多孔岩石化学注浆过程中视电阻率变化试验

姜春露 ，姜振泉，刘盛东，孙强，杨彩

(1.安徽大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥，230601；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州，221116)

化学注浆是解决低渗透性岩土体注浆有效手段，已在采矿、水电、建筑、交通等领域得到推广应用[1−4]。有关化学浆液新材料的研制及其特性国内许多学者进行了试验研究[5−10]，对注浆效果的检验也进行了相关试验和大量工程实践，取得了丰富的研究成果[11−16]，但对化学浆材性能的研究多集中在其物理和力学性能方面，如流变性、凝胶时间、固化强度及结石体抗渗强度等方面。注浆效果检验方法主要有传统的注浆过程分析法、取芯检查法以及近年来发展的多种物探方法，但这些方法应用局限于注浆结束之后的注浆效果的检测，缺少对注浆过程的跟踪动态监测。在化学注浆过程中，被注介质内部电学参数尤其是视电阻率变化规律如何，能否利用视电阻率的实时动态监测来研究化学浆液的扩散规律与范围以及视电阻率变化程度如何反映浆液充填效果，国内目前对此研究较少。根据前期相关试验结果，在化学浆液渗透扩散过程中，被注介质自然电位显著下降，激励电流则发生跃升，反映出较高的灵敏度。基于这一研究成果，同时也借鉴国内外相关问题的试验研究经验，本文作者通过室内模型试验，利用视电阻率变化信息，研究化学注浆过程中浆液扩散规律及浆液充填效果，以期能为注浆过程的动态监测、浆液扩散规律的研究和浆液充填效果检验提供一种新方法。

1 模型设计与试验控制

1.1 模型设计及制作

试验设计渗透注浆模型如图1所示。模型材料采用有机玻璃，外观为圆柱形，外径为70 cm，内径为67 cm，高为97 cm。模型底部中心有1个开口，装有阀门，外接水管用于注水和注浆，顶部开放，与大气相通。

鉴于直接利用大型岩石进行试验比较困难，且精度难以控制，采用河砂、水泥和水按一定比例制作模型，模拟弱胶结多孔岩石。河砂经筛分后粒径介于0.5～5 mm之间，其中粒径 2≤d＜5 mm为细砾组，0.5≤d＜2 mm为粗砂组；所用水泥为32.5普通硅酸盐水泥，试验中 m(细砾组):m(粗砂组):m(水泥)按1:4:0.4配置，模拟岩性为强渗透性砂砾岩。

试验中把河砂和水泥按比例混合之后，加入适量自来水搅拌均匀装入模型。在装入过程中进行了轻微压实，模型装好后自然干燥一周后开始试验。

采用5号电池碳棒作为电极。试验模型与电极布置如图1所示。电极自下而上依次编号为D0，D1，D2，…，D7，电极间距相同，均为11 cm；D0电极位置距模型底13 cm，电极端点距模型内壁约为5 cm；公共地电极N与公共供电负极B位于模型顶部。

图1 试验模型与电极布置图Fig.1 Experimental recording geometry and its arrangement

1.2 试验过程及控制

由于实际注浆工程多数是在饱和岩层中进行，因此，在试验中先对模型注水饱和，然后进行化学注浆。整个试验过程历时约298 min，分为注水和注浆2个阶段，其中注水过程历时98 min，注水结束约100 min后开始注浆，注浆过程历时约90 min。为考察注水和注浆渗流压力对电信号响应的影响，注水过程和注浆过程均间歇数分钟后重新恢复注水(浆液)，注水过程间歇5 min，注浆过程间歇10 min，间歇期间注水(浆)口处阀门都处于关闭状态。

模型采取轴向渗透方式进行注浆(图1)，即浆液从模型底座中心处的阀门注入后，整个径向断面成为渗透断面，浆液自底向上沿轴向方向渗透扩散。注浆过程泵压范围为45～55 kPa。

采用 NPEI网络并行电法仪[17−18]采集数据，试验开始前测取几组背景值，在注水、注浆过程连续采集试验数据，直至试验结束(结束注化学浆)。

本项试验在室内进行，试验期间室内环境温度为18～22 ℃。试验用水为自来水，所用化学浆为中国矿业大学自主研制的改性脲醛树脂浆液，分为甲液(主)和乙液(辅)，甲乙液质量比为10:3。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

利用 NPEI并行网络电法仪对试验中注水过程和注浆过程进行了动态跟踪监测，测量得到的数据经过相关程序反演并生成视电阻率剖面图。据此得到试验过程中不同时刻的视电阻率剖面图，如图 2所示(1/2纵剖面)。

由图 2可以得出：(1) 不同时刻的视电阻率剖面图形状基本相同，说明网络并行电法仪测量系统在测量中的一致性和稳定性；(2) 试验前模型中不同位置视电阻率有一定差异，中心视电阻率最高，达240 Ω·m以上，周围视电阻率较低，在100 Ω·m以下，这说明模型中不同部位孔隙度和含水率不同，可能是因为在装填模型过程中各部位压实程度有差异，导致模型中不同位置水分含量不同；(3) 试验过程中模型视电阻率都有一定程度下降，但不同阶段、不同部位下降幅度不同。在注水过程中，视电阻率下降幅度较大，所有位置基本都下降50%以上；在注浆过程中，视电阻率下降幅度较小，模型上部浆液未到达区域视电阻率基本稳定。

