声波检测技术在裂隙岩体注浆加固工程质量检测中的应用

刘世奇，许延春，费 宇，谢小锋，王 人

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601)

0 引 言

底板注浆加固及含水层改造技术通过充填岩体裂隙、裂缝和溶洞，能有效改善裂隙岩体阻隔水性能，降低底板岩体的富水性和导水性，同时增强岩体力学强度，减少突水事故的发生次数和突水量，被广泛应用于中国大水矿区防治底板承压含水层突水。岩体注浆加固是一个受多因素影响的复杂过程，国内外学者对此做了大量研究工作，文献[1-3]总结了近年来回采工作面底板注浆加固防治水关键技术及采动底板破坏深度的直流电法观测方法；文献[4]建立了注浆加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力学模型，描述了注浆加固降低孔隙裂隙岩体类型、开采提升岩体类型的力学机理；文献[5]分析了注浆材料的作用机理；文献[6]通过数值模拟及试验研究了节理裂隙岩体注浆过程；文献[7]研究了某矿巷道注浆参数的优化及应用；文献[8-9]进行了岩体注浆模拟试验研究；文献[10-12]分析了承压水上开采底板注浆加固效果的影响因素及综合检验技术；文献[13-14]探索了一发双收声波测井技术在煤矿采空区注浆加固工程及水利工程中的应用。可以看到，注浆加固效果是岩体、注浆材料和注浆工艺等多种因素综合作用的结果，其检测评价方法主要有物探法(包括直流电法、瞬变电磁法、无线电波透视法、声波测试法)、钻探法、RPT法、PST综合法[15]等，其中利用声波检测技术评价岩体注浆加固效果是一种有效而实用的手段。它测量的是原岩体在注浆前后不同状态下其内部声波速度的变化规律，据此推测原岩体相关的物理力学性能，并可根据相关经验公式可以计算出纵波横波衰减系数、等价弹性模量及岩石单轴抗压强度等力学参数。由于是在现场大范围内进行的测量，其结果更接近于工程实际情况，更加准确可靠。既可以为室内试验及数值模拟研究提供数据基础，又可以为现场注浆参数的选择及注浆方案的优化提供科学依据。以往研究注浆加固及开采对工作面底板岩体富水性和渗透性变化的影响规律，主要通过电法和电磁法现场探测其变化程度。文中针对非金属超声波检测仪在矿业工程应用中测试精度低、探头易损坏等实际问题，研发了一种“斜孔一发双收”探头保护装置，并应用于焦煤集团赵固二矿工作面底板注浆加固工程质量检测。应用超声波检测技术现场全面探测了“原岩(包括断层带)-注浆-开采”全过程中底板不同岩性岩体力学性质变化规律，以岩体动弹性模量数值及其变化率为基准，定量分析了注浆加固及开采过程对底板岩体动弹模的“增强-损伤”度，评价注浆加固效果。该装置不仅能极大程度保护探头、节约成本，而且能保证观测数据的有效性和可靠性。研究成果可为现场实践利用“一发双收”声波测井技术分析裂隙岩体注浆加固效果提供借鉴，丰富了注浆加固效果检测手段。

1 声波检测技术

1.1 声波检测仪器及原理

非金属超声波检测仪常用于检测桩基工程中桩身完整性、混凝土强度、裂缝深度、结构内部缺陷等。由于钻孔深度一般不大于30 m，且钻孔垂直、孔壁光滑，探头可依靠自重下放至观测点，检测效果理想。近年来，随着应用功能的扩展，逐渐应用于矿业工程中地层岩体裂隙及注浆加固效果检测。由于井下观测条件恶劣，钻孔倾斜、角度多变、孔内往往充填碎石岩屑，易发生塌孔、堵孔事故，且钻孔倾斜长度一般在100 m以上，仅依靠探头和信号线自重难以下放至观测点，并不能达到理想的检测效果。此时探头将承受较大抗力，易发生弯折、挤压变形，导致测试精度差甚至损坏探头。针对以上实际问题，文中研发了一种探头保护装置，该装置不仅能极大程度保护探头、节约成本，而且能保证观测数据的精度和可靠性。

如图1所示，ZBL-U520型非金属超声波检测仪“单孔一发双收”探头包括一个发射换能器T和2个接收换能器R1，R2，其中T至R1的距离L称为源距，R1，R2之间的距离ΔL称为间距。各换能器之间通过塑料软管连接，起结构支撑作用，探头尾部是不可拆卸的电缆线，线长根据测试需求不等。其工作原理是，当探头置于钻孔中心，发射换能器T辐射声波，满足入射角等于第一临界角的声线，在岩体中声波折射角等于90°，即声波沿孔壁滑行，然后折射回孔中，由接收换能器R1，R2分别接收，通过接收声波在地层岩体中的传播时间差来计算岩体内部声波速度。于是有

Δt=t2-t1，VP=ΔL/Δt

岩体内部纵、横波速与岩体动弹性力学参数及介质性质存在如下关系[16-18]

式中t1，t2分别为声波由T传播至R1，R2的时间，s；Vp为纵波波速,m/s；Vs为横波波速，m/s；ρ为介质密度，g/cm3；Ed为动弹性模量,Pa；μd为动泊松比；Gd为动剪切模量,Pa.

