破碎围岩注浆加固效果评价技术研究进展

2020-04-22王晓蕾姬治岗

科学技术与工程 2020年7期

关键词：物探力学采空区

王晓蕾，姬治岗

(吕梁学院矿业工程系，煤矿机械装备维护与检测试验吕梁市重点实验室, 吕梁 033000)

中国是一个煤炭大国，同时也是一个消费大国，煤炭在中国能源结构中占有重要地位，对于中国经济具有重要的促进作用[1-3]。至“十三五”末，中国煤炭总消耗量为42亿吨，占能源结构的62%，未来一段时间内中国能源还是以煤炭为主。

随着煤炭资源的大量回采，浅埋深煤层趋于殆尽，煤炭企业不得不向深部开采，随着深度的增加，地应力的增大[4]，越来越多的巷道出现软岩特性，同时，受到相邻工作面采动影响，巷道煤岩体进一步被破坏，严重威胁煤矿安全生产[5-7]。

注浆是保证控制煤岩体继续破坏的有效手段，注浆材料形成的固结体将原来松散的煤岩体固结形成一个整体[8-9]，同时，注浆属于隐蔽工程，注浆效果的评价严重制约注浆工程的发展，若能准确判断注浆效果对于煤矿安全生产具有重要意义[10-11]。

现基于深部煤岩体注浆加固效果评价，总结注浆效果评价技术的现状，分析注浆效果评价存在的不足，针对存在的不足，提出未来深部煤岩体注浆加固效果评价的发展趋势。

1 注浆效果评价方法

对深部破碎煤岩体注浆工程进行效果评价是保证煤矿安全生产的前提，是控制深部煤岩体继续破坏的基础。对于深部破碎煤岩体注浆效果的评价方法目前有四大类，如图1所示。

图1 注浆加固效果评价方法分类Fig.1 Classification of evaluation methods for grouting reinforcement effect

2 分析评价法

2.1 P-Q-t曲线法

P-Q-t曲线法是用三参数记录仪(图2)对注浆过程中的注浆量、注浆压力、注浆时间进行跟踪记录，通过处理系统将以上三参数进行处理，输出注浆压力P与时间t、注浆量Q与时间t关系曲线。最终根据工程地质特征、注浆参数、注浆材料特性等综合分析注浆效果。该法简单，易操作，适用于简单工程。

图2 三参数记录仪Fig.2 Three parameter recorder

薛翊国等[12]采用P-Q-t曲线法对青岛胶州湾海底隧道涌水断层注浆效果进行了评价，该方法表明注浆效果较好，起到了阻水的目的；王晓蕾等[13]采用该方法对深部巷道破碎围岩注浆加固效果进行了研究，得出了双曲线，综合地质条件以及工程特点对注浆效果进行了评价；章定文等[14]采用该方法对铁路岩溶路基注浆工程注浆效果进行了评价，采用分序注浆对曲线变化特征进行了分析；王乾等[15]采用P-Q-t曲线法对青岛胶州湾隧道围岩加固注浆效果进行了分析，结合其他方法综合评价了注浆效果；周小生等[16]采用该方法对富水强风化花岗岩隧道注浆加固效果进行了评价，证实了该方法的可行性；俞文生等[17]采用注浆参数法对富水断层隧道突水注浆加固工程进行了评价，该体系对注浆加固工程具有一定的借鉴作用；方健[18]采用参数法对告诉铁路隧道注浆效果进行了分析，该评价结果能够较好的反应注浆工程；王天彪等[19]采用模拟技术对卵石注浆加固进行了研究，并用参数法对注浆效果进行了评价；杨昌贤等[20]采用P-Q-t曲线法对隧道富水砂泥岩地层注浆加固效果进行了分析；岳志华[21]采用参数法对富水软弱破碎区注浆加固效果进行了研究，取得了良好的效果。

2.2 浆液填充率法

浆液填充率法是通过记录注浆过程中注浆总量，反算钻孔的浆液填充率，其计算公式为

(1)

式(1)中：D为注浆地层浆液填充率，%；Q为注浆工程的注浆总量，m3；β为注浆过程中浆液损失率，%；V为注浆工程需要加固的地层体积，m3；n为注浆工程地层孔隙度。

郭颖[22]采用浆液填充率法对岩溶地基注浆效果进行了分析，为注浆效果检测提供了保证；王慧洁等[23]采用浆液填充率法对盾构壁注浆效果进行了研究，分析了注浆效果；李传富等[24]采用浆液填充率法对隧道工程防水注浆机理和施工技术进行了研究，对于注浆工程指导具有重要意义；郭建文等[25]采用浆液填充率法对隧道注浆效果进行了研究，各项指标满足设计要求；屈浩[26]采用浆液填充率法对透明裂隙介质注浆进行了研究，为注浆工程提供了技术支持。

