中關(guān)鐵礦深孔注漿幕墻井間電阻率測試技術(shù)和效果評價

1、中關(guān)鐵礦深孔注漿幕墻井間電阻率測試技術(shù)和效果評價韓貴雷，于同超，劉殿鳳，蔣鵬飛，王慶江，唐英杰(華北有色工程勘察院, 石家莊 050021）摘 要：礦山治水中所采用的帷幕注漿工法具有典型的隱蔽工程特點，因此，注漿效果的評價一直是該領(lǐng)域內(nèi)的一個難題。中關(guān)鐵礦深孔帷幕注漿工程利用井間電阻率測試技術(shù)對注漿效果進行了深入的研究，驗證了該物探手 段在帷幕注漿工程中應(yīng)用的可行性和先進性。井間電阻率反演圖清楚地表明：注漿前后地層電阻率由低到高的變化過程，說明止水達到了良好的效果；本文還結(jié)合注漿工程資料，系統(tǒng)地分析了注漿過程中鉆孔單位注灰量及巖層透水率的變化過程，為井間電阻率測試技術(shù)的試驗結(jié)果和帷幕墻止水效果

2、的檢驗評價提供了旁證支持。關(guān)鍵詞：帷幕注漿；礦山治水；井間電阻率探測；止水效果中圖分類號：p642文獻標識碼：a文章編號：1 67241 35（2009）01 0069- 061引 言實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的合理開采，有效保護地下水資2工程背景邯鄲鋼鐵集團公司中關(guān)鐵礦位于河北省沙河源環(huán)境，是現(xiàn)代采礦業(yè)必須達到的目標。礦山治水中的帷幕注漿法，是利用圍巖裂隙充填高強水泥形 成止水帷幕墻，封閉礦體內(nèi)外水循環(huán)，從而實現(xiàn)上 述的目的有效手段1、2。由于帷幕注漿工程具有典型 的隱蔽工程特點2，帷幕注漿施工完成后，注漿質(zhì)量好壞，防滲效果如何，均無法直接地評定，因此，帷 幕注漿工程施工質(zhì)量檢查一直是人們研究關(guān)注的熱點。

3、 近年來隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，地球物理 勘探技術(shù)有了實質(zhì)性的突破，并且在礦產(chǎn)、石油、水 利等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用3 6。中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程施工質(zhì)量的檢驗方法就是在這一領(lǐng)域中的 有效實踐范例。本次使用的井間電阻率成像物探測試技術(shù)是首次利用國外物探設(shè)備和國產(chǎn)軟件相結(jié) 合，對邯鄲鋼鐵集團公司中關(guān)鐵礦深孔帷幕注漿工 程進行了探測，并結(jié)合注漿工程資料綜合分析評價 了帷幕注漿工程抗?jié)B效果。研究表明，井間 電 阻 率 成像物探測試技術(shù)反映明顯 ，表達 直 觀 ，并 可 較準確地判別止水效 果 ；深孔帷幕注漿施工過程參 數(shù) 及 注 漿效果綜合分析結(jié)果為該方法提供了驗 證的旁證資料。市白塔鎮(zhèn)中關(guān)村附近，北距

4、邢臺 30 km，南距邯鄲53 km，南北長 2 000 m，寬 800 m 左右。礦體平均厚度 38.0 m，最 大 厚 度 193.06 m，埋 深 300 720 m，總儲量 9 345 萬噸。帷幕注漿鉆孔需穿越第四系、石炭二迭系、中奧陶統(tǒng)、燕山期閃長巖，其中包括蝕變 灰?guī)r帶、斷層帶、破碎帶等地質(zhì)情況及水文情況復(fù)雜的關(guān)鍵地層，注漿施工難度大1。注漿帷幕設(shè)計厚度 t = 10.0 m，漿液擴散半徑r = 8.0 m，設(shè)計孔距 d = 12.0 m,注漿段平均長度 l= 414 m，采用分段注漿，每注漿段平均長度 30 m。注 漿 段 鉆 孔 直 徑 采 用 110 mm、91 mm、75m