图1 超声波测井仪Fig.1 Ultrasonic logging instrument

从图1可见，t1，t2都包括声波在钻孔浆液及岩体中的传播时间，通过t2-t1后浆液中的声时便完全消除，只保留了声波由R1传播至R2的声时，最大限度地消除了系统误差。然而部分声线还会由发射换能器T直接在浆液中传播至接收换能器R1，好在岩体中波速远高于浆液中波速，因此只要源距L足够大，则声波由T通过岩体传播至R1的时间t1远小于声波在浆液中传播时间t0，这样，“单孔一发双收”测试才可实现。文中所选取ZBL-U520型“单孔一发双收”探头源距L为265 mm，间距ΔL为165 mm，满足测试要求。由声学理论可知，此方法所测波速只反映R1，R2之间的岩体沿孔壁一个波长范围内的波速。对于上述换能器的要求是：径向轴向均无指向性、发射功率大、有足够的接收灵敏度。

1.2 探头保护装置

保护装置的目的一是保护探头不受挤压破坏，另一个作用，通过硅胶绝缘卡垫和卡箍可以保证探头固定在钻孔中央位置，不接触孔壁。如图2所示，探头保护装置包括3部分：①主体结构；②收发换能器保护罩；③螺纹活接头。

图2 探头保护装置示意图Fig.2 Sketch of the probe protection device

探头保护装置主体结构是一个焊接件，如图3所示，起刚性作用保护探头最前部。两侧为2条φ10×650 mm，级别HRB400的钢筋；顶端为保护壳，可防止探头顶部直接接触岩石碎屑，有效缓解外力挤压，材料为中板，热轧钢板；尾部为连接螺纹活接头的普通钢构件。

图3 保护装置主体结构示意图Fig.3 Main structure of the probe protection device

保护罩是一个卡箍件，如图4所示，厚度5 mm，材料为普通钢。两卡箍件之间用螺栓和螺母连接，安装时卡箍件内部垫有可压缩绝缘硅胶垫片，最大限度减少构件对超声波的干扰，防止岩石碎屑作用在收发换能器上以及探头在保护装置里转动。

图4 保护罩示意图Fig.4 Sketch of shelter

螺纹活接头作用是连接主体结构和矿用钻杆，如图5所示，材料为普通钢。由于钻杆型号不同，直径大小不一，根据现场实测需要，将螺纹孔加工成不同的尺寸，如φ63.5，φ73等。

图5 螺纹活接头示意图Fig.5 Sketch of joint

2 观测步骤及数据处理

探头增加保护装置后整体最大直径达到75 cm，要求钻孔直径较大，一般在90 cm以上。取地面某桩基垂直钻孔，分别在有、无保护装置情况下检测其对波速测量结果的影响。具体步骤如下：①检查仪器主机、收发换能器能否正常工作；②将探头及电缆线下放至钻孔观测点；③将钻孔中灌满清水，探头位于钻孔中心，不接触孔壁；④将电缆线的3个接头(发射T，接收R1，R2)分别与主机的“发射”、“通道1”、“通道2”接口对应连接；⑤探头沿钻孔中心线每下放1 m进行一次采样，主机记录换能器位置及对应的声波信息。结果如图6所示。

从图6可以看出，有、无保护装置所测波速曲线走势非常一致，说明保护装置并没有对声波速度产生严重干扰；分析得到波速平均误差仅为2.16%，最大误差5.74%，考虑到仪器系统误差，认为2.16%的误差在可接受范围之类，对观测结果的定性及定量分析的影响可忽略，因此认为该探头保护装置满足应用要求。

图6 有、无保护装置情况下波速对比Fig.6 Testing results of wave velocity with and without the probe protection instrument

3 工程实例

3.1 工程概况

焦煤集团赵固二矿主采山西组二1煤层，埋深-680 m，单一近水平煤层，平均倾角5.5°，平均煤厚6.16 m.采用分层开采和走向长壁一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。煤层直接顶以砂质泥岩、泥岩为主，厚度3.69～13.98 m，老顶为细～粗粒砂岩，厚度2.32～6.94 m；底板多为砂质泥岩和粉砂岩，局部为细粒砂岩，偶见炭质泥岩，厚度12.49～38.18 m.工作面主要充水水源为底板L8灰岩含水层，平均厚度8.22 m，局部岩溶发育，富水性强，水压高达7 MPa，而隔水层主要为砂质泥岩和泥岩，平均厚度只有32.5 m，未注浆加固时突水系数达到0.21 MPa/m.在如此复杂的水文地质条件下，采用一次采全高开采，支承压力在底板中的应力集中程度会更高，无疑会增大底板突水机率。为了防治工作面突水，设计底板注浆加固深度为70 m，则突水系数降至0.1 MPa/m，符合安全开采条件。

