超声波检测在副斜井井壁质量探查中的应用

郑天斌

(陕西中能煤田有限公司，陕西 榆林 719000)

随着我国煤矿开采深度的增加以及西部地区煤炭矿产资源的开发，越来越多的立井、斜井穿过深厚冲积层、双深厚地层、含水松软基岩。冻结法凿井技术逐步发展成为我国凿井的首选施工方法[1-5]。

袁大滩煤矿东距榆林市约 20km，行政区划隶属榆林市榆阳区，周边与西红墩井田、可可盖井田、小纪汗煤矿、红石峡井田等相邻。设计生产能力为5.0Mt/a，服务年限83.6a，采用斜井开拓方式。袁大滩煤矿副斜井要穿越以厚风积沙层为主的、富水性强的第四系松散层，井筒建设条件复杂，难度较大[6]。副斜井倾角较小(5°～6°)，须长距离穿越松散层，上部采用冻结法完成施工。我国冻结技术较为成熟，相对立井结构设计参考案例较少[7]。斜井冻结技术在国内尚无成熟的理论和技术规范，因此深入研究探查服役斜井冻结段井筒质量意义重大。

1 裂缝检测与分析

1.1 裂缝位置选择与测量

1.1.1 井壁裂缝(纹)检测方法

1)裂缝宽度检测采用混凝土裂缝尺测试，裂缝深度采用超声波测试，本项目裂缝检测采用NM-4超声波检测仪，深度测量范围为≤500mm，测试误差≤5%或实际深度的2%～10%。

2)根据裂缝统计数据以及现场井筒裂缝发育程度(见表1)，选取斜长 425m、590m、931m 三个位置进行裂缝检查，测点位置编号如图1所示。根据位置，依次编为第1、第2……第n跨；每个裂缝测试两次深度，测试线第1裂缝起最上侧为1-1，自上向下依次为 1-1、1-2。

表1 井壁裂缝发展情况统计

图1 测区布置示意图

1.1.2 裂缝表观与宽度

1)425m测点4裂缝表观与宽度检查。如图1所示，425m测点4裂缝位于直墙位置，产状沿着斜井直墙近水平走向，呈中间宽、两端细分布，经过监测期间连续观测未见裂缝发育。裂缝表面存在洇水现象，无析出物及析出物化学成分等情况。混凝土表面层出现蜂窝麻面情况，但仍然能够起到保护层作用。表面层厚度为20mm。裂缝尺测得该裂缝最宽处位于中部，宽度为0.55mm，中间细处宽度范围为0.15～0.25mm。

2)590m测点8裂缝表观与宽度检查。590m测点8裂缝位于直墙位置，产状沿着斜井直墙近水平走向，呈中间宽、两端细分布，经过检测期间连续观测未见裂缝发育。裂缝表面无渗水、析出物及析出物化学成分等情况。混凝土表面层完好，较光滑，基本无蜂窝麻面情况，表面层厚度为20mm。根据裂缝尺测量，该裂缝最宽处位于中上部，宽度为0.55mm。两端细处宽度范围为0.15～0.25mm。

3)931m测点1裂缝表观与宽度检查。931m测点1裂缝位于拱顶位置，产状近垂直走向，两端等宽，中上部较细分布，经过连续观测未见裂缝发育。裂缝表面存在洇水现象，有析出物及析出物化学成分等情况。混凝土表面层出现蜂窝麻面情况，但仍然能够起到保护层作用。根据裂缝尺测量，该裂缝宽度范围为0.25mm。

1.2 裂缝计算分析

裂缝肉眼清晰可见，为了检测裂纹的深度，我们每条裂缝选择了1个测点，在每个测点处用超声波平测法对裂纹的深度进行检测，以了解其破坏程度。采用平测法进行检测，分别在裂缝的检测部位以不同的测距同时按跨裂缝和不跨裂缝布置测点进行声时测量。

425m测点4裂缝深度检测。不跨缝声时测量：将T和R换能器布置与裂缝同一侧，以两个换能器内边缘间距(li)等于100mm、200mm、300mm、400mm分别读取声时(ti)绘制t-l曲线，拟合得到直线方程l=t+a，不跨裂缝的测试结果经线性拟合后如图2所示。经计算得拟合常数a=8.129，相关系数 0.9999。

图2 不跨缝平测拟合曲线

将v带入跨缝平测公式可得该处测点缝深数据，见表2。

表2 425m处测点缝深

据此求得缝深为114.13mm，除去保护层厚度20mm，则超声实测混凝土的裂缝深度为94.13mm。同样可得其余两测点裂缝深度，并将另外两条裂缝深度汇总见表3。

表3 裂缝深度

综上所述，利用超声波平测法获得裂缝深度分别为 94.13mm、 171.46mm、50.11mm。裂缝深度较浅，推测为非贯穿性结构损坏裂缝，目前暂未对井壁结构稳定构成大的威胁，但应当长期监测，必要时须及时采取处理措施。

2 探查方法选择

目前，不同探查方法，所测数值反应结果不同：①回弹法可以反映混凝土的表面强度；②超声波法可以在不破坏混凝土的情况下检测混凝土内部的实际强度。

超声波在混凝土中的传播速度随着混凝土强度的提高而增大，混凝土强度愈高，超声波在混凝土中的传播速度愈快。因此，可以通过测定超声波在混凝土中的传播速度来检测混凝土的强度[8]。本次检测为利用超声波平测法和回弹法测量井壁混凝土的抗压强度，以推定混凝土强度，并作为探查、评定混凝土质量问题的一个主要依据[9，10]。

