采空区帷幕灌浆试验弹性波CT检测

胡军

［摘  要］:

目前采空区灌浆检测方法较少，本次检测主要目的是通过工程物探弹性波CT无损检测方法检查帷幕灌浆试验孔区的灌浆效果，为工程施工提供依据并指导下一步帷幕灌浆工作。

［关键词］：采空区 灌浆 CT无损检测

1 概况

1.1工程概况

禹州长葛段第三施工标段是南水北调中线一期工程总干渠第Ⅱ渠段（沙河南～黄河南）的组成部分，位于Ⅱ渠段的上部，地域上属于河南省许昌市的禹州市和长葛市。设计桩号为SH(3)75+600～SH(3)77+300，标段长度1.7km，标段内共有各种建筑物4座，其中左排渡槽1座，左排倒虹1座，公路桥1座，生产桥1座。

由于该标段下部为煤矿采空区，停采后因坍塌形成冒落带和断裂带，易造成渠道不均匀沉降，需在该区域内进行帷幕及充填灌浆，灌浆孔深110m～293m不等，采用水泥粉煤灰混合浆液进行灌注。

（1）新峰二矿采空区

该矿采空区面积为1387260m²，相应占压渠道范围83314 m²，长度724.98m，开采煤层的厚度为0.9m，煤层的底标高为-151m～+30m，地面高程为+117m～+137m，煤层的埋深约为106～227m，采空区通过相应的原设计桩号SH75+639.243～SH76+386.536。

（2）梁北镇郭村煤矿采空区

该矿采空区的面积约为531045m²，相应占压渠道范围74772 m²，长度703.458，开采煤层的厚度为0.77m～1.21m，煤层的底标高为-149m～±0.1m，地面高程为+125～+139，煤层的埋深约为127m～289m，采空区通过相应的原设计桩号为SH76+852.709～SH77+906.75。

桩号SH（3）75+639～SH（3）76+387和SH（3）76+862.2～SH（3）77+300下部分别为新峰和郭村煤矿采空区，停止开采后因坍塌形成断裂带和冒落带，极易造成明渠的不均匀沉降，故需要在该部位进行充填及帷幕灌浆，灌浆孔深110m～293m不等，两个采空区的总跨度约为1179.8m。其中帷幕灌浆钻孔197989m，钻充填灌浆孔224465m，总计灌浆孔钻孔422454m。灌浆用的材料主要为水泥喝粉煤灰的混合浆液。

本次检测范围为两组帷幕灌浆试验孔区域。

1.2 检测目的

本次检测工作主要目的是通过工程物探弹性波CT无损检测方法检查帷幕灌浆试验孔区的灌浆效果，为工程施工提供依据并指导下一步帷幕灌浆工作。

根据现场实际情况和测试要求，此次测试为2组检查孔，分别是郭村矿WSG J1~ WSG J2检查孔和新峰矿WSX J1 ~ WSX J2检查孔。

实际完成量见下表。

表1 禹州三标采空区帷幕灌浆试验弹性波CT完成工作量

测试区域	孔号	测试深度（m）	测试高程（m）	孔间距（m）
郭村 采空区	WSG J1～WSG J2	34～218	82～-102	22.0
新峰 采空区	WSX J1～WSX J2	45～140	96～1	19.8

2 工区地质概况

本渠段基岩为二迭系上统石盒子组，其上部为新生界第三系，地表为第四系覆盖。地质情况由老到新为：

（1）二迭系上统上石盒子组

主要由灰绿～灰黄色泥岩、砂质泥岩、灰白色细～中砂岩组成，夹炭质页岩及煤层。厚519～559m，平均厚度为529m。

（2）第三系中新统洛阳组

主要是棕红色含有棕绿色条纹的粘土、粉质粘土及黄色、棕白色砂岩、砂砾岩。根据钻孔情况，揭露的最大厚度16.9m。

粘土：成岩程度较差，为软岩或呈硬～硬塑土状。局部成岩程度较好，发育有裂隙，偶尔有见擦痕，有铁锰质浸染。

砂砾岩：该岩的主要成分是灰岩及石英砂岩，胶结状，成岩的程度好，分布不均。

（3）第四系中更新统（Q₂）

主要为坡洪积成因的棕红～黄色粉质壤土，可塑状～硬塑，结构较致密，含有锰铁结核，厚度一般8.0～39m。

（4）第四系上更新统（Q₃）

主要为棕黄色土状重、中粉质壤土，含钙质结核，该层厚度约2.3～14.2m。

3 工作方法与技术

3.1 基本原理

CT（Computeriyed Tomography）技术，又被称为层析成像技术，是医学层析扫描技术在地球物理领域的发展和应用，又是一项新技术。工程上的CT技术，借鉴了医学上的CT，通过设置某类射线（比如电磁波和弹性波等）穿过某工程需探测的对象，进而达到探测其内部异常或者物理异常的一种物理反演技术。由于运用的射线不相同，其又可分为电磁波CT、电阻率CT及弹性波CT等。应用在工程探测方面的弹性波CT，就是运用弹性波的信息，进而重构被检测物体的内部构造成像技术。