5、m。注漿帷幕完工后的帷幕防滲性能指標 q 2 lu（lu 為透水率單位），帷幕形成后堵水率達 80%，透 水系數(shù)小于 k = 0.08 m/d，質(zhì)量要求高1。帷幕注漿工程由華北有色工程勘察院承擔(dān)，注 漿帷幕線設(shè)計南北長 1 140 m；東西最大寬度 890m，平面上形成環(huán)形橢圓狀展部的全封閉的帷幕，全 長 3 397 m，由 270 個注漿孔，30 個觀測孔，34 個檢 查孔，36 個加密孔，共 370 個鉆孔構(gòu)成，總進尺 201 906 米，注漿段全長 126 674 米，采用分段注漿，每注漿收稿日期：2008- 11- 24責(zé)任編輯：劉新秒基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目“巖石破裂后再破

6、裂的力學(xué)行為研究”（50774082)作者簡介：韓貴雷（1980- )，男，河北保定人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事巖土工程方面的工作和研究。段平均長度 30 m。注漿帷幕墻體底板需進入燕山期閃長巖隔水層，因此，最大設(shè)計孔深達 810 m。由于 帷幕線較長，施工時將整個帷幕分為 3 個區(qū)段，每個區(qū)段均設(shè)有注漿攪拌站、輸漿壓力泵站和自動化輸漿控制監(jiān)測室。為了檢查帷幕注漿施工效果，在施工過程中對 部分帷幕區(qū)段進行了物探測試和注漿效果綜合分析，本次注漿效果檢驗區(qū)域為 k32 至 k225，共有注 漿孔 79 個，其中序注漿孔 16 個、序注漿孔 18個，序注漿孔 45 個，平面控制長度 936.00

7、 m，鉆 孔深度在 353.00 到 480.00 m 之間。產(chǎn)生的穩(wěn)定電場，其基本理論基礎(chǔ)是直流電場的基本方程，即介質(zhì)中的歐姆定律和電流連續(xù)性 方 程 3。犖j = e / （1）犖j = 0式中：j 是電流密度矢量， 是電阻率，e 是電場強度，e 滿足：犖e = 0由（2）式可以引入e = - 犖 從而可以得到電位的解犖（犖 ）0即:犖 犖 + 犖 2 = 0（2）（3）（4）（5）3井間電阻率探測原理電阻率與地層的巖性、巖石孔隙及孔隙中流體上面的方程將電位 和未知的電阻率 聯(lián)系起來，電阻率成像就是要由探測區(qū)域邊界條件來確 定內(nèi)部的電阻率 的分布，即尋找方程（4）或（5）在一定邊界條件下的

8、解。現(xiàn)場的井間測試得到的是一組龐大的數(shù)據(jù)，最 終需要將這些數(shù)據(jù)進行圖像重建，電阻率成像利用 探測區(qū)域內(nèi)各個不同方向觀測的電阻率物理量來重構(gòu)探測區(qū)內(nèi)電阻率的實際分布7、8。由于電阻率成 像過程中，邊界上的電位值是對電場分布范圍內(nèi)物性分布的整體反映量，而不是物性沿射線路徑的線性質(zhì)有直接的關(guān)系，因此，電阻率成像技術(shù)對于識別斷層、破碎帶、水體及地層透水情況等方面的問 題具有特殊的意義3、4。井間電阻率成像技術(shù)是利用探測區(qū)周圍各個不同觀測點直流電源激發(fā)的電場所產(chǎn)生的電位或 電位差的不同，來研究探測區(qū)域內(nèi)介質(zhì)電阻率的分布情況。一般是在一鉆孔中按一定間距設(shè)置直流電 源點，在另一鉆孔中設(shè)置一定數(shù)量的接收點，依

9、次 激發(fā)電源點，在兩鉆孔之間產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)定電流場（圖 1），從而反映地層電特性3、4。電阻率成像技術(shù)所利用的場源是直流電源所性積分。另外電流總是沿電阻率最小的路徑流動，所以電阻率成像在圖像重建方面難度較大，往往需要借助于計算機程序9、10。4探測過程及結(jié)果本次物探測試儀器由澳大利亞 jet 研發(fā)中心研制的多通道、全波形、全方位電阻率成像系統(tǒng)和國際領(lǐng)先的電阻率反演軟件。該系統(tǒng)可用于地表、井 - 地、井 - 井勘探，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位點法勘探，具有 64 道數(shù)據(jù)同時采集功能，大大提高采集的效率，并且數(shù)據(jù)采集量大，為實現(xiàn)更高的解釋精度提供了科學(xué)依據(jù)，該儀器性能穩(wěn)定、狀態(tài)良好，確保了野外 數(shù)據(jù)采集工作的質(zhì)