3 钻孔检查法

3.1 钻孔电视法

钻孔电视法是通过钻孔电视设备对钻孔裂隙发育情况进行分析，通过对比注浆前后裂隙充填情况分析注浆加固效果，钻孔电视设备如图3所示。通过钻孔电视得出的钻孔内部裂隙充填情况如图4所示。

图3 钻孔电视Fig.3 Boreholes television

图4 数字式探测结果Fig.4 Detecting results of digital

帅建兵[27]采用钻孔电视对地铁车站注浆效果进行了分析，具有很好的直观性；李光勇[28]采用钻孔电视对建筑物下伏采空区注浆效果进行了分析；张文彬[29]采用钻孔电视对小煤柱注浆加固效果进行了研究；张连震等[30]采用钻孔电视技术对软弱地层注浆加固效果进行了定量化分析；贺文等[31]采用钻孔电视技术对采空区充填治理进行了分析，为建筑物评价提供了参数；王琦等[32]采用钻孔电视技术对三软煤层巷道加固进行了系统性研究；甘志超等[33]采用钻孔电视技术对老窑采空区充填治理进行了研究；曲相屹等[34]采用钻孔电视技术对采空区注浆加固效果进行了研究，为相似工程提供了借鉴；李树志等[35]采用钻孔电视技术对采空区注浆效果进行了分析，准确了解了注浆裂隙充填；王连国等[36]采用钻孔电视技术对软弱巷道底鼓工程进行了治理，对相似工程具有指导意义；刘治国[37]采用钻孔电视对采空区注浆治理效果进行了分析，为施工人员提供了参考；张农等[38]采用钻孔电视法对千米深井注浆工程进行了效果评价；崔锋[39]采用钻孔探测技术对采空区治理进行了研究，为综合检测技术推广提供了支持。

3.2 钻孔取芯率法

钻孔取芯率法是通过注浆后对被注地层进行取芯，通过计算完整岩芯占所有岩芯的比例来评价注浆效果，岩芯图片如图5所示，其计算公式为

(2)

式(2)中：q为完整岩芯取芯率，%；Lw为完整岩芯长度，m；Lz为钻孔取芯的总长度，m。

图5 钻孔岩芯Fig.5 Borehole core

袁进科等[40]采用钻孔取芯率法对地铁隧道富水砂层注浆效果进行了分析，通过检验证实了注浆达到了预期效果；王保庆[41]采用钻孔取芯率法对成桩注浆效果进行了评价，为桩柱注浆效果检测提供了技术支持；魏忠诚[42]采用钻孔取芯率法对立井穿越采空区施工技术注浆效果进行了评价，为井筒施工提供了技术支持，对于同类矿井建设具有重要的指导意义；先泽祥[43]采用钻孔取芯率法对穿越煤矿采空区注浆加固效果进行了综合评价，填补了采空区加固注浆施工的空白，具有独特的应用价值；郭守泉[44]采用钻孔取芯率法对双河煤矿深井高应力破碎巷道进行了注浆效果评价，该技术对于煤矿巷道治理具有一定的治理借鉴作用。

3.3 渗透系数法

渗透系数法是通过分段注水试验测试钻孔不同阶段的渗透性，通过地层的渗透性来判断注浆效果[45]。分段注水系统如图6所示。

图6 分段注水系统Fig.6 Staged waterflood system

其计算公式为

(3)

式(3)中：k为钻孔地层渗透系数，m/d；A为地层试验注水漏失量，m3；l为钻孔测试阶段的长度，m；s为钻孔中水头的高度，m；r为测试钻孔的半径，m。

杨鑫[46]采用渗透系数法对承压水上开采底板注浆效果进行了评价，详细叙述了该方法的实施步骤，为相似工程进行注浆效果评价提供了技术借鉴；刘凯[47]采用渗透系数法对破碎带地层注浆加固工程效果进行了评价，依据工程施工需求，提出了改变地层内部结构的施工工艺，对于提供注浆效果具有重要意义；姬程飞等[48]采用渗透系数法对隧道工程富水破碎带注浆加固效果进行了研究，详细叙述了渗透系数法施工过程中注意的问题，为破碎带注浆加固效果评价提供了基础保证，为相似工程注浆效果评价提供了借鉴；王全华[49]采用钻孔渗透系数法对富水含砂软土地层注浆效果进行了研究，为相关经验工程提供了工程参考。

4 开挖取样法

4.1 力学参数对比法

力学参数对比法是通过对施工地层注浆前后进行钻孔取芯，通过实验室测试对比分析注浆前后力学参数变化特征，综合判断注浆地层的注浆效果情况。主要对比的力学参数有抗压强度、抗折强度、含水率、抗拉强度、泊松比等力学参数。

