鉆探和孔內(nèi)波速測試,綜合分析評價整體注漿效果。該方法為點(diǎn)面結(jié)合的綜合物探方式,依據(jù)鉆探過程中孔內(nèi)循環(huán)液的漏失情況及鉆進(jìn)過程中掉鉆、卡鉆等現(xiàn)象,判斷采空區(qū)空洞高度且是否存在孔隙;檢測孔取芯完成后,在孔內(nèi)進(jìn)行波速測試,以采空區(qū)受注層剪切波速作為其工程質(zhì)量評價指標(biāo)。
烏魯木齊繞城高速公路K19+630~K19+960段位于米東區(qū)鐵廠溝,地屬低山丘陵區(qū),總體地勢南高北低,海撥高程為778~893m,現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在四帶西南至東北向煤田采空塌陷區(qū),局部已回填,但仍可見較多塌陷坑。
礦區(qū)(含井田及周邊地區(qū))出露的地層主要有侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、侏羅系下統(tǒng)西山窯組(J2x)、第四系(Q3、Q4)。根據(jù)探井、鉆孔揭露,擬建場地地層主要由雜填土、黃土狀粉土、卵石土、全風(fēng)化基巖、強(qiáng)風(fēng)化基巖、煤、微-中風(fēng)化基巖構(gòu)成。
本次瞬變電磁法檢測采用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP32Ⅱ多功能電法工作站的TEM測量系統(tǒng),包括 NTk-30發(fā)射機(jī)、GDP32Ⅱ接收機(jī)、TEM-3高精度磁探頭、直流電池組和發(fā)射回線等。通過試驗(yàn)確定的最佳野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)為:儀器采用GDP32Ⅱ(sn:85)型電法工作站TEM測試系統(tǒng);裝置為大定源回線裝置;發(fā)射框電阻為5Ω;發(fā)射導(dǎo)線截面積為6mm2;供電電流為9.7A;外接最大供電電壓為48V;接收天線磁矩為10 000m2。
本次高密度電法檢測采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測試系統(tǒng),其主要性能指標(biāo)為:電壓測試范圍±6V;電壓測量精度±1%;電流測量范圍0.5A;電流測量精度±1%;輸入阻抗不小于50MΩ;50HZ工頻壓制不小于80dB。
圖1 注漿效果檢測點(diǎn)平面布置
瞬變電磁法檢測測線布置在注漿區(qū)域內(nèi)外,平行于路線方向均勻布線(圖1)。沿高速公路兩側(cè)布置TEM11與TEM21兩條測線:TEM11位于K19+630左側(cè)70m至K19+960左側(cè)60m處,TEM21位于K19+630右側(cè)60m至K19+960右側(cè)60m處。瞬變電磁測點(diǎn)距10(20)m,共計297點(diǎn)。
高密度電法檢測孔位布置原則:注漿前背景值的試驗(yàn)點(diǎn)布置在注漿區(qū)域外且平行于擬建道路方向;注漿后,背景值的試驗(yàn)點(diǎn)大部分平行于路線方向均勻布線,局部垂直路線布線。共計9條1 033測點(diǎn)。
(1)瞬變電磁法TEM00測線為典型測線,位于K19+630右側(cè)20mg至K19+960右側(cè)80m處,走向與該處煤層走向大角度相交,整體視電阻率相對較低,淺部視電阻率相對較高。該測線地表蓋層主要為第四系沖洪積粉土、卵石土,厚度為30~40m,下伏基巖主要為砂巖、泥巖,下伏基巖上部主要為強(qiáng)風(fēng)化層,下部主要為中-微風(fēng)化層,電阻率值相對較高,整體視電阻率大于100Ω·m,較未注漿區(qū)域有所提高,結(jié)合鉆探資料推測,該測線位置注漿效果整體較好。測線里程K19+870~K19+910段表現(xiàn)為低阻異常特征,電阻率為10~40Ω·m的電性異常區(qū)域,地調(diào)資料表明該異常區(qū)域位于煤層位置及附近,推測該處為未采的煤層(安全煤柱區(qū),該處測點(diǎn)距離為20m,導(dǎo)致低阻異常體范圍有所擴(kuò)大);測線里程K19+770附近出現(xiàn)的相對低阻區(qū),推測為煤夾層導(dǎo)致的低阻相對異常,電阻率為10~40Ω·m的電性異常區(qū)域;測線里程K19+660附近出現(xiàn)的相對低阻區(qū),電阻率為10~40Ω·m的電性異常區(qū)域,推測為富水區(qū)(鉆探揭露有水泥漿液充填,位于強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi),裂隙相對較發(fā)育)。等值線圖與物探斷面見圖2、3。
圖2 TEM00測線瞬變電磁法反演視電阻率對數(shù)等值線
