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      峒室围岩松动圈震波探测技术与应用
      信息来源:网站编辑部   添加日期:2013-11-13   浏览次数:2608

      张平松,刘盛东,吴荣新,郑刘根
        (安徽理工大学资源与环境工程系,安徽 淮南)

        摘 要:简要介绍了利用地震波进行巷道围岩松动圈测试与解析的原理和方法技术。通过在煤矿巷道松动圈震波测试的应用实例,说明了单孔检层与跨孔CT方法是一种有效的围岩松动圈测试方法。
        关键词:松动圈;测试;地震波;围岩
      1 引言
        峒室开挖后破坏了岩体的原始应力状态,峒室表面将产生收敛位移,而岩体内部将产生松驰变形。松驰变形范围的量测称为松动圈测试。它可测定岩体内部不同部位的变形情况,判断松驰带宽度,以指导设计和施工。松动圈形态、大小是分析围岩稳定、计算岩体荷载,确定锚喷支护范围和厚度以及衬砌支护方式的一个重要参数。以往,松动圈测试均采用多点位移测量和声波测试的方法,应用多点位移计及岩体声波测试仪进行测试。由于受多点位移测量的精确性限制以及声波测试能量的有限性,使得测试任务相当繁重,且成功率较低。目前采用自行开发研制的矿井智能资源探测仪,其探测模块中松动测试功能可专门用于巷道围岩松动圈探测。其测试目的性强,测试方法简单。
      2 仪器测试及解析原理
        地震波在不同性质岩石中传播时,具有不同的传播速度,即使在同一岩层中,由于岩石强度、孔隙度、密度的差异,地震波传播的速度也不同。巷道开挖后,其围岩受力条件发生了变化,在应力作用下,围岩将发生松动变形,从而在新的受力条件下,重新实现应力分布与平衡。这样松动圈形成前后岩层的波速值将会发生明显的改变,通常在巷道边界近区的岩体波速要小于原岩波速。因此,在巷道峒室的不同位置,求出岩层波速沿孔深的变化曲线,即可按曲线形态推求松动圈和应力集中区的范围。具体来说,峒室围岩波速曲线变化的形态,一般有几种类型。(图1)

      震波探测速度曲线类型示意图
      图1 震波探测速度曲线类型示意图
      1-松动区;2-应力升高区;3-原始应力状态

        图la峒壁附近波速较低,表示此处岩体松动;深度继续增加会出现一个高速区,即为应力集中区;再深,接近完整岩体波速,即为原始应力状态。图lb峒室壁附近波速较高,表示岩体坚硬完整,仅出现应力集中区,无松动区域。图1c波速接近完整岩体波速,并从峒室壁向内无明显变化,表示无松动区和无应力集中区。图1d峒室壁附近出现松动区,且范围较大,再深,波速接近完整岩体波速,无应力集中区。
        这种结合波速曲线判定松动圈和应力集中区范围的方法,实质是基于地震波波速测试原理,它是直接利用纵波的到时拟合直线,进行层速度对比与判断。计算时根据全孔的波形数据,对整个记录拾取波初至时间t,结合检波器进入孔中距离即传播路程OS,利用波速V=dh/dt,可求出各判层地震波速度值。其中dh为深度差,也是测试时传感器移动的步距,dt为到时差,一般步距dh≤O.2 m,通常激发点与孔口距离x近于O。进一步可得出不同直线斜率即各区带速度Vi,(图2b)并得到t-V及h-t曲线图即垂直时距曲线图,利用各介质波速差异及其分布特征,结合围岩岩性变化,从断面各个孔的波速分布上进行峒室围岩松动范围界定。

