破碎圍巖注漿加固效果評價技術研究進展

王曉蕾， 姬治崗

(呂梁學院礦業工程系，煤礦機械裝備維護與檢測試驗呂梁市重點實驗室, 呂梁 033000)

中國是一個煤炭大國，同時也是一個消費大國，煤炭在中國能源結構中占有重要地位，對于中國經濟具有重要的促進作用[1-3]。至“十三五”末，中國煤炭總消耗量為42億噸，占能源結構的62%，未來一段時間內中國能源還是以煤炭為主。

隨著煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層趨于殆盡，煤炭企業不得不向深部開采，隨著深度的增加，地應力的增大[4]，越來越多的巷道出現軟巖特性，同時，受到相鄰工作面采動影響，巷道煤巖體進一步被破壞，嚴重威脅煤礦安全生產[5-7]。

注漿是保證控制煤巖體繼續破壞的有效手段，注漿材料形成的固結體將原來松散的煤巖體固結形成一個整體[8-9]，同時，注漿屬于隱蔽工程，注漿效果的評價嚴重制約注漿工程的發展，若能準確判斷注漿效果對于煤礦安全生產具有重要意義[10-11]。

現基于深部煤巖體注漿加固效果評價，總結注漿效果評價技術的現狀，分析注漿效果評價存在的不足，針對存在的不足，提出未來深部煤巖體注漿加固效果評價的發展趨勢。

1 注漿效果評價方法

對深部破碎煤巖體注漿工程進行效果評價是保證煤礦安全生產的前提，是控制深部煤巖體繼續破壞的基礎。對于深部破碎煤巖體注漿效果的評價方法目前有四大類，如圖1所示。

圖1 注漿加固效果評價方法分類Fig.1 Classification of evaluation methods for grouting reinforcement effect

2 分析評價法

2.1 P-Q-t曲線法

P-Q-t曲線法是用三參數記錄儀(圖2)對注漿過程中的注漿量、注漿壓力、注漿時間進行跟蹤記錄，通過處理系統將以上三參數進行處理，輸出注漿壓力P與時間t、注漿量Q與時間t關系曲線。最終根據工程地質特征、注漿參數、注漿材料特性等綜合分析注漿效果。該法簡單，易操作，適用于簡單工程。

圖2 三參數記錄儀Fig.2 Three parameter recorder

薛翊國等[12]采用P-Q-t曲線法對青島膠州灣海底隧道涌水斷層注漿效果進行了評價，該方法表明注漿效果較好，起到了阻水的目的；王曉蕾等[13]采用該方法對深部巷道破碎圍巖注漿加固效果進行了研究，得出了雙曲線，綜合地質條件以及工程特點對注漿效果進行了評價；章定文等[14]采用該方法對鐵路巖溶路基注漿工程注漿效果進行了評價，采用分序注漿對曲線變化特征進行了分析；王乾等[15]采用P-Q-t曲線法對青島膠州灣隧道圍巖加固注漿效果進行了分析，結合其他方法綜合評價了注漿效果；周小生等[16]采用該方法對富水強風化花崗巖隧道注漿加固效果進行了評價，證實了該方法的可行性；俞文生等[17]采用注漿參數法對富水斷層隧道突水注漿加固工程進行了評價，該體系對注漿加固工程具有一定的借鑒作用；方健[18]采用參數法對告訴鐵路隧道注漿效果進行了分析，該評價結果能夠較好的反應注漿工程；王天彪等[19]采用模擬技術對卵石注漿加固進行了研究，并用參數法對注漿效果進行了評價；楊昌賢等[20]采用P-Q-t曲線法對隧道富水砂泥巖地層注漿加固效果進行了分析；岳志華[21]采用參數法對富水軟弱破碎區注漿加固效果進行了研究，取得了良好的效果。

2.2 漿液填充率法

漿液填充率法是通過記錄注漿過程中注漿總量，反算鉆孔的漿液填充率，其計算公式為

(1)

式(1)中：D為注漿地層漿液填充率，%；Q為注漿工程的注漿總量，m3；β為注漿過程中漿液損失率，%；V為注漿工程需要加固的地層體積，m3；n為注漿工程地層孔隙度。

郭穎[22]采用漿液填充率法對巖溶地基注漿效果進行了分析，為注漿效果檢測提供了保證；王慧潔等[23]采用漿液填充率法對盾構壁注漿效果進行了研究，分析了注漿效果；李傳富等[24]采用漿液填充率法對隧道工程防水注漿機理和施工技術進行了研究，對于注漿工程指導具有重要意義；郭建文等[25]采用漿液填充率法對隧道注漿效果進行了研究，各項指標滿足設計要求；屈浩[26]采用漿液填充率法對透明裂隙介質注漿進行了研究，為注漿工程提供了技術支持。

3 鉆孔檢查法

3.1 鉆孔電視法

鉆孔電視法是通過鉆孔電視設備對鉆孔裂隙發育情況進行分析，通過對比注漿前后裂隙充填情況分析注漿加固效果，鉆孔電視設備如圖3所示。通過鉆孔電視得出的鉆孔內部裂隙充填情況如圖4所示。

