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基于高密度电法的井下定向注浆钻孔扩散区域检测技术

2025-03-08 67 上传者：管理员

摘要：为对地面定向钻孔注浆后浆液在井下扩散区域进行有效检测，基于高密度直流电法技术，设计在开挖巷道两侧帮距离底板1.5 m布设等间隔200 mm的浅钻孔测线，进行对称测量。通过实验室物理模拟、数值模拟和袁店二矿轨道大巷检测，结果表明：水泥浆液在凝固硬化浸泡后相对于周围围岩仍然呈现高阻状态，注浆浆液的挤压置换在有巷道空间存在的情况下，左右两帮在视电阻率等值线断面图中会有较明显的差异，巷道探测结果划定的注浆浆液扩散区域经验证吻合实际情况，说明在巷道两侧布置测量点综合对比分析浆液扩散区方法可行，证明了该方法可以在事后进行注浆浆液扩散区检测。

关键词：
数值模拟
注浆材料
浆液扩散检测
物理模拟
高密度电法
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在煤矿生产中,对通过破碎带､断层带等大型导含水地质构造时,常采用提前注浆改造围岩自稳性,以及止水隔水等措施保证巷道掘进安全[1-3]｡在注浆完成后需对注浆效果进行检测,以确保注浆后围岩条件得到有效改善,达到能够安全掘进的技术条件｡注浆效果的评价常采用钻探取芯和物探检测等,其中,钻探取芯在大范围注浆区域施工效率低､覆盖面较低,从而使该方法成为配合物探检测验证的手段｡物探法注浆效果检测主要有瞬变电磁法､音频电透视法､直流测深法､地质雷达法和并行电法等,对于注浆检测效果评价的最佳方案应该是采取注浆前后对比探测来进行分析[4-7]｡本文检测巷道面临的是地面定向钻孔注浆方法,没有未注浆的检测物探成果做前后对比,基于此,采用实验室物理模拟和注浆置换挤压机理的数值模拟情况,采用巷道两侧帮布设高密度电法测线,综合对比分析浆液的扩散区域,结果显示该方法是可行的,可靠度符合要求,为相近注浆条件的矿井提供了一种新的注浆效果检测方式及思路｡

1、矿井高密度电法

矿井高密度电法属全空间电法勘探,是一种一次性完成全部供电电极和接收电极布设的直流电阻率法,装置布设完成后,能够进行电测测深和电性剖面测量｡它以岩石的电性差异为基础,在巷道近似全空间条件下,使用全空间电场理论处理和解释有关矿井地质问题[8-9]｡

矿井高密度电法测量的方式有对称四极即温纳四级(AMNB)､单边三极(AMN､MNB)､偶极(ABMN)及微分(AMBN)｡在实际测量时,高密度电阻率勘探系统利用电极转化开关将4个相邻电极进行不同组合,从而在1个测点上获得多种不同排列方式电极的测量参数｡电极以固定点距沿井下巷道测线布置,通过多芯电缆经转换开关连接到仪器上｡通过转换开关改变装置类型完成该测点上所有装置形式的观测;1个测点观测完后,转换开关调到下一相邻测点对应的电极,以相同方式进行新点观测,直到某一电极间距的整条剖面观测完为止｡改变电极间距,重复以上观测,观测所有不同电极间距的剖面[10-11]｡

2、物理模拟实验

采用实验室室内物理模拟来演示注浆浆液凝固过程,以及凝固硬化后浸泡水中的视电阻率变化情况,模拟时需在实验室中以某种比例尺复制地质模型,实验室模型的电学参数一般也应按一定的比例改变,观测线圈也要微型化｡同时还要保证模拟实验和野外工作用同一种型号仪器｡

2.1模拟设计

模拟容器为长×宽×高=700mm×400mm×500mm的硬塑料胶桶,采用温纳装置形式,其中供电电极A､B间距200mm,测量电极M､N间距100mm,供电电极和测量电极均采用直径φ3mm的铜质钉固定在塑料容器上方,使用YD32(A)型本安防爆高密度电法仪进行直接测量｡