(2)高密度電法GMD03測線為典型測線,位于K19+630左側(cè)210m至K19+960左側(cè)390m處,電阻率整體表現(xiàn)為淺部低、深部高的特征。結(jié)合地調(diào)資料推測,本測線地表覆蓋層主要為第四系黃土狀粉土、卵石土,粉土電阻率相對較低,卵石土電阻率相對較高,該層分布連續(xù),厚度較大且分布不均勻,厚度為10~70m。下伏基巖主要為砂巖、泥巖、煤;基巖起伏較大,巖體較破碎;裂隙發(fā)育,電阻率值相對較高,測線里程110~449m為注漿區(qū)域。整體電阻率較未注漿區(qū)域有所提高,結(jié)合鉆探資料推測該測線位置注漿效果較好,整體視電阻率大于100Ω·m,其中測線里程320m段地表低阻為黃土狀粉土表現(xiàn)(粉土電阻率較低),下部高阻為卵石土的表現(xiàn),較未注漿區(qū)域電阻率有所提高;以測線里程365m段為中心區(qū)域出現(xiàn)低阻異常,結(jié)合地調(diào)資料推測為采空塌陷區(qū),因注漿后含水量較大所致,經(jīng)鉆孔揭露此區(qū)域內(nèi)有少量漿液充填,推測為注漿效果一般區(qū)域;以測線里程225m段為中心深部出現(xiàn)低阻異常,即電阻率為10~40Ω·m的電性異常區(qū)域,結(jié)合地調(diào)資料推測為局部含煤所致。具體等值線及物探斷面見圖4、5。
圖3 TEM00測線物探解釋斷面
圖4 GMD03測線高密度電法電阻率等值線
瞬變電磁場法檢測結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。
(1)采空區(qū)呈現(xiàn)的圓或橢圓低阻異常體在注漿后電阻率明顯提高,整體在80Ω·m以上,表明充填效果明顯。
圖5 GMD03測線物探解釋斷面
(2)煤層(煤柱)呈現(xiàn)半橢圓低阻異常體在注漿后電阻率有所提高,但不明顯,說明加固處理的充填效果不明顯。
(3)整體視電阻率相對較低,淺部視電阻率相對較高。第四系厚度為20~60m。局部煤層采空區(qū)域或巖層區(qū)域出現(xiàn)近圓狀低阻異常,根據(jù)地質(zhì)資料可知,推測注漿效果一般或?yàn)楹膸r石裂隙發(fā)育區(qū)。
本注漿工程煤層加固處理后電阻率明顯升高,說明注漿充填效果好。
本次高密度電法檢測結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。
(1)淺部采空區(qū)呈現(xiàn)從地表向深部延伸的半圓或半橢圓異常體;深部采空區(qū)呈現(xiàn)從最底部向上延伸的中低阻半圓或半橢圓異常體,注漿后電阻率明顯提高,整體在80~100Ω·m,表明充填效果明顯。
(2)煤層(煤柱)呈現(xiàn)半橢圓低阻異常體,電阻率為10~40Ω·m的電性異常區(qū)域,注漿后電阻率有提高,但不明顯,說明加固處理的充填效果不明顯。
(3)斷層(破碎帶)呈現(xiàn)階梯式低阻異常體,在注漿區(qū)內(nèi)電阻率有提高,但不明顯,說明加固處理的效果不明顯。第四系呈現(xiàn)淺部電阻率低深部電阻率高的特征,第四系厚度為10~55m。
(4)局部煤層采空區(qū)域出現(xiàn)團(tuán)塊狀低阻異常,根據(jù)地質(zhì)資料推測該處的注漿效果一般(也可能由于注漿時水下滲形成低阻異常)。
本注漿工程煤層加固處理后電阻率明顯升高,表明注漿充填效果明顯。
采空區(qū)在瞬變電磁場法電阻率斷面圖上的形態(tài)與高密度法電阻率斷面圖上的形態(tài)相似,注漿后裂隙和采空破碎巖體固結(jié),形成一個整體,電阻率變化穩(wěn)定,低阻區(qū)電阻率升高,電阻率等值線由扭曲趨于穩(wěn)定平直,與注漿前相比,注漿后電阻率等值線“塊”特征明顯,說明注漿后巖體的穩(wěn)定性、完整性和導(dǎo)電性均有一定程度提高[11-14]。
在12個檢測鉆孔中,第三層煤3個孔,占25%;第二層煤3個孔,占25%;第一層煤2個孔,占17%;無煤孔4個,占33%。其中,3個淺層鉆孔和2個深層鉆孔未見到水泥漿充填物,其他7個鉆孔內(nèi)裂隙中有水泥漿充填物,占總數(shù)的58%,深度在68.0~282.0m。
鉆探揭露數(shù)據(jù)表明:檢測孔均打到并穿過了目的層(煤層采空區(qū)或煤柱上方地基加固區(qū)域),裂隙中的水泥漿充填物呈灰白-淺白色,固結(jié)狀態(tài),沿裂隙面分布,厚度多為0.1~0.3cm。從外觀上觀察水泥粉煤灰漿硬化體,發(fā)現(xiàn)漿液在凝結(jié)時出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,下部水泥含量和致密程度高于上部,說明漿液在充填采空區(qū)或空洞區(qū)時因地下水的作用出現(xiàn)離析現(xiàn)象[15-16]。