10、量。4.1 探測過程進行井間透視工作時，我們分別將兩根帶有16 個電極（電極距為 8 m）的電纜放入兩個待測的 鉆孔中（未下套管部分），來檢測兩個鉆孔之間區(qū)域 內(nèi)地層電阻率的分布情況。分別在兩個井中固定了兩串電纜的位置后，做一次數(shù)據(jù)測量。一次測量可圖 1 井間電阻測試示意圖fig. 1 dia gra m for cros s - we ll re s is tivity te s t第 1 期韓貴雷等：中關(guān)鐵礦深孔注漿幕墻井間電阻率測試技術(shù)和效果評價71達 120 m。如果井中需要測量的范圍較大，就必須在測完一次數(shù)據(jù)后移動電纜的位置再進行測量，這樣 就可以覆蓋整個待測的區(qū)域。選擇 w2 和

11、w3 兩孔的測試結(jié)果為例，被探測區(qū)域內(nèi) w2 和 w3 兩孔相距 60 m，之間有 4 個注漿 孔。檢測深度從 - 100.0 m 標高算起，鉆孔 w2 孔深388 m，檢測深度為 253.2 m；鉆 孔 w3 孔 深 402 m，檢測深度最大為 381.2 m。井間電阻率探測共進行 2次，第一次安排在 w2 和 w3 注漿鉆孔施工完畢后， 但在其之間的注漿孔施工前；第二次安排在其間所有注漿孔分段注漿施工完成后，具有較強的對比意義。4.2 探測結(jié)果分析測試完畢后，首先對數(shù)據(jù)進行檢查， 并通過特殊的濾波處理，去除了一些離散 性較大數(shù)據(jù)，最后對剩余的數(shù)據(jù)通過軟件 進行反演處理，得到如下圖 2、圖

12、3 所示 的直觀反映井間電阻率的反演圖片。一般 來說，高電阻的地層顯示巖性較完整且含 水、透水性能較差，色譜表達為逐漸變紅； 低電阻的地層顯示巖性不完整，富含水或 透水性能較好，色譜表達為逐漸變蘭；中 間過渡色為巖性完整性較好。阻率值明顯升高（圖中 3 中黃色部分），反映了注漿過程中巖層巖溶孔隙 - 溶隙結(jié)構(gòu)被水泥漿液充填，巖層含水率降低，進而使得地層電阻率相對升高的過程。說明了注漿施工完成后能夠在巖層中形成連 續(xù)的水泥帷幕墻體。在第一注漿段 150280m 的檢測后發(fā)現(xiàn)，水泥帷幕墻體中仍有較大面積的低阻區(qū)（圖 2 中蘭色 部分），判斷為注漿量不充分、地層裂隙發(fā)育弱或?qū)ㄐ暂^差、排擠地下水不夠

13、完全所造成的，從而形圖 2w2 和 w3 孔注漿完畢后井間電阻測試成果反演圖fig. 2 inve rs ion picture of cros s - we ll re s is tivity for the pos t grouting of the w2 a nd w3圖 2 為 w2 和 w3 注漿孔施工完畢 且兩孔間未進行其它孔注漿施工時的電 阻率成果反演圖片，根據(jù)圖像的電阻率等 值線分布可以明顯看出，w2 和 w3 附近 分布的高電阻率區(qū)表明：水泥漿液具有較 好的擴散，并在該范圍內(nèi)排出巖層內(nèi)的地 下水，水泥漿同巖層形成較密實的帷幕墻 體，起到較好的排水、堵水的效果；在 w2 和 w