水泥浆液采用水泥和水质量比1.2∶1以及水泥和水质量比3∶2共2种的注浆材料,每24h观察测量1次视电阻率,在浆液完全凝固硬化后,多次加入清水重复测量｡

2.2模拟结果

采用水泥和水质量比1.2∶1的注浆材料进行观测,成果图如图1所示,在水泥浆液凝固过程及凝固后加水进行重复测量,每24h记录1次平均视电阻率｡

从图1可以看出,在注浆液初期,其视电阻率为0.1Ω·m,随着时间推移,注浆液视电阻率升高,最高达到5000Ω·m,最终凝固时间在140d左右,在凝固后,加入水后多次测量视电阻率值仍然在1000Ω·m左右｡

采用水泥和水质量比3∶2的注浆材料进行观测,在水泥浆液凝固过程及液凝固后加水进行重复测量,成果图如图2所示,每24h记录1次平均视电阻率｡

从图2可以看出,在注浆液初期的视电阻率为1Ω·m,随着时间推移,注浆液视电阻率升高,最高达到500Ω·m,最终凝固时间在70d左右,在凝固后,加入水后多次测量视电阻率值仍然在100Ω·m左右｡

图1水泥∶水=1.2∶1的注浆材料视电阻率变化特征

图2水泥∶水=3∶2的注浆材料视电阻率变化特征

通过上述2组注浆材料凝固期间视电阻率的变化特征来看,在注浆材料初期(均未加速凝剂)测得的视电阻率值均在1Ω·m左右,在凝固期间视电阻率快速增大,在凝固后视电阻值均大于500Ω·m,且在凝固后多次加水进行重复测量视电阻率值趋于稳定｡推测注浆材料在井下稳定后其实际特性应与灰岩接近,在测量过程中呈现视电阻率高阻反应｡

3、数值模拟

基于砂岩和泥岩在小片区域地层条件的一致性,以及注浆过程注浆材料与孔隙水及孔隙的置换机理,对挤压在小片区域的富水区进行了数值理论模拟｡

通过全空间直流电三维有限元正演软件,设置巷道高､宽均为5m,在巷道一侧设置边长为20m､电阻为10Ω·m的正方体地质异常体,围岩电阻100Ω·m,其中,巷道电阻设置为10000Ω·m,如图3所示,采用MNB三极测深装置,MN间距4m,等间隔4m跑极进行测量,探测结果如图4所示｡

图3低阻异常理论模型

图4(a)为间隔巷道探测结果,在探测深度20~39m,沿探测走向30~50m,有一较明显低阻区域,与设置的异常体范围近似一致,在探测深度的0~20m等值线均匀变小;图4(b)为靠近巷道探测结果,在探测深度15~35m,沿探测走向30~50m,有一较明显低阻区域,与设置的异常体范围近似一致,在探测深度的0~20m等值线均匀变小｡两图中,在均匀介质条件下,未探测到低阻区域时,视电阻率等值线呈现均匀变小,在深度0~15m,2次探测结果都是从140Ω·m到100Ω·m均匀变化｡从探测到低阻异常开始,近巷道一侧距离异常中心较近处视电阻率相比于较远巷道明显变小｡

通过理论数值模拟,当地层条件趋于一致的时候,由于全空间效应,在巷道左右侧帮测量的视电阻率等值线分布规律一致,当一侧存在低阻异常区时,巷道两侧探测结果均有较明显反应,但靠近异常一侧,低阻异常更加明显｡