肖红渠等[50]采用力学参数法对海底隧道施工注浆效果进行了评价，通过力学参数发现，注浆后地层的力学参数得到有效提高，改善了围岩的透水能力及力学强度，保证了施工；付文才等[51]采用锚网喷注技术对支护进行了研究，通过力学参数发现，该技术能够有效改变围岩力学参数，提高煤岩体力学强度，对于相似工程具有重要的借鉴作用；邓志勇[52]采用注浆工程对大面积岩体滑坡进行了注浆加固治理，通过力学参数发现，注浆后其自身不仅增假了抗剪强度，同时提高了预应力；马开玉等[53]采用锚网喷柱对深水平破碎岩层进行了加固处理，通过力学参数发现，该技术提高围岩力学参数，提高围岩强度；李文洲[54]采用注浆加固技术对煤矿马头门进行了处理，失稳破坏得到了有效处理，力学参数表明，注浆后围岩结构整体完整，锚索受力稳定，注浆效果明显；张兴才等[55]采用注浆对千米深井巷道围岩进行加固处理，结果显示注浆能够适应高应力软岩巷道压力变化特征；刘世江[56]采用注浆技术对弱胶结顶板破碎巷道进行了加固处理，力学参数表明其具有提高围岩力学强度的作用；刘鹏飞等[57]采用帷幕注浆加固法对高含水率黄土隧道进行了加固处理，结果表明，支护得到改善，含水率降低；孙淼等[58]采用注浆技术对护巷柱进行加固，参数表明，围岩力学强度得到有效提高；孙敬涛等[59]采用注浆技术对破碎岩体含水层巷道进行处理，结果表明巷道变形得到有效控制，强度大大提高；王春等[60]采用力学参数法对回采巷道断层锚固支护进行了分析，其围岩整体强度提高。

4.2 加固效果观察法

加固效果观察法是通过加固后通过打检测孔观察检测孔涌水、涌沙以及是否产生塌孔现象综合评价注浆效果，为直观评价法。图7所示为加固效果观察图[61]。

图7 加固效果Fig.7 Reinforcement effect

刘再斌等[62]采用注浆加固效果观察法对陷落柱治理注浆工程效果进行了分析，详细叙述了该方法的流程以及评价指标，为类似工程效果评价提供了借鉴；张金祥[63]对路基岩溶注浆工程效果进行了分析，采用注浆加固效果观察法对其进行了研究，无涌水、涌沙、涌泥现象, 检查孔放置一段时间后无塌孔现象；万浩然等[64]采用加固效果观察法对富水岩溶地铁站基坑注浆加固效果进行了分析，通过加固效果观察发现基底岩溶被注浆有效加固；杨成忠等[65]采用加固效果观察法对隧道进口段注浆效果进行了分析，发现其围岩收敛最终趋于稳定。

5 物探法

物探法主要是通过仪器对注浆前后地层进行探测，通过裂缝特征、电阻率、声波变化等特征判断注浆效果。主要的仪器有地质雷达、电法仪、超声波检测仪。图8所示为地质雷达检测图，图9所示为电阻率变化情况，图10所示为超声波检测图。

图8 地质雷达检测图Fig.8 Geological radar detection map

图9 电阻率变化Fig.9 Resistivity change

图10 超声波检测Fig.10 Ultrasonic inspection

李荣[66]采用物探法对注浆堵水工程进行了研究，注浆后异常区明显减少；李建力等[67]采用物探技术对陷落柱进行了加固效果处理，通过物探分析发现，注浆后异常区减少；高振宇[68]采用物探法对复杂水文地质条件下注浆治理工程进行了分析，通过物探发现注浆后异常区减少；韩贵雷[69]采用物探技术对城门山铜矿改性湖泥注浆加固工程进行了效果检测；王广强等[70]采用物探技术对辛安矿复杂构造下涌突水注浆加固工程进行了效果评价；蒋辉等[71]采用地震散射方法对注浆效果进行了评价，分析了该技术的优点，为类似工程效果评价提供了借鉴；胡熠等[72]采用物探技术对岩溶路基注浆加固工程进行了效果评价，注浆后电阻率、波速等均有所变化；刘军勇等[73]采用瞬变电磁法对公路采空区注浆加固效果进行了评价，该方法对于采空区治理效果评价具有重要作用；潘光明等[74]采用物探技术对隧道松软围岩注浆加固效果进行了研究，总结了定量化标准；李耀伟[75]采用物探技术对带压开采注浆加固技术效果进行了评价分析，圈定了异常区；彭永良等[76]采用物探技术对大型复杂采空区注浆效果进行了分析，为类似工程评价提供了借鉴。