根据该技术，岩性相同的话，如果波速高则该部位岩体完整；波速低则该部位破碎。该技术就是利用弹性波CT检测方法了解了地层的构造。

如下图所示，L和M为2个钻孔。当需要检测，则先在L孔中某一位置激发弹性波，并且在M孔中N个等长间隔的位置接收，即可测得N个弹性小组旅行时；然后按规律移动接收点或激发点，直至全部完成先前预定的“观测系统”。整个系统共激发P次， 即可测得P×N个弹性波得旅行时，根据此数据，并且利用计算机，计算，就可测得被检部位内部的波速图像。

综上所述，利用弹性波的CT检测方法了解地层内部构造的原理是：第一，用弹性波CT扫描被检测物体，得到多个检测结果；第二，运用计算机作计算，就可以得出检测物体的内部波速图像。

3.2 工作方法技术

依据钻孔的实际情况，本工程采用了接收点距和激发点距均为1.0米，即1个点激发和12个点接收的观测系统。实际弹性波扫描时，先在一个孔中的某一位置激发弹性波CT，然后在另外一个孔中的12个等间距的位置接收，即可测出12个弹性波的旅行时；然后按特定的规律移动接收点和激发点的位置，直至完成先前设定好的观测系统。

3.3 工作布置

本次检测工作共布置2组弹性波CT。在郭村矿采空区域布置的为WSG J1~ WSG J2；在新峰矿采空区域布置的为WSX J1 ~ WSX J2。

检查孔孔位布置见图1，CT观测系统图见图2和图3。

图 1 检查孔孔位布置示意图

图2 WSG J1～WSG J2孔观测系统图 图3 WSX J1～WSX J2孔观测系统图

3.4 工作仪器设备

检测设备使用的是R24工程地震仪和压电晶体型串式拾振器，激发的设备为大功率的电火花震源。

4 资料处理与成果分析

4.1 资料处理

先对波形信号进行初值读取，按照测试系统编辑成相应的格式，输入计算机，进行测试系统图的绘制，后设定参数进行计算和CT成像分析。CT成像，就是根据弹性波扫描所获取的数据，然后利用计算机反演出被检测岩体结构内的速度场，并且建立和计算出一组稀疏多元线性方程组。本工程成像采用WYS CT软件，该软件采用最新设计思想，能够选用曲线和直线两种成像方法，可随时显示和打印色谱图，有更好的成像精度，减少低速区误差。成像的处理时，特别注意了以下问题。

（1）单元的划分：首先取1m×1m的网格，利用计算机进行反演，直至误差很小时，再加密，细分到0.5m×0.5m的网格，继续利用计算机反演，直至误差不再减小，结束计算。

（2）在计算机的反演中，从头至尾采用二阶阻尼，单元波速度限高不限低，进而保证了低速异常体的不被遗漏。

4.2 成果分析

CT成果主要有观测系统图、岩体波速成像剖面图。成像剖面图概括并直观的反映出地层内部波速的具体分布情况，成像剖面图见图4和图5。

图4 WSG J1～WSG J2孔成像剖面图 图5 WSX J1～WSX J2孔成像剖面图

4.2.1 郭村采空区WSG J1～WSG J2

高程82~40m（深度34~76m）段，主要为泥岩，大部分区域波速多在2200~3000m/s；高程40~-75m（深度76~191m）段，岩层分层较好，泥岩与砂岩互层，波速多在3000~3400m/s，有部分区域波速在2600~3000m/s；在高程-75~-102m（深度191~218m）段，波速均在3000m/s以上。成像剖面图见图4。

4.2.2 新峰采空区WSX J1～WSX J2

高程96~58m（深度45~83m）段，主要为泥岩、砂岩，波速在2200～3000 m/s范围的居多。高程58~40m（深度83~101m）段，主要为泥岩，大部分区域波速在3000~3400m/s，但有部分区域波速在2600~3000m/s；高程40~30m（深度101~111m）段，主要为泥岩，波速基本在2600~3000m/s；在高程30~1m（深度111~140m）段，波速基本在3000m/s以上，但在高程4~1m范围内有部分区域波速在2600~3000m/s。成像剖面图见图5。

5 结论

（1）本次利用工程物探弹性波CT无损检测方法进行帷幕灌浆效果检测是可行有效的，弹性波CT检测取得了良好成果，郭村和新峰采空区共完成2组CT检测。

（2）郭村矿检查孔WSG J1～WSG J2区域，高程82~40m段，自上而下波速由低到高，波速均在2200～3000m/s；高程40～-102m段，波速基本都在3000 m/s以上，在高程35～24m、20～0m、-23～-40m、-55～-74m段波速多在2600~3000m/s。

（3）新峰矿检查孔WSX J1～WSX J2区域，高程96～58m段，大部分区域波速在2200～3000 m/s范围。高程58～1m段，大部分区域波速在3000m/s以上，在高程55～30m、4～1m段有部分区域波速在2600～3000m/s。

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