14、3 之間水泥漿液的擴散范圍外，分布 有較廣泛的低電阻率區(qū)，反映了孔間的石 灰?guī)r巖層裂隙較大，連通性好。同時，可能 局部存在水蝕蜂窩及溶洞等巖溶結(jié)構(gòu)，并 且在其中充水較多，形成較明顯的低電阻 通道。圖 3 為 w2 和 w3 之間 4 個 后 續(xù) 注 漿孔施工完畢后的探測結(jié)果。同圖 2 對比 后可以明顯看出：后續(xù)注漿孔注漿前，w2 和 w3 之間的低電阻區(qū)約占 80%以上（圖2 中藍色部分），注漿后低電阻率區(qū)的電圖 3fig. 3w2 和 w3 孔之間 4 個孔注漿后井間電阻測試成果反演圖inve rs ion picture of cros s - we ll re s is tivity f

15、or pos t grouting of the four hole s be twe e n w2 a nd w3成局部的殘留水區(qū)。通過調(diào)整注漿壓力、注漿量、注漿流速和注漿終結(jié)時間，第二階段 280350m 的 檢測顯示出 w2 和 w3 之間的高電阻區(qū)占了 90%以上，證明裂隙及巖溶結(jié)構(gòu)中水泥漿液充填較密實，帷幕墻體具有較好的堵水效果。kg/m；18 個序孔總注灰量為 1 169.00 t，單位注灰量 為 235.76 kg/m；11 個 序 孔 總 注 灰 量 為 313.00 t，單位注灰量為 105.91 kg/m。序孔單位注灰量為序孔的 30.2%，序孔單 位 注 灰 量 為 序

16、孔 的13.6%，序孔單位注灰量為序孔的 44.9%。單位 注灰量隨著注漿過程遞減，反映出隨著注漿工程的 進行，帷幕墻體逐漸形成的過程。序孔注漿地層為原始地層，奧陶系石灰?guī)r為主要被注對象，在該 地層中裂隙及巖溶結(jié)構(gòu)發(fā)育，漿液具有較大的擴散范圍，吃漿量大，對于、序孔來說，由于前序孔 水泥漿液的封堵作用，后續(xù)孔漿液擴散范圍明顯減小，進而漿液注入量也明顯減少，注漿效果具有明 顯的疊加效應(yīng)。同時，由單位注漿量累計曲線圖 4（a）可以看出，序孔頻率曲線大都集中在坐標的右邊，說明，序孔注漿量較大的孔段出現(xiàn)頻率較5注漿效果綜合分析5.1 注漿效果疊加效應(yīng)分析表 1、2 為該區(qū)域內(nèi)已終孔資料的統(tǒng)計結(jié)果，根 據(jù)

17、表中數(shù)據(jù)可以繪制出單位注灰量和透水率的頻 率曲線和頻率累計曲線，如圖 4 所示。（1）單位注灰量迭加效應(yīng)由表 1 中數(shù)據(jù)可以看出該區(qū)域內(nèi)各孔序之間 單位注灰量具有明顯的遞減趨勢，區(qū)域內(nèi) 16 個序孔總注灰量為 3 556.40 t,單位注灰量為 781.53表 1 鉆孔單位注灰量成果分析ta ble 1 ana lys is on unit a mount of pla s te r inje ction表 2 鉆孔透水率成果分析ta ble 2 ana lys is on rock pe rme a ble ra teba圖 4 注漿過程成果頻率分析圖fig. 4 fre que ncy a

18、 na lys is of the grouting e ngine e ring da ta a 單位注漿量頻率分析：b 鉆孔透水率頻率分析lfl & ( )* ! kg/ !#$% 1 000i163 963.010.061366920241112ii184 893.91.0313611217602iii112 901.20.3780773000 第 1 期韓貴雷等：中關(guān)鐵礦深孔注漿幕墻井間電阻率測試技術(shù)和效果評價73高，而后續(xù)孔注漿量較小的孔段出現(xiàn)頻率較高，其中，序孔單位注灰量主要分布區(qū)間為 0 300.00 kg/m，占總段數(shù)的 93.2%，單位注灰量明顯減少，注漿效果理想。（2）透水