3.2 观测方案设计

参考钻孔窥视器观测的已有成果，如图7所示，可以发现：不同钻孔由于其方位角、倾角等因素不同，岩体结构弱面、节理裂隙、含水量等情况也不尽相同，导致观测数据在数值、变化趋势上均存在较大差异，使观测结果不具有对比性，无法有效地评价注浆加固效果。因此，综合分析认为对同一钻场同一钻孔在注浆前后进行对比观测效果更好。

图7 底板钻孔窥视结果Fig.7 Results of floor borehole peeping

采用ZBL-U520型非金属超声波检测仪，利用“一发双收”声波测井技术现场全面探测“原岩(包括断层带)-注浆-开采”全过程中底板不同岩性岩体力学性质的“增强-损伤”程度，评价注浆加固效果，共获得了2组5孔/次同地点同钻孔观测结果。

表1，分2种情况：①无断层：在开采前未注浆、开采前已注浆、注浆后受开采影响3种条件下分别对同一钻孔进行观测，即表1中编号1，2，3；②有断层：在注浆前、注浆后2种条件下分别对同一钻孔进行观测，即表1中编号4，5.

表1 观测钻孔设计Tab.1 Parameters of observation holes

3.3 观测结果分析

3.3.1 观测结果

如图8所示，不同深度处，由于岩性改变，岩体动弹模整体变化范围较大。无断层时，注浆前岩体动弹模为0.9～8.9 GPa，平均值4.6 GPa；注浆后动弹模明显增大，达到6.9～19.3 GPa，平均值11.9 GPa，平均提升了159%；受开采影响，动弹模有所降低，为4.6～15.7 GPa，平均值9.5 GPa，平均降低了20%，可见降低幅度不大，但仍大于注浆前初始值，表明注浆加固岩体在开采损伤后仍具有一定的加固作用。

有断层时，注浆前岩体动弹模为0.7～7.1 GPa，平均值3.9 GPa；注浆后动弹模增大至4.9～15.8 GPa，平均值10.3 GPa，平均提升了164%.说明注浆后岩体动弹模整体增大，且有断层时增大幅度略大于无断层，这是由于断层带岩体整体破碎，裂隙发育，使得观测背景值(即注浆前)较低所致；但加固后断层带岩体动弹模仍然略低于正常段，说明断层带在加固后仍然是较低强度区，是突水危险区域。

图8 观测结果Fig.8 Measurement results

3.3.2 岩体动弹模注浆增强度及开采损伤度

为了定量描述底板岩体“注浆增强”及“开采损伤”特征，提出岩体动弹模“注浆增强度”及“开采损伤度”的参量。同一岩性岩体动弹模数值相近、变化趋势基本一致，可以求得注浆加固区域岩体动弹模“注浆增强度”及“开采损伤度”，如下

岩体动弹模“注浆增强度”

EZ=(E2-E1)/E1×100%

岩体动弹模“开采损伤度”

ES=(E2-E3)/E2×100%

式中E1，E2，E3分别为注浆前、注浆后、受开采影响的岩体动弹模，GPa.

无断层时，根据岩体动弹模数值波动及变化趋势，结合钻孔柱状图、测斜参数等资料，以相邻2次观测数值相差比例大于15%为基准，将观测范围分为5个区段，见表2.

表2 无断层时，岩体动弹模“增强-损伤”度Tab.2 Floor rock mass enhanced-damage degreeof the move mode without faults

可以看到，注浆加固后，73～79 m区段的泥岩动弹模增强度最大，达到400%；其次是砂岩，为160%～165%；灰岩最小，为109%～120%.受开采影响，各区段岩体动弹模损伤度差异不大，为17%～30%.

有断层时，将观测范围分为7个区段，见表3.

表3 有断层时，岩体动弹模“增强-损伤”度Tab.2 Floor rock mass enhanced-damagedegree of the move mode with faults

从表3可以看到，注浆加固后56～64 m区段的泥岩动弹模增强度最大，达到392%；其次是砂岩为173%～194%；灰岩最小，为103%～144%.断层带由于岩体破碎、裂隙发育，所以原始动弹模比正常段低，但注浆后可达到正常值。

4 结 论

1)针对非金属超声波检测仪在采矿工程领域的应用，研发了一种“斜孔-发双收”探头保护装置，并应用于赵固二矿工作面底板注浆加固效果检测。该装置不仅能极大程度保护探头、节约成本，且能保证观测数据的有效性和可靠性；

2)注浆加固后，岩体动弹模整体增大。无断层时，岩体动弹模平均提升了159%，其中泥岩动弹模增强度最大，达到400%；其次是砂岩，为160%～165%；灰岩最小，为109%～120%.有断层时，岩体动弹模平均提升了164%，其中泥岩动弹模增强度最大，达到392%；其次是砂岩，为173%～194%；灰岩最小，为103%～144%；

3)受开采影响，各区段岩体动弹模损伤度差异不大，在17%～30%，注浆加固岩体开采损伤后仍然有一定的加固作用；断层带岩体破碎、裂隙发育，原始动弹模较低，加固后仍然是较低强度区，是突水危险区域。

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