4、应用实例

安徽省亳州煤业有限公司袁店二井煤矿西翼采区地质条件复杂,构造发育,地层岩石破碎,给巷道支护和后期维护带来极大的困难｡西翼水平大巷位于6煤层顶板上20m,穿F12断层后进入3煤层顶板上180m,七采区上山位于3煤层顶板上20m左右,过FS33断层后进入3煤层底板下35~60m的岩层中,过FS30断层后位于5煤层附近,西翼总回风巷位于2煤底板下20m至3煤底板40m｡2019年3月,淮北矿业(集团)公司对西翼开拓巷道地面定向孔综合探查治理方案做出批复,中标方累计完成钻探进尺26930.09m,注水泥39789t｡本次井下侧帮高密度电法检测时,西翼轨道大巷盾构掘进至变平点前380m,回风大巷综掘至变平点前200m,已掘进区段由于当时注浆量有限,巷道掘进过程中只有少量局部区域发现较明显的定向注浆钻孔及扩散凝固后的注浆材料,为查明浆液的扩散区域,采用高密度电法在巷道两侧帮进行探测｡

图4巷道左右两侧帮探测视电阻率等值线断面图

高密度电法物探测点在轨道大巷左右两侧帮布置,孔深200mm的浅钻孔以4m等间距编号,并与导线点进行校对｡在G17点前22m处编号0#点,沿巷道向迎头方向编至45#点,采用三极测深和对称四极进行测量,高密度电法测量形式,如图5所示｡

图5高密度电法测量形式

西翼轨道大巷两侧帮高密度直流电法测深视电阻率低阻异常断面图,如图6所示,本次最大探测深度为31.5m｡

在图6中,视电阻率等值线图在左右两侧帮呈现左右对称趋势,左侧帮在横坐标0~104m,纵坐标0~30m局部区段呈现明显的高阻反应,且在横坐标64m附近揭露XGF1断层,该断层破碎带有明显的凝固水泥浆液,推测编号为1#区域的高阻区域局部为注浆材料的扩散区域｡右侧帮在横坐标56~180m,纵坐标0~20m局部区段呈现明显的高阻反应,且在横坐标82m附近揭露XGF1断层,该断层破碎带有明显的凝固水泥浆液,结合注浆材料与孔隙水及孔隙的置换机理,推测编号为2#区域的高阻区域局部为注浆材料的扩散区域｡

图6西翼轨道大巷两侧帮高密度电法测深视电阻率低阻异常断面图

在本次探测区域巷道掘进过程中,轨道大巷揭露XGF1断层,且该断层破碎带有明显的凝固后注浆材料,通过分析实验室室内模拟注浆材料凝固过程视电阻率变化特征可知,注浆材料凝固后经仪器测得的视电阻率均大于500Ω·m,与实际揭露的注浆材料基本吻合｡由于检测的现场处于巷道内,在直流电法上处于全空间范围,测量结果将会有明显的全空间效应,即左侧帮的视电阻率等值线会有较明显的对应关系,同时如果低阻异常处于巷道一侧在该侧测得视电阻率要相对地低于另外一侧测得的结果,这与上节数值模拟结果一致｡水平巷道在左右两侧均无明显注浆材料情况下,其测得的视电阻率等值线应该是一致的,有明显的差异,再结合注浆材料与孔隙水及孔隙的置换机理,如果一侧的视电阻率值较另一侧明显升高,则推测相对高阻区域局部区段为注浆材料的主要扩散区｡

资料提交后,矿方对资料成果表示认可,通过在推测区域局部钻孔验证,取芯岩层中有较明显的凝固水泥浆液｡说明高密度电法这种工作方式和解释方法对该类问题的有效性,为事后注浆浆液扩散区域探测提供了良好的技术参考｡

5、结语

(1)水泥浆液在矿井注浆凝固后,相对周边围岩其电性反映呈现相对高阻,地下水浸泡后视电阻率值仍然相对较高｡

(2)采用在巷道两侧帮进行高密度电法检测,可以在没有注浆前电法资料做对比情况下,结合注浆材料与孔隙水及孔隙的置换机理和检测区域地质条件,判别出注浆浆液的扩散区域｡

参考文献:

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