19、率迭加效應(yīng)表 2 注漿孔透水率的統(tǒng)計結(jié)果，表中數(shù)據(jù)表 明，區(qū)域內(nèi)序孔平均透水率 10.06 lu，表明原始地層裂隙發(fā)育，透水性強，經(jīng)序孔注漿后，序孔平 均透水率 1.03 lu，為序孔的 10.2%；經(jīng)、序孔兩次注漿迭加后，序孔平均透水率 0.37 lu，透水 率為序孔的 3.68%，序孔中所有注漿段透水率均小于 3 lu，有 95.9%的注漿段透水率小于 1 lu，具 有良好的注漿堵水效果，各次序孔透水率頻率曲線 及累計曲線圖更直觀地反映了各次序孔之間透水率的遞減關(guān)系，詳見圖 4（b）。5.2 注漿效果離散性分析變異系數(shù)在巖土工程界常被用來對大量的實 驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。研究發(fā)現(xiàn)，將該參數(shù)引

20、入帷 幕注漿工程質(zhì)量評價工作中具有直觀的工程意義。 因此，此次中關(guān)鐵礦帷幕注漿效果成果分析研究過 程中也引入了該參數(shù)。通過對各序孔單位注灰量及透水率統(tǒng)計結(jié)果 計算（計算過程見下式）求得的變異系數(shù)見表 3。該 表中數(shù)據(jù)反映各序孔單位注灰量和透水率之間的 離散性。變異系數(shù)越小，說明各鉆孔單位注灰量和 透水性分布區(qū)間越集中，即反映了隨著注漿工序的 進行，地層裂隙由不均一向均一轉(zhuǎn)變的過程。計算公式：式中： 為變異系數(shù)； 為單位注灰量平均值；n 為數(shù)據(jù)個數(shù)； 標準差。由表中數(shù)據(jù)可以看出，序孔透水率離散性較 大，說明該區(qū)域原始地層裂隙分布差異性較大，地質(zhì)情況復(fù)雜，巖層裂隙及其透水性不均一，注漿后 離散系數(shù)

21、變小，反映出注漿后地層中貫通裂隙被水 泥封堵，透水性有所減小且較為均一，說明帷幕注漿的封堵效果理想。6 結(jié)論對邯鋼集團中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程，采用井間 電阻率成像技術(shù)探測及注漿施工綜合資料分析研 究得到了以下結(jié)論：（1）首次采用井間電阻率成像物探技術(shù)對帷幕 注漿施工質(zhì)量進行探測，證明了該方法的可行性和先進性，同時取得了較好的技術(shù)效果。井間電阻測試成果反演圖可以清晰地反映：注漿施工完成后，巖層中形成連續(xù)水泥幕墻體的綜合效果，尤其是裂隙及巖溶結(jié)構(gòu)中漿液充填的密實程度，也可以通過 面積計算初步判斷堵水率。（2）通過注漿資料統(tǒng)計分析，單位注灰量及鉆 孔透水率具有明顯的疊加遞減效應(yīng)，序孔單位注 灰量為 序

22、 孔 的 13.6%； 序孔平均透水率 0.37lu，為序孔的 3.68%。綜合計算結(jié)論是：堵水率80%，透水率 2 lu，滿足業(yè)主提出的設(shè)計要求。（3）采用地質(zhì)數(shù)學(xué)理論對帷幕墻體注漿效果進 行了分析，分析結(jié)果表明鉆孔單位注灰量及透水率 變 異 系數(shù)明顯減小， 序孔透水率離散系數(shù)為 0.234。反映出漿后地層中貫通裂隙被水泥封堵，巖 層透水性有不均勻性向均一的轉(zhuǎn)變過程，說明帷幕注漿封堵達到了理想效果。= /n（6）i i = 1 =（7）nn參考文獻：1 邯鋼集團沙河市中關(guān)礦業(yè)有限公司中關(guān)鐵礦帷幕注漿工 程施工設(shè)計r. 華北有色工程勘察院，2008.2 孫釗.大壩基巖灌漿.北京：中國水利水電出

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24、na lys is of unit a mount of pla s te r inje ction a nd rock pe rme a ble ra te0.8691.6220.6470.9700.5720.234勘探.地震學(xué)報j, 1997, 19: 655- 663.7 hiromasa shima ,2d and 3d resistivity image reconstruction using crosshole data j . geophysics , 1992 , 57 （10） :1 2701 281.8 daily w, owen e. cross2borehole re

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