聲波法測試緩傾斜層狀巖體松動圈的應用研究

陳贊成，楊 鵬，呂文生，于跟波，門瑞營

（1.北京礦冶研究總院，北京100070；2.北京科技大學金屬礦床高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083）

地下空間的開挖將會擾動原巖應力狀態，造成巖體應力重新分布，產生巖石應力轉移、集中和巖石強度的降低，使周圍巖體發生變形甚至破壞。研究表明：高應力地下工程圍巖的狀態分區依次是：破裂區、塑性區、彈性區和原巖應力區。開挖空間周圍所形成的破裂區，一般是圍繞開挖空間形成環狀，其應力作用產生的環狀破裂帶稱為松動圈［1－3］。松動圈是地下工程中普遍存在的實際物理力學狀態，在礦山開采過程中，無論是巷道的支護還是空場采礦法的頂板管理，松動圈探測準確程度對礦山企業安全生產起著至關重要的作用［4－5］。圍巖松動圈厚度是圍巖應力和圍巖強度的復雜函數，其大小反映了圍巖支護的難易程度［6］。因此測試松動圈的大小具有較強的理論和實際價值。圍巖松動圈大小是進行圍巖穩定性評價和進行支護設計的重要依據。確定圍巖松動圈的方法有聲波法、地震波法、多點位移計法、滲透法、地質雷達法，但最常用的仍是聲波測試法［7］。

20世紀70年代末，長春煤炭研究所開發的“超聲波圍巖裂隙探測儀”，使聲波法得到廣泛的使用，成為一種簡便實用的圍巖松動圈的測試方法［8］。聲波探測技術是研究人工激發的聲波或超聲波，在某介質中的傳播速度和振幅衰減規律來判斷該介質的結構狀態。井下則以測定超聲波縱波的波速、波幅、頻率等特征參數及其變化規律，從而判斷巖性、密度、裂隙、軟弱夾層等狀態［9－10］。聲波測試方法的單孔測試法測試技術成熟可靠、過程簡單，易于操作，可減少鉆孔工作量，在巖石地下工程松動圈測試中被廣泛應用［11－13］。文獻［14］中以新驛煤礦西大巷為工程背景，通過合理的鉆孔布置，采用單孔超聲波測試方法對圍巖松動圈范圍進行了測試，結果表明單孔超聲波測試方法能夠快速準確地測試巷道圍巖松動范圍，具有較好的實用性和優越性。文獻［15］中基于顯德汪礦跨上山開采項目的基礎上，對破碎圍巖中進行松動圈測試，得出了破碎巷道合理的松動圈范圍，并且為類似巷道的松動圈測試提供了參考依據。

1 工程概況

平里店礦區礦床是石英脈型礦床，主要由1、2號含金石英脈帶組成。1號礦脈賦存在破碎帶中，由斷續延伸的石英脈組成，整個破碎帶寬1.8～18m，石英脈寬0.3～4m，已揭露的平均厚度僅為0.5m。礦體為緩傾斜薄礦體，走向為中部北北東向，兩端為北東向，傾向南東，傾角15°～42°，平均傾角為15°，屬于緩傾斜層狀石英脈礦床。

截至目前，近地表已采礦山形成的采空區輪廓周圍或多或少賦存著殘留礦產資源，平里店礦區也不例外，在礦山開采過程中形成的殘留礦產資源給該礦區長遠發展帶來巨大的挑戰和機遇。根據平里店礦區礦體的賦存特征及其開采技術條件，礦床采用房柱法采礦方法進行回采，在回采過程中殘留了大量的礦產資源。由于采用房柱法進行回采，為確保礦山生產的安全性，采場內殘留大量高品位點柱；由于薄礦脈采用脈內開拓的方式，回采時為確保沿脈運輸巷道的安全，預留了大量的頂柱和底柱。礦柱隨著暴露時間的效應而變形破壞，從而造成采空區冒落，并且局部擴展延伸導致地表局部塌陷，以致給礦區居民生活帶來了巨大的安全隱患，為了進行礦柱回收和采空區處理方法的試驗研究，綜合考慮平里店礦區地質條件、開采現狀、工業試驗的合理性，選定1058試驗采場為工業試驗點，進行圍巖松動圈的聲波速度測試。1058試驗采場圍巖松動圈聲波測點布置如圖1所示。

2 聲波測試巖體松動圈的原理及層狀巖體力學特性

2.1 聲波測試巖體松動圈的原理

圖1 聲波法松動圈測點布置圖

聲波的波速隨介質裂隙發育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應力增大、密度增大而增加。因此，測得的聲波波速高則說明圍巖的完整性好，波速低則說明圍巖存在裂隙，圍巖有破壞發生［14］。