本次檢測均采用泥漿循環(huán)護(hù)壁鉆進(jìn),根據(jù)成孔情況對鉆孔取芯過程中的進(jìn)尺快慢情況、沖洗液漏失情況、取芯率、結(jié)石充填裂隙、掉鉆落鉆等進(jìn)行觀察描述。在鉆孔成孔過程中,進(jìn)尺快慢情況與地層巖性吻合,沖洗液消耗正常,巖芯采取率在75%~95%之間,人工填土和基巖裂隙中可見水泥漿液充填痕跡,進(jìn)尺慢,鉆進(jìn)平穩(wěn),無掉落鉆現(xiàn)象,加固效果良好。
在593m范圍內(nèi)單孔法波速測試鉆孔15個(采樣間隔1.0m),其中背景值測試孔3個,注漿后檢測孔12個。在15個孔中,選取4個典型鉆孔,特征如下:Zk1孔卵石層單孔法平均橫波波速為444m·s-1;Zk2孔卵石層單孔法平均橫波波速為454m·s-1;Zk8孔卵石層單孔法平均橫波波速為472m·s-1;Zk15孔粉土層單孔法平均橫波波速為190m·s-1,卵石層單孔法平均橫波波速為420m·s-1。
鉆孔超聲波檢測2 016m范圍內(nèi)鉆孔15個(采樣間隔0.5m),其中背景值測試孔3個,注漿后檢測孔12個。在15個孔中,選取3個典型鉆孔。Zk1孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 462m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 423m·s-1;強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲縱波速為2 290m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 324m·s-1。Zk8孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 546m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 472m·s-1;強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲縱波速為2 287m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 322m·s-1;中風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 884 m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 667m·s-1。Zk15孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 502 m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 446m·s-1;強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲縱波速為2 254m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 303m·s-1;中風(fēng)化基巖平均超聲縱波速為2 898m·s-1,換算后平均超聲波橫波速為1 675m·s-1。
本次檢測主要針對卵石、煤層和基巖地層,但在檢測過程中測得粉土層的橫波波速平均值為205 m·s-1、卵石層的橫波波速平均值為367m·s-1,注漿后的橫波波速平均值為451m·s-1,橫波波速增長了84m·s-1,提高比率為22.9%。
通過背景值與注漿后檢測值的對比分析可知,注漿后強(qiáng)風(fēng)化基巖層縱波波速增長了339m·s-1,橫波波速增長了196m·s-1,增長率達(dá)15.8%;煤層縱波波速增長了230m·s-1,橫波波速增長了133m·s-1(增長率為11.2%),中風(fēng)化基巖層縱波波速增長了385m·s-1,橫波波速增長了223m·s-1(增長率為15.3%)。巖土體的橫波波速均大于250 m·s-1,表明注漿后巖土體橫波波速有所提高,密實(shí)度得到改善,注漿加固效果良好。
(1)通過鉆探進(jìn)尺速度、沖洗液消耗、巖芯采取率、水泥漿液充填情況可直接評價注漿效果;結(jié)合孔內(nèi)波速測試,通過注漿后巖土的波速特征,可判斷注漿工程的質(zhì)量。
(2)電阻率斷面圖上的形態(tài)、電阻率變化位置與數(shù)值等特征可表征注漿前后巖體的穩(wěn)定性、完整性和導(dǎo)電性的均一程度,從而間接評價注漿工程質(zhì)量。
(3)新疆急傾斜煤礦采空區(qū)注漿工程質(zhì)量檢測采用點(diǎn)面結(jié)合原則,即地面高密度電法、瞬變電磁法與注漿前后鉆孔內(nèi)的聲波檢測法相結(jié)合,既避開了常用的以點(diǎn)代面方法的不足,同時也提高了檢測工作的質(zhì)量。因此本文的方案在業(yè)內(nèi)具有廣泛的推廣價值。