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| 井筒壁后注浆质量反射波法检测技术 |
| 信息来源：网站编辑部 添加日期：2013-11-13 浏览次数：4537 |
井筒壁后注浆质量反射波法检测技术
张平松，郭立全
(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)
摘 要：为了查明厚松散层覆盖地区的立井井筒在施工及维护过程中出现的注浆及破坏问题，采用反射地震波法对其进行无损检测。利用反射地震波法进行井壁环向和纵向测线布置，通过所获得的高频反射波波速、振幅及频率等多种地震属性参数确定井壁及壁后空间的异常范围，注浆前后的测试对比可进一步获得对壁后注浆质量的评价效果。对新建井筒、维修井筒井壁的测试研究成果表明，反射共偏移法测试时观测系统参数宜选取偏移距为0.6-0.8m，道间距0.2-0.4m，激发点移动步距为0.2m。根据井壁表面波速、综合主频及波形特征能对井筒表面及内部结构进行定性到半定量评价。反射地震波法在井筒壁后注浆质量检测中，其干扰因素小，现场可操作性强，探测所圈定的异常范围准确。
关键词：壁后注浆;质量检测;反射波法;立井井筒;
厚松散层覆盖地区的立井井筒存在诸多问题，包括从建井开始，新井壁后水泥置换状况、壁后注浆效果，到中后期井壁维护修整、加固注浆等一系列过程，都需要进一步了解井壁后介质的基本特征，有效指导井筒壁后注浆以及注浆后的效果评价。据统计，自20世纪90年代以来，全国有80余个地处深厚含水松散层的井筒先后发生了井底涌水及井壁破损现象，这不仅影响了正常生产，而且带来了严重的安全隐患，造成的经济损失巨大。新建井筒壁后泥浆置换不充分，往往造成井筒锅底开挖时涌漏水及泥沙;使用中井壁发生破损的主要原因是矿区开采疏排水，导致含水层的水位下降，含水层被压缩，引起地层沉降，沉降土体对井壁产生向下的摩擦力，在竖向摩擦力和水平荷载综合作用下，井壁发生纵向变形、环向变形及径向变形。变形到一定程度，井壁就会发生破坏[1-2]。目前所利用的检测手段较为单一，主要是通过钻探方式来获得壁后介质基本情况。该方法具有费时、高成本以及次生破坏等缺点。以井筒壁后可能充填土层、浆液、气体等各种不同介质的物性参数为基础，利用一定的地球物理测试手段对井筒壁后基本概况及其异常实施探测，可有效确定井筒破损的相对位置及程度。该技术能有效指导地面及井筒钻孔注浆，对壁后注浆效果进行详细评测，圈定浆液分布的有效范围，进一步为煤矿安全生产提供技术保障。
1井壁注浆质量检测技术
1.1检测技术现状分析
目前来说，井筒及隧道施工过程中都存在混凝土体与不同介质之间的接触空隙问题，对于这类介质间耦合问题必须通过壁后注浆加固处理。实践表明，壁后注浆经常会出现不密实、杂质充填、脱空等工程质量问题，及时、快速地发现衬砌混凝土及其充填的质量问题，为保证工程施工及进度提供有效的技术参数。混凝土体与软土或其他介质间注浆充填中有缺陷部位的混凝土被水或空气所代替，与完整混凝土表现出明显不同的物性差异，这是进行地球物理探测的前提条件。目前地质雷达法、地震反射波法及光学方法等技术[3-4]。在壁后注浆质量检测中多有应用，但受方法本身技术条件所限，不同测试方法均有其优缺点。利用电磁法受到的干扰因素强，测试结果难以消除金属异常影响;而利用地震弹性波法可以避免干扰，获得有效的测试结果。根据弹性波多种地震属性参数可对井壁本身质量、井壁厚度、壁后充填情况以及注浆质量等特征进行判定，提供相应的技术参数。
1.2 反射波法检测技术
受井筒测试条件所限，现场主要应用反射共偏移法进行测试。反射共偏移法在工程勘探中又称为弹性波影像法。它是依据反射波勘探原理，在单边排列基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统进行数据采集。通常在现场实际工作中，常用密集型两道共偏移数据解决实际问题，能满足生产需求，它对井壁破损及壁后异常等地质体的连续追踪与调查可发挥重要的作用。图1为井壁反射共偏移探测布置示意图。