2.2 结果分析与讨论

为便于对比分析试验过程中模型中不同位置视电阻率在试验过程中变化规律，在视电阻率剖面图上选取A，B，…，I共9个点，其位置坐标如表1所示(坐标原点位于图1所示模型剖面的右下方，L轴指向圆心方向，M轴指向高度方向)，在模型中的位置见图1和图2。根据各点不同时刻反演得到的视电阻率数据，绘制其视电阻率时间曲线，如图3所示。

由图2和图3可见：在注水(间歇)过程中模型中各点视电阻率先是缓慢下降，之后急剧下降并稳定。在停水很长一段时间后，各点视电阻率略有上升。各点视电阻率急剧下降段正对应该点附近空隙被水饱和过程，饱和之后，视电阻率便稳定。各点视电阻率开始稳定的时间不一致，这反映了模型中不同位置水渗流达到的时间不同。如处于同一轴向线上的A点和D点相比，A点位于模型下部，仅用27 min便已稳定；而D点位于模型上部，至51 min才趋于稳定。

在注浆过程中，模型中各点视电阻率变化趋势不同，反映出各点处浆液扩散充填程度有差异。由图 3可以把9个点视电阻率变化趋势分为3类：较大幅度下降型，如点A，B，H和I；小幅度下降型，如点C和E；基本稳定不变型，如点D，F和G。

图2 不同时刻视电阻率剖面图Fig.2 Apparent resistivity profiles at different time

考虑到由于坐标尺度范围较大，不易直观对比发现各点曲线的差异，也不便于分析注浆过程中视电阻率变化规律，为此绘出注浆过程各点视电阻率的历时变化曲线，如图4所示。

由图4(a)可以看出：注浆后A和B 2点视电阻率下降幅度较大，且A点下降幅度比B点更大，A点从45 Ω·m 下降到 26 Ω·m，B 点从 40 Ω·m 下降到 28 Ω·m。C点下降幅度较小，而D点基本稳定在注水饱和时视电阻率水平。对比分析这4个点坐标和注浆扩散范围(图5)，A和B 2点处于注浆充填区，且A点比B点更靠近注浆口，因此，A和B 2点视电阻率在注浆过程中有较大幅度下降，且A点充填效果要好于B点。C点视电阻率变化趋势说明其处于注浆影响区，即浆液扩散前锋已到达C点，但受水稀释，浆液浓度降低，其注浆充填效果较A和B点处差。D处于非注浆区，因此，其视电阻率基本稳定在注浆之前水平。

由图4(b)可见：H和I点视电阻率下降幅度较大，E点略有下降，F点基本稳定在注浆前水平。因此，可以判断出H和I点处浆液充填良好，E点处于浆液扩散影响部位，而浆液基本未扩散至F点。

图3 视电阻率时间曲线Fig.3 Resistivity−time curve of measuring point

表1 9个点在模型中位置坐标Table 1 Location coordinates of 9 measuring points in model

图4 注浆过程中视电阻率变化曲线Fig.4 Resistivity−time curve of measuring point in grouting process

由图4(c)可见：C和E点视电阻率略有下降，F和G点视电阻率基本稳定。由于C，E，F和G点处于同一高度，因此，可以判断出在模型中心和周围处浆液扩散速度和距离是不同的，即模型中心浆液扩散高度略低于周围高度。

根据以上各点视电阻率变化，基本可以判断出浆液在模型中的扩散范围，浆液渗透所及位置与图5所示的浆液扩散位置大致吻合。

图5 浆液扩散位置Fig.5 Position reached of grout

由图5可知：化学浆液在孔隙介质中的渗透扩散是比较均匀的。模型边缘部位浆液渗透速度之所以略高于模型中心，主要是模型边缘试样与圆筒界面的接触不是太密实，浆液渗透阻力相对较小所致。

由试验结果分析可知：试验过程中浆液扩散充填良好区域视电阻率显著降低，浆液扩散影响区域视电阻率略有降低，而非注浆区视电阻率则基本稳定。在试验过程中同时监测了模型中自然电位和激励电流的变化，结果表明自然电位和激励电流都能很好地反映出试验过程的几个阶段且能指示渗流到达位置。在注浆过程中，浆液渗流扩散到电极位置时，自然电位大幅度降低，而激励电流则迅速升高到较高值；而浆液未到达处，自然电位和激励电流都和饱水状态时一致。这说明自然电位、激励电流以及视电阻率变化与化学注浆过程中浆液的渗流及充填效果有密切的关联性，可以通过监测上述几个电性参数来深入研究化学注浆规律，控制注浆施工。

3 结论

(1) 采用大型有机玻璃模型对弱胶结岩石化学注浆试验过程中视电阻率变化进行动态实时监测，结果表明视电阻率参数既能指示浆液渗流扩散范围，也能反映浆液充填效果。

(2) 注浆工程属隐蔽工程，通过对施工过程中自然电位、激励电流和视电阻率的跟踪监测可以指导施工，进一步完善施工工艺，并保证工程质量，也为探寻可视化施工方式提供有益借鉴和思考。此外，在注水饱和过程中，模型视电阻率大幅度下降这一变化规律也为煤层底板、隧道等突水的临突预报提供一个思路。

(3) 本文对化学注浆过程中视电阻率变化规律进行了初步探讨，但如何利用视电阻率变化深入研究化学浆液渗流规律以及定量评价注浆效果等有待深入研究。

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