圖3 鉆孔電視Fig.3 Boreholes television

圖4 數字式探測結果Fig.4 Detecting results of digital

帥建兵[27]采用鉆孔電視對地鐵車站注漿效果進行了分析，具有很好的直觀性；李光勇[28]采用鉆孔電視對建筑物下伏采空區注漿效果進行了分析；張文彬[29]采用鉆孔電視對小煤柱注漿加固效果進行了研究；張連震等[30]采用鉆孔電視技術對軟弱地層注漿加固效果進行了定量化分析；賀文等[31]采用鉆孔電視技術對采空區充填治理進行了分析，為建筑物評價提供了參數；王琦等[32]采用鉆孔電視技術對三軟煤層巷道加固進行了系統性研究；甘志超等[33]采用鉆孔電視技術對老窯采空區充填治理進行了研究；曲相屹等[34]采用鉆孔電視技術對采空區注漿加固效果進行了研究，為相似工程提供了借鑒；李樹志等[35]采用鉆孔電視技術對采空區注漿效果進行了分析，準確了解了注漿裂隙充填；王連國等[36]采用鉆孔電視技術對軟弱巷道底鼓工程進行了治理，對相似工程具有指導意義；劉治國[37]采用鉆孔電視對采空區注漿治理效果進行了分析，為施工人員提供了參考；張農等[38]采用鉆孔電視法對千米深井注漿工程進行了效果評價；崔鋒[39]采用鉆孔探測技術對采空區治理進行了研究，為綜合檢測技術推廣提供了支持。

3.2 鉆孔取芯率法

鉆孔取芯率法是通過注漿后對被注地層進行取芯，通過計算完整巖芯占所有巖芯的比例來評價注漿效果，巖芯圖片如圖5所示，其計算公式為

(2)

式(2)中：q為完整巖芯取芯率，%；Lw為完整巖芯長度，m；Lz為鉆孔取芯的總長度，m。

圖5 鉆孔巖芯Fig.5 Borehole core

袁進科等[40]采用鉆孔取芯率法對地鐵隧道富水砂層注漿效果進行了分析，通過檢驗證實了注漿達到了預期效果；王保慶[41]采用鉆孔取芯率法對成樁注漿效果進行了評價，為樁柱注漿效果檢測提供了技術支持；魏忠誠[42]采用鉆孔取芯率法對立井穿越采空區施工技術注漿效果進行了評價，為井筒施工提供了技術支持，對于同類礦井建設具有重要的指導意義；先澤祥[43]采用鉆孔取芯率法對穿越煤礦采空區注漿加固效果進行了綜合評價，填補了采空區加固注漿施工的空白，具有獨特的應用價值；郭守泉[44]采用鉆孔取芯率法對雙河煤礦深井高應力破碎巷道進行了注漿效果評價，該技術對于煤礦巷道治理具有一定的治理借鑒作用。

3.3 滲透系數法

滲透系數法是通過分段注水試驗測試鉆孔不同階段的滲透性，通過地層的滲透性來判斷注漿效果[45]。分段注水系統如圖6所示。

圖6 分段注水系統Fig.6 Staged waterflood system

其計算公式為

(3)

式(3)中：k為鉆孔地層滲透系數，m/d；A為地層試驗注水漏失量，m3；l為鉆孔測試階段的長度，m；s為鉆孔中水頭的高度，m；r為測試鉆孔的半徑，m。

楊鑫[46]采用滲透系數法對承壓水上開采底板注漿效果進行了評價，詳細敘述了該方法的實施步驟，為相似工程進行注漿效果評價提供了技術借鑒；劉凱[47]采用滲透系數法對破碎帶地層注漿加固工程效果進行了評價，依據工程施工需求，提出了改變地層內部結構的施工工藝，對于提供注漿效果具有重要意義；姬程飛等[48]采用滲透系數法對隧道工程富水破碎帶注漿加固效果進行了研究，詳細敘述了滲透系數法施工過程中注意的問題，為破碎帶注漿加固效果評價提供了基礎保證，為相似工程注漿效果評價提供了借鑒；王全華[49]采用鉆孔滲透系數法對富水含砂軟土地層注漿效果進行了研究，為相關經驗工程提供了工程參考。

4 開挖取樣法

4.1 力學參數對比法

力學參數對比法是通過對施工地層注漿前后進行鉆孔取芯，通過實驗室測試對比分析注漿前后力學參數變化特征，綜合判斷注漿地層的注漿效果情況。主要對比的力學參數有抗壓強度、抗折強度、含水率、抗拉強度、泊松比等力學參數。