图1 井壁检测示意图
反之，根据测试波形求取反射相位时间，又可求解探测目标体的距离，即h=1/2v(t2-t1)，从而进行地质解释。
井筒测试时采用两道检波器接收，分别进行纵向和环向测线数据采集。数据处理时通过文件拼接、道头编辑、零漂校正、振幅平衡到频谱分析，可获得不同测线的时间剖面，并根据反射同相轴特征进行地质解释和应用。这里主要通过求取浅表层弹性波波速及其分布来评价井壁浅表层基本状况;通过求取测试范围内反射波综合频率及其分布，评价井壁混凝土结构内部基本状况;并根据测线反射地震剖面对井壁内外层结构及其壁后注浆状况进行评价[5-7]。
2 现场工作技术方法
2.1 测试布置
进行井壁测试时通常采用纵向和环向双向测线布置，对不同程度的破损段进行完整测试。纵环向测线间距根据技术要求及实际情况加以选择，其中环向测线垂直间距可以10-20m，必要时可加密，纵向测线根据东西南北等方向加以控制。图2为井壁测试测线布置示意图。
图2 井壁纵环向测线布置示意图
受井壁条件限制，反射地震波数据采集时采用加工的震源枪激发地震波，检波器采用高灵敏平底型速度型100Hz检波器，并利用耦合剂加强检波器与井壁之间的接触，保证每一道数据接收效果。井筒作为特殊环境，仪器设备要求防爆，可采用KDZ1114-6A30型矿井地质探测仪进行数据采集，该仪器设备本质安全，可用于高瓦斯矿井，且重量轻，适用于井筒中测试。
2.3 数据采集
现场数据采集时，偏移距为0.6-0.8m，道间距为0.2-0.4m，每一个激发点的移动步距以0.2m为宜。在设定的测线上激发一次，得到两个不同偏移距的高频信号;激发点与接收点同步移动，进入下一点测试。
由于井筒测试的环境所限，新建井筒可在吊盘上进行测试，而老井筒测试是在罐笼的机斗顶上检测，需要利用专门设计的传感器组合装置，人工贴壁耦合。图3为传感器组合装置示意图。其中环形测线是在同一水平面上设置激发和接收点，并使激发和接收点同时沿井壁顺或逆时针方向移动展开，如自N-E-S-W-N方向顺时针环形依次检测，直至沿井圈封闭一周。纵向测线是在不同方位线上设置激发和接收点，上下移动展开测试，依次检测，直至测试端点。
图3 测试装置示意图
3 井壁检测应用与效果
3.1 新建井筒井壁检测
3.1.1 测试条件
淮北矿业集团某新建矿井主井井筒直径5.0m，设计井深598.5m。井深301m以上采用钻井法施工，井壁为预制钢筋混凝土，井深195.3-301m井壁厚度为0.5m，其后置换空腔0.5m。其中基岩296-301m段进行了地面预注浆，301m以下采用普通法施工。按钻井法工序施工中，在井筒锅底开挖后出现涌水，水量大小从最初的8m3/h到后期53m3/h。其出水部位在井壁后与岩石的接触部位，后期伴有泥沙，含沙量3%-4%。经水质分析认为该水源为井筒四含水，其突水通道主要为壁后局部泥浆置换充填不完全，水泥未完全充填密实，导致松散层水沿壁后空隙流入井下;其次是该段处于基岩风化带范围、伴有破碎带，裂隙将水导入井下。
现场确定采用静水抛渣注浆封水，再进行壁后注浆充填截水。抛渣注浆段完成12m，止水垫顶面深度为287m，注入水泥160t，抛渣注浆封底养护8d后进行试排水，以及壁后充填截水注浆施工，封堵壁后出水通道。为保证注浆质量，现采用反射波法对井壁壁后基本状况进行测试，为壁后出水封堵提供有效的技术参数。其重点是对井筒出水段(编号为46#-50#，或称为节)井壁壁后充填状态加以评价测，提出壁后注浆钻孔施工设计。
3.1.2 数据采集与分析
根据设计方案，壁后注浆工作集中在47#-50#共4段井壁，井深范围为276-300m段内。本次检测在46#-50#井壁自上而下共设计10条测线，编号为Line1-Line10。每节井壁布置两条测线，测线位于井壁中部，分别距井壁上沿和下沿各2.0m。测线环绕主井内壁自N-E-S-W-N顺时针方向，每条测线长度为15.7m。通过对测试波形进行处理，获得了相应的时间剖面，图4为其中line7-line10线测试结果。检测共完成主井46#-50#井壁，井深272-297m段共10条环形测线检测任务，现场采集数据信噪比高，所获得的时间剖面质量较高。
