南水北调工程禹州煤矿采空区技术研究

2015-11-26申黎平屈志刚

河南水利与南水北调 2015年1期

□申黎平 □屈志刚 □王伟

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 工程概述

南水北调中线一期工程总干渠在禹州市西南约7 km处通过禹州煤矿区，禹州煤矿采空区区涉及矿井有：新峰矿务局二矿采空区、禹州市梁北镇郭村煤矿采空区、梁北镇工贸公司煤矿采空区和梁北镇福利煤矿采空区。由于沿线煤矿地下挖采现象仍在继续，采空、塌陷区仍在继续扩大，不仅对渠道稳定会产生破坏作用，同时由于渠水下渗，会增大矿坑排水量，给煤矿开采造成不利影响或产生次生地质灾害。为了南水北调总干渠及附近煤矿的安全，针对禹州煤矿区的地质特点，对总干渠下采空区进行注浆处理。

禹州煤矿采空区注浆处理完成后，为检验采空区的处理效果，采用地质CT、钻孔超声波测试、孔壁成像等物探技术对采空区进行物探对比试验，研究采空区处理情况，探求适宜的验收手段。

2 采空区概况

禹州矿区煤田地层由老至新依次为：古生界寒武系上统崮山组、常山组，石炭系上统太原组，二迭系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组、平顶山组、土门组；新生界第三系和第四系。本渠段基岩除二迭系平顶山组在三峰山～柿园山～白沙山一带断续出露及上石盒子组顶部地层在三峰山北坡有零星出露外，其余均被第四系掩盖。采空区分布情况如下：一是原新峰矿务局二矿采空区沿总干渠长度747 m，所采六4、六2煤层厚度为0.90 m，煤层底板标高为-150～+31，地面标高为+116～+138，煤层埋深107～266m，该矿采空区为1965年以前开采。二是禹州市梁北镇郭村煤矿采空区，沿总干渠长度1055 m，所采六4、六2煤层厚度为0.75～1.13 m，煤层底板标高为-150～±0，地面标高为+126～+140，煤层埋深126～290 m，该矿采空区为90年代初期所形成。三是梁北镇工贸公司煤矿采空区，沿总干渠长度907 m，所采煤层厚度为0.69～1.04 m，煤层底板标高为-100～+20，地面标高为+126～+142，煤层埋深106～242 m，该矿采空区多为90年代所形成，但近年来仍有开采。四是北镇福利煤矿采空区，沿总干渠长度406m，所采煤层厚度为1 m左右，煤层底板标高为±0～+50，地面标高为+134～+140，煤层埋深90～134m，采空区时间为1999～2001年。

3 物探措施

3.1 弹性波CT检测

CT（Computeriyed Tomography）技术，又称层析成像技术，是医学计算机层析扫描技术在地球物理领域的应用和发展，是一项新兴技术。工程CT技术，是借鉴医学CT，通过人为设置的某种射线（弹性波、电磁波等）穿过工程探测对象（工程地质体），从而达到探测其内部异常（物理异常）的一种地球物理反演技术。由于所用射线不同，又可分为弹性波CT、电磁波CT及电阻率CT等。目前应用于工程探测的弹性波CT就是利用弹性波信息重建被检测体内部构造的成像技术。

图1 弹性波CT检测原理图

相同的岩性，波速高的区域岩体完整；波速低的区域岩体破碎。这就是利用弹性波CT检测岩体完整性的基本原理。如图1所示，A和B为两个钻孔，检测时，先在A孔中某一位置处激发弹性波，并在B孔中n个等间隔位置处接收，可测得n个弹性小组旅行时；然后，按一定规律移动激发点或接收点的位置，直到完成预先设计好的“观测系统”。若整个观测系统共激发m次，则可测得m×n个弹性波旅行时，据此信息，利用计算机作反演计算，即可得到被检岩体内部的波速图像。

利用弹性波CT检测岩体完整性的步骤是：一是用弹性波扫描被检测体，得到多个弹性波旅行时；二是利用计算机作反演计算，得到被检测体内部的波速图像；三是依据岩体的波速评价岩体的完整性。CT激发点距和接收点距均为1.00 m，即一点激发，12点接收的观测系统。实际CT扫描时，先在一孔中某一位置处激发弹性波，并在另一孔中12个等间隔位置接收，可测得12个弹性波旅行时；然后按一定规律移动激发点和接收点位置，直到完成预先设计好的观测系统。