超声回弹综合法是指采用超声仪和回弹仪，在构件混凝土同一测区分别测量声音和回弹值，然后利用已建立起的测强公式推算测区混凝土抗压强度的一种方法。与单一回弹法或超声法相比，超声回弹综合法具有受混凝土龄期和含水率影响小、测试精度高、适用范围广、能够较全面地反映结构混凝土的实际质量等优点[11]。

3 超声波综合测强检测

3.1 强度截面位置选择与测点布置

副斜井冻结段斜长范围为253～941m，对副斜井冻结段容易出现较大安全隐患的重点区段出水情况进行了统计，见表4。

鉴于以上井筒井壁代表段出水情况统计，根据井壁设计与施工情况，选取6个位置截面，其位置见表5。

3.2 测区设计

在副斜井冻结段中，考虑到现场条件与检测位置等因素，检测工具选取回弹仪、超声波检测仪。选择超声回弹综合检测区200mm×200mm正方形区域：①每个测区布置9个回弹测点(如图3所示)，相邻两侧点间距不小于50mm，同一截面内，两测区距离不小于100mm；②超声波测区在回弹检测测区内，上下跨点布置，每个测区布置3个测点，相邻两侧点间距不小于100mm。

表4 斜井井壁出水情况统计

表5 井壁混凝土强度检测位置

图3 测区点范围及布置示意图(mm)

3.3 混凝土强度计算方法

计算测区平均回弹值时，从该测区测试面的9个回弹值中，剔除1个最大值和1个最小值，然后将余下的7个回弹值取平均值。对于非水平状态测得的回弹值，进行修正。

根据井壁各测区的混凝土回弹代表值和声速代表值，按《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02：2005)中的相关要求，进行超声波回弹检测。

根据构件各测区的混凝土回弹代表值和声速代表值，按陕西省地方标准《混凝土超声回弹综合法测强曲线标准》(DB61/T 1084—2017)的要求推算各测区混凝土抗压强度换算值。本次测试对象袁大滩煤矿副斜井位于榆林市辖区，按陕北地区曲线行驶计算，粗集料类型为碎石，即式(1)。

4 混凝土结构强度推测与分析

4.1 检测推定混凝土强度分布

将回弹法与超声波法数据处理结果代入到公式中，即可得到超声波回弹综合法推定混凝土结构强度结果见表6。其中60个测区中，强度最大值为斜长250m位置的拱顶，为53.59MPa；最小值为斜长587m位置的底板边侧，为18.36MPa。

表6 副斜井井壁检测推定混凝土结构强度值汇总表 MPa

需要说明的是，由于测区5、6、7位于井筒底板铺底混凝土层上，其检测推定值不是下部结构层混凝土强度，而是直接接触的铺底层混凝土强度现时值。

根据副斜井的设计资料，副斜井冻结段井壁混凝土设计等级为C45。根据超声综合探测的技术规程，强度检测推定值对标的是相同强度等级的混凝土立方体抗压强度标注值(fcu，k)，C45混凝土的立方体抗压强度为45MPa。将表6数据与基准强度(45MPa)相减(负值表示强度不足)得到推定强度与基准强度差值，如图4所示。

图4 各测区检测推定强度与基准强度差值

4.2 混凝土强度推定的分析

根据超声回弹综合检测技术的理论，超声波波速主要表征混凝土内部构造的密实程度，为混凝土结构的弹性性质，声速越高强度越大，反之亦然。回弹法主要表征混凝土表面3cm厚度的强度值，为混凝土结构的塑性性质。二者结合通过测强曲线公式即可得出测区的混凝土现时强度。

根据超声回弹综合检测获得的副斜井井壁混凝土强度推定强度汇总(表6)，分析可得：与基准值比较，沿井筒走向上看，斜长250m、534m、587m处不合格测区分布较其他三个位置集中。各测区检测推定强度与基准强度差值分布(图4)显示：①375～931m的混凝土井壁强度(测区1、2、3、8、9、10)目前可以保证C45等级设计要求；②底板所有检测区(测区5、6、7)现时强度未达到C45的标准，大多处于C30～C35的水平；③斜长250m处2号点的混凝土井壁现时强度达不到设计标准，原因在于回弹值远低于45MPa，混凝土结构表面塑性区大，但是内部密实程度较高。故在今后工作中需要重点对斜长250m处井壁完整性进行重点观测。

5 结 论

1)直墙、拱部与底板混凝土强度检测数据表明，井壁及底板混凝土现时强度较设计值(或初期值)有所下降。井筒投入使用后，井壁受力变形对混凝土产生影响，尤其在距斜井井口斜长250m、534m、587m处不合格测区，在今后的使用过程中要加强检测。

2)铺底混凝土现时强度较设计值有较大下降，其原因可能有两个方面，一是冻结段井筒解冻过程中，结构下沉可能对底板结构层受力变形产生不利影响，二是运营期间车辆载荷的直接作用对铺底混凝土产生负载损害。

3)根据推定的混凝土抗压强度，斜井井筒安全状态评估尚为安全，但冻结段井壁结构的综合性能已经较建设初期和设计要求有所下降，不利于长期安全运行。为提供斜井井筒整体运行安全，建议在斜井冻结段加套一层内层井壁，进行加固处理。