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

根据反射波勘探原理，单道观测系统有相应的波路系统，且它的时距曲线方程为

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。