目前，采用聲波測試圍巖松動圈較成功的方法主要有兩種，一種是單孔測試法，另一種是雙孔測試法。采用單孔法進行測試可減少鉆孔工作量，且測試操作過程簡單，易于把握。而雙孔測試法，鉆孔工作量較大而且其兩個探頭的平行度（同步）不容易掌握，造成測試誤差較大。故本次采用單孔聲波法進行圍巖松動圈的測試。

在測試過程中，首先在采場內確定測試點，在測試點處鉆孔，然后將圓管狀聲波探頭置人鉆孔，孔內注水以使探頭與孔壁有良好的聲耦合，然后逐點進行測試，直至各點測試完畢。實測中常常采用一發雙收的裝置，一發雙收聲測法測試原理如圖2。

2.2 聲波測試層狀巖體的力學性質

由于平里店礦區礦巖界線分明，礦巖層狀分布規律明顯，巖層之間近似于層狀各向同性材料。因此巖體松動圈測試時依據層狀巖體力學特性［16－17］，并且假設巖體為彈性體，則可由單元體的運動方程推導出縱波計算公式：

式中：νp為縱波波速；E為巖體彈性模量；ν為泊松比；ρ為巖體密度。

由式（1）可以看出，聲波波速與介質性質密切相關，這也是聲波探測技術的理論基礎。

層狀巖體屬于橫觀各項同性介質，根據Lekhnilski橫觀各向同性介質的理論可知，其彈性模量滿足下列方程：

式中：Eθ為巖層方向成角度θ的彈性模量；Eh為平行層面方向的彈性模量；Eν為垂直層面方向的彈性模量；Gν為垂直層面方向的剪切模量；νh為平行層面方向的泊松比。

由式（2）可知，巖體的彈性模量在平行于層理面方向最大，在垂直于層理面方向最小，且隨著層理面傾角增大而減小。

3 緩傾斜層狀巖體松動圈測試實踐與結果分析

根據聲波松動圈測試的原理及力學特性，結合平里店礦區礦柱回采的現狀，采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RSM－SY5超聲波非金屬聲波測試儀，用單孔一發雙收測試法，實測孔深為3.5～4.0m，孔徑為48mm，測試時，將探頭一次送到孔底，由里往外逐點（每次往外抽出200mm測一點）進行測量，并不斷往孔內注水，確保傳感器與孔壁巖體良好耦合，以保證測試數據的科學性、合理性。

鑒于測試數據及圖表太多，限于篇幅在此不做羅列，圖3為4號孔3.9m處測試所得波形。為提高測試結果的準確性，測試過程中每個測點保存了三組數據。測試結束以后，采用人工判讀的方式獲得各個測點的縱波速度，見表1。對所得到的鉆孔測點波速數據進行詳細的判讀和分析，最終得到各個測試點的Vp－L曲線，見圖4。

根據圖4可以可知：聲波探測1號孔在孔深0.7m、1.32m處波速較低，說明該處巖層已經破碎或存在裂隙，其他剩余測點所測波速在較小范圍內上下波動，說明巖層較為完整，因此，可推斷1號探測孔層狀巖體松動范圍距離孔口大約1.3m；2號鉆孔在孔深1.12m處波速明顯低于其它測點，說明此處存在裂隙或者巖層較為破碎，因此，2號探測孔層狀巖體松動圈范圍距離孔口大約1.12m；3號鉆孔在2.12m處波速出現異常，明顯低于其它測點，由此可以推斷探測孔層狀巖體松動范圍距離孔口2.1m左右；4號鉆孔在2.32m處測點波速明顯低于其余各點，說明此處巖層破碎或存在裂隙，因此，4號探測孔層狀巖體松動范圍距離孔口2.3m左右；5號鉆孔在1.92m測點處波速出現異常，而其余各點均在較小的范圍內出現波動，由此可以推斷5號探測孔層狀巖體松動范圍距離孔口大約1.3m。

圖3 4號孔3.9m處聲波波形圖

表1 松動圈聲波探測數據表（縱波速度Vp：m／s）

圖4 1058采場聲波測試測點波速示意圖

4 結論

本文應用巖體松動圈聲波測試技術測試緩傾斜殘礦巖體松動圈范圍時，結合平里店礦區工程地質條件、開采現狀及其層狀巖體力學特性，合理的布置聲波探測鉆孔位置，最終在探測實驗數據詳細、嚴密分析的基礎上，準確地確定了平里店礦區緩傾斜殘礦層狀巖體各個探測點的巖體松動圈范圍。這一研究結果，不僅為平里店礦區殘礦回采的安全性提供了保障，同時也為礦區殘礦回采方案的論證奠定了理論依據。

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