      装置图及垂直时距曲线图
      图2 装置图及垂直时距曲线图
      a-测试装置图;b-测试速度及时距曲线

      3 测试工程布置
      3.1 单孔波速检层
        震波围岩松动圈测试可采用多种方法进行。通常来说,单孔波速检层是较快速经济的一种方法,该方法选取有代表性的地质断面,按照松动圈发育的一般规律,在断面的不同位置上用小孔径煤电钻打出3~6个浅孔,孔深与岩性、峒室断面的大小、掘进方式有关,总的要求孔深是以穿透松动厚度O.5m为宜。在每个孔中使用贴壁式速度或加速度检波器,在孔边由外向里用小锤或震源枪激发高频地震波,逐点进行激发和接收,得到一组由浅到深的孔中震波波形数据。与正常岩层相比,地震波在松动层中传播时一般表现为波速低、频率低等特征,解析时可将每孔的单道波形记录按由浅入深的顺序解编,通过对纵波到时判读确定各层波速值,结合岩层岩性的变化,从而进行松动圈分析。
      3.2 跨孔CT技术
        实际探测中使用的检测方法还有跨孔CT技术。跨孔是在一孔中激发,相邻的另一孔中放置检波器逐点接收,得到相应顺序的波形数据,利用仪器配套的解析软件对各道波形拾取纵波到时,经BFT法、SIRT法叠代反演进行CT数据分析、成图并获得解析结果。此测试方法准确度较单孔检测高的多。两种方法的具体布置见图3。为了解释的可对比性,松动测试通常进行两次,即在峒室原始应力状态下测得基础数据,为未受采动影响的松动状态;在巷道压力稳定分布,新的松动范围形成后进行第二次测试,获得受采动影响的围岩松动圈,前后波形数据的对比可得到精确的围岩松动范围。

      围岩松动测试布置
      图3 围岩松动测试布置

      4 工程实例
      4.1 单孔检层实例
        淮南新集某矿1602面机巷在松动测试过程中选取了巷中不同位置的两个断面,并在断面顶部、上角点及煤帮布置了6个测孔进行单孔测试。钻孔孔径要求一般为φ42mm左右,可以让滑块检波器自由进出。在间隔一年时间里先进行背景测试及2次测试。通常采样时两次仪器技术参数尽量保持一致,包括采样问隔、采样通频带、道增益等值,同时应保证检波器移动距离的一致性,增强两次测试的对比程度。该断面测试采样间隔和采样频带分别选为20μs和100~500Hz。图4是测试孔具体布置及松动范围解析结果,图5是选取的断面1中孔3的前后两次波形记录及波速结果。可以看出,松动带厚度基本为1.6~1.8m之间,因此可取该巷道围岩松动圈厚度为1.8m,来作为选取支护方式及支护材料的依据。

      断面1测点布置及解析结果图
      图4 断面1测点布置及解析结果图

      图5 断面1中孔3两次测试波解释

      4.2 跨孔CT实例
        对跨孔CT测试方法的要求相对较高,因为其必须在一个孔中进行震波激发,在测试过程中采用自制的孔中震源,按不同顺序进行各点激发,获得不同激发点位的波形数据,并对此进行CI数据反演与解析。图6为淮南某矿井下巷道断面的现场测试布置与CT解析图像,从图中可以明显得出松动圈的分布范围为1.5~2.2m。

      淮南某矿井下巷道断面的现场测试布置与CT解析图像
      图6 淮南某矿井下巷道断面的现场测试布置与CT解析图像

      5 结语
        a.围岩的松动圈测试是矿井安全生产必不可少的工作任务,松动圈范围直接与巷道支护选型密切相关。与其他方法相比,采用矿井智能仪的松动测试功能确定松动圈范围,其精度较高,且使用方便快捷,通常若干个单孔检层获得的松动数据即能满足现场测试精度要求。
        b.单孔或跨孔松动测试数据采集时,往往采用较小的采样间隔,通常为20~50μs,目的是增加对波形的分辨能力。便于对地震波组的到时拾取。在有条件的情况下,尽量对波形数据中纵、横波到时都进行判读,并进行波速(Vp、Vs)分析,从而增强数据可对比性,利于提高解析精度。
        c.贴壁式检波器在向里传动过程中,必须保证其与孔壁的耦合,从而获得有效的地震波。锤击点离孔口相对较近,同时必须精确控制检波器移动步距,一般在O.1-0.2m左右,力求减少人为误差。
        参考文献
        [1] 刘盛东,吴军,张平松.地下工程震波技术与应用[j].中国煤田地质,2001.
        [2] 孙毅,孙亚南.测定围岩松动圈的折射波探讨[J].铁道建筑技术,2000.
        [3] 刘天放,李志聃.矿井地球物理勘探[M].北京:煤炭工业出版社,1993.


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