从图4可以看出，环向测线时间剖面上初至波相位连续，无明显错断，初至时间接近一致。反映出所检测井壁本身均一性好，无明显的裂隙、密实度不均等工程缺陷，井壁质量完好。但续至波中波组的连续性、频率等特征发生明显改变，该波组特征反映了壁后充填状况。可以看出图4不同测线中均存在异常段，结合井筒工程地质特征和介质弹性波规律推断异常位置处存在由壁后空腔、包裹体、围岩裂隙区等引起的充填不密实区，其中异常Y2和Y4规模较大影响程度相对严重，且该异常自上而下分布在东南方向，与现场出水位置对应。
图4 环向测线时间剖面及异常分布
3.1.3结果验证分析
结合波组及频谱特征，检测提供了20处壁后不密实区，将其中分布于48#-50#井壁上的6处不密实区作为重点异常，先期对此进行注浆处理。从实际注浆结果分析，检测所提供的不密实区均具有一定的注浆量，尤其在48#和50#井壁，注浆量占总量的66%。从注浆的扩散范围分析，不密区之间存在一定连通性，如在注8#，10#测线时9#测线跑浆，9#线没有布置注浆孔，但从9#线跑浆现象及邻近孔的注浆量也说明该测线壁后空腔存在且规模较大。因此井壁检测结果与实际注浆验证吻合率高。图5对不同注浆孔实际注浆量进行了统计，可以看出，低频处的注浆量占相当大部分，仅井深284m处4个钻孔共注水泥浆量达77.5t。
3.2 维护井壁破损检测
立井井筒在长期使用过程中，井壁均会产生不同程度的受损。皖北恒源煤电公司副井井筒投入使用近30a，目前井壁在125-130m段出现严重变形与破坏现象，需要对其进行注浆加固处理。该井壁由两层混凝土结构构成，其中内、外井壁厚度分别为0.6m和0.4m。对整个破损段注浆钻孔设计包括层间和壁后两种注浆孔，其中垂深132，134和136m水平为主要注浆水平。复合井壁夹层注浆孔设计深为0.65m，达到第2层井壁内50mm，而壁后注浆孔深度为1.0-1.6m。
图5 测试段续至波频谱分析及注浆量统计结果
3.2.1井壁表面检测结果
通过对注浆前后反射波数据处理，以直达波组速度值表征井壁浅部结构特征。岩土层的波速值与其结构特征具有直接的相关性，因此，混凝土的低波速区表征其结构松散或破碎，强度低[8]。图6为注浆前后井壁混凝土浅表层弹性波波速分布。
图6 注浆前后井壁浅表层速度分布对比
3.2.2 井壁内部结构综合评价
井壁内部结构可通过续至波综合主频值进行整体评价，图7为测试段注浆前后混凝土结构综合频率分布。对比发现：注浆前测试范围内混凝土体弹性波主频综合值为800Hz，且在131m水平段整个环面上均出现低频率值区域，异常范围较大。这说明混凝土体内部及井壁内部结构存在一定程度破损或不密实。现场在125-132m段共注入水泥163袋，以及20桶玻璃水。而注浆后混凝土层综合频率大幅度上升，其整体平均综合频率达到1150Hz。由于频率大小直接反应混凝土结构内部综合特征，因此其值大小与结构体强度具有直接的相关性[9]，其整体强度比注浆前提高了1.4倍以上。同时注浆后井壁内部低频区减小，但在131m水平段仍存在，说明注浆后该处井壁内部仍有不实之处，应该引起注意。
图7 注浆前后井壁内部结构综合主频对比
图8 注浆后垂深125m环向测线反射波测试剖面
1)利用反射共偏移方法可对井筒壁后注浆质量进行有效检测，其干扰较少，效率高。测试偏移距为0.6-0.8m，道间距0.2-0.4m，激发点移动步距为0.2m为宜。
2)根据表面波速、综合主频及波形可对井筒表面及内部结构等进行定性到半定量评价。
3)新老井壁检测具有一定的差别，老井壁检测环境复杂，涉及表面及内部结构，检测分辨率要高，难度大，而新建井筒检测相对简单。
4)根据检测结果及其范围等特征可采用不同的注浆工艺[10-11]。
参考文献：
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