激发设备采用大功率电火花震源，接收设备采用12道压电晶体型串式拾振器和工程地震仪。工作参数，采样点数1024，记录长度为125 ms。在采空区对比试验区，经充填注浆处理后，岩体弹性波速度有所提高。如试验区J3-3、J3-4钻孔注浆前后弹性波CT剖面。

经充填注浆处理后，岩体弹性波速度有所提高。注浆前岩体弹性波速度大部处于2200 m/s以上，注浆后岩体弹性波速度大部处于2600 m/s以上。孔底以上50m（三带区域），注浆后岩体普遍都＞2600 m/s以上，注浆后低速区减少较多，试验区CT波数分布见表1。

表1 注浆后检测剖面波数区间百分比分布表

从波数区间百分比分布汇总表分布表上看，波数值95%以上区域波数值大于2600 m/s。

3.2 钻孔超声波测试检测

钻孔超声波测试为单孔声波法，以人工激震的方法向介质发射声波，在一定的空间距离上接收被测介质的传播速度、振幅、频率等声波参数，通过数据处理与分析，研究岩土特性。物理使用一发双收声波探头进行测试。使用仪器为RS－ST01C非金属超声波测试仪。现场工作装置如图所示，在钻孔内进行，由下向上逐点测试，测试点距0.20 m。J3-4钻孔充填灌浆前、后声波测试对比曲线如图2。

J3-4钻孔充填灌浆前超声波测试，岩体速度在1639～4082 m/s之间，平均速度为2564 m/s。灌浆后超声波测试，岩体声波速度在1667～4545 m/s之间，平均速度为2885 m/s。该钻孔岩体超声波速度较低。高程65.20 m以上超声波速度低；高程65.20 m以下超声波速度有所提高。岩体超声波速度突变情形比较普遍，在测试曲线上基本不出现平直段。

高程65.20m以下岩体灌浆前超声波速度在1770～4082 m/s之间，平均2643m/s，灌浆后在2062～4545 m/s之间，平均3002 m/s；经充填灌浆处理后岩体超声波速度平均提高13.58%。

图2 工作装置示意图和J3-4声波测试对比曲线图

3.3 钻孔全孔壁光学成像检测

钻孔全孔壁光学成像系统采用了特殊的光学系统，能比较全面的观察孔壁四周图像。使用360°全景数字电视摄像，真实、全面记录钻孔孔壁情况，采用软件对图像进行采集处理，形成连续的全孔壁展开图像。图像的纵向连接是按深度顺序拼接的，图像清晰，实现钻孔全壁面的影像成图，真实、全面的保存钻孔孔壁影像资料。该物探技术可详细描述岩体裂隙注浆前后裂隙的发展及充填状况等孔内地质情况，了解检查孔的岩体变化情况。

使用智HX-JD-01型智能钻孔电视成像仪主要由控制系统、卷扬系统、数据采集处理系统组成。下井探头装配有成像设备和电子罗盘，摄像头通过360度广角镜头摄取孔壁四周图像，利用计算机控制图像采集和图像处理系统，同时控制电机提升、下放探头，自动采集图像。对钻孔孔壁每10mm摄取1帧图像，并进行展开、拼接处理，形成钻孔全孔壁柱状剖面连续图像实时显示，连续采集记录全孔壁图像。电子罗盘实时采集方位角，上传给计算机实时显示，孔壁图像从罗盘指示的正北方向展开，视频帧与帧之间无缝拼接，无百叶窗等现象。

从钻孔全孔壁光学成像检测结果看，充填注浆处理后钻孔孔壁裂隙长度缩短，条数减少，破碎程度减轻，充填物基本密实。描述见图3和实验区成像统计描述表2。

4 结语

一是从对采空区布置的监测仪器的监测成果显示，在总干渠安全保护煤柱范围内注浆施工区的地表变形和地基岩土体的变形基本是稳定的，未出现有过大的变形，亦验证注浆施工对消除采空区岩土体的残余变形是有效的。3种物探探测方法均能显示注浆后地下岩土体变化情况。二是弹性波CT检测，检测范围为两孔之间的岩土体情况，检测面积大，代表性强；钻孔超声波测试检测、全孔壁光学成像都只是针对一个孔进行的地质描述，并不代表大区域的地质情况。禹州采空区处理面积广，埋深大，为检测地下岩土体情况并不增加太多物探费用下，钻孔超声波测试检测、全孔壁光学成像这两项物探方法不宜作为采空区处理验收参考手段。三是结合物探及注浆技术，禹州采空区注浆验收最后采用弹性波CT和注浆检查为主，综合评定注浆效果。