肖紅渠等[50]采用力學參數法對海底隧道施工注漿效果進行了評價，通過力學參數發現，注漿后地層的力學參數得到有效提高，改善了圍巖的透水能力及力學強度，保證了施工；付文才等[51]采用錨網噴注技術對支護進行了研究，通過力學參數發現，該技術能夠有效改變圍巖力學參數，提高煤巖體力學強度，對于相似工程具有重要的借鑒作用；鄧志勇[52]采用注漿工程對大面積巖體滑坡進行了注漿加固治理，通過力學參數發現，注漿后其自身不僅增假了抗剪強度，同時提高了預應力；馬開玉等[53]采用錨網噴柱對深水平破碎巖層進行了加固處理，通過力學參數發現，該技術提高圍巖力學參數，提高圍巖強度；李文洲[54]采用注漿加固技術對煤礦馬頭門進行了處理，失穩破壞得到了有效處理，力學參數表明，注漿后圍巖結構整體完整，錨索受力穩定，注漿效果明顯；張興才等[55]采用注漿對千米深井巷道圍巖進行加固處理，結果顯示注漿能夠適應高應力軟巖巷道壓力變化特征；劉世江[56]采用注漿技術對弱膠結頂板破碎巷道進行了加固處理，力學參數表明其具有提高圍巖力學強度的作用；劉鵬飛等[57]采用帷幕注漿加固法對高含水率黃土隧道進行了加固處理，結果表明，支護得到改善，含水率降低；孫淼等[58]采用注漿技術對護巷柱進行加固，參數表明，圍巖力學強度得到有效提高；孫敬濤等[59]采用注漿技術對破碎巖體含水層巷道進行處理，結果表明巷道變形得到有效控制，強度大大提高；王春等[60]采用力學參數法對回采巷道斷層錨固支護進行了分析，其圍巖整體強度提高。

4.2 加固效果觀察法

加固效果觀察法是通過加固后通過打檢測孔觀察檢測孔涌水、涌沙以及是否產生塌孔現象綜合評價注漿效果，為直觀評價法。圖7所示為加固效果觀察圖[61]。

圖7 加固效果Fig.7 Reinforcement effect

劉再斌等[62]采用注漿加固效果觀察法對陷落柱治理注漿工程效果進行了分析，詳細敘述了該方法的流程以及評價指標，為類似工程效果評價提供了借鑒；張金祥[63]對路基巖溶注漿工程效果進行了分析，采用注漿加固效果觀察法對其進行了研究，無涌水、涌沙、涌泥現象, 檢查孔放置一段時間后無塌孔現象；萬浩然等[64]采用加固效果觀察法對富水巖溶地鐵站基坑注漿加固效果進行了分析，通過加固效果觀察發現基底巖溶被注漿有效加固；楊成忠等[65]采用加固效果觀察法對隧道進口段注漿效果進行了分析，發現其圍巖收斂最終趨于穩定。

5 物探法

物探法主要是通過儀器對注漿前后地層進行探測，通過裂縫特征、電阻率、聲波變化等特征判斷注漿效果。主要的儀器有地質雷達、電法儀、超聲波檢測儀。圖8所示為地質雷達檢測圖，圖9所示為電阻率變化情況，圖10所示為超聲波檢測圖。

圖8 地質雷達檢測圖Fig.8 Geological radar detection map

圖9 電阻率變化Fig.9 Resistivity change

圖10 超聲波檢測Fig.10 Ultrasonic inspection

李榮[66]采用物探法對注漿堵水工程進行了研究，注漿后異常區明顯減少；李建力等[67]采用物探技術對陷落柱進行了加固效果處理，通過物探分析發現，注漿后異常區減少；高振宇[68]采用物探法對復雜水文地質條件下注漿治理工程進行了分析，通過物探發現注漿后異常區減少；韓貴雷[69]采用物探技術對城門山銅礦改性湖泥注漿加固工程進行了效果檢測；王廣強等[70]采用物探技術對辛安礦復雜構造下涌突水注漿加固工程進行了效果評價；蔣輝等[71]采用地震散射方法對注漿效果進行了評價，分析了該技術的優點，為類似工程效果評價提供了借鑒；胡熠等[72]采用物探技術對巖溶路基注漿加固工程進行了效果評價，注漿后電阻率、波速等均有所變化；劉軍勇等[73]采用瞬變電磁法對公路采空區注漿加固效果進行了評價，該方法對于采空區治理效果評價具有重要作用；潘光明等[74]采用物探技術對隧道松軟圍巖注漿加固效果進行了研究，總結了定量化標準；李耀偉[75]采用物探技術對帶壓開采注漿加固技術效果進行了評價分析，圈定了異常區；彭永良等[76]采用物探技術對大型復雜采空區注漿效果進行了分析，為類似工程評價提供了借鑒。

6 問題與展望

注漿效果評價對于注漿工程具有重要意義，中外學者進行了大量研究[77-78]，取得了眾多研究成果，但也存在一定的問題，基于存在的問題分析了未來注漿效果發展趨勢[79-80]。

(1)對于注漿效果評價，尚沒有統一的標準可以借鑒，大部分憑借施工經驗和探測分析來進行效果評價，未來需要提出注漿效果評價方法以及定量性指標。

(2)物探技術受到環境影響較大，不能作為主要的注漿效果評價手段，其只能作為輔助手段，未來應研發新型物探技術，減少周圍環境對于物探結果的影響。

(3)單一方法對于注漿效果作用較小，具有不準確性，未來應該多種評價方法綜合運用，邊注漿邊評價。

(4)未來注漿效果評價應針對不同的注漿工程提出不同的評價方法和指標。