声波法测试缓倾斜层状岩体松动圈的应用研究

陈赞成，杨 鹏，吕文生，于跟波，门瑞营

（1.北京矿冶研究总院，北京100070；2.北京科技大学金属矿床高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083）

地下空间的开挖将会扰动原岩应力状态，造成岩体应力重新分布，产生岩石应力转移、集中和岩石强度的降低，使周围岩体发生变形甚至破坏。研究表明：高应力地下工程围岩的状态分区依次是：破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区。开挖空间周围所形成的破裂区，一般是围绕开挖空间形成环状，其应力作用产生的环状破裂带称为松动圈［1－3］。松动圈是地下工程中普遍存在的实际物理力学状态，在矿山开采过程中，无论是巷道的支护还是空场采矿法的顶板管理，松动圈探测准确程度对矿山企业安全生产起着至关重要的作用［4－5］。围岩松动圈厚度是围岩应力和围岩强度的复杂函数，其大小反映了围岩支护的难易程度［6］。因此测试松动圈的大小具有较强的理论和实际价值。围岩松动圈大小是进行围岩稳定性评价和进行支护设计的重要依据。确定围岩松动圈的方法有声波法、地震波法、多点位移计法、渗透法、地质雷达法，但最常用的仍是声波测试法［7］。

20世纪70年代末，长春煤炭研究所开发的“超声波围岩裂隙探测仪”，使声波法得到广泛的使用，成为一种简便实用的围岩松动圈的测试方法［8］。声波探测技术是研究人工激发的声波或超声波，在某介质中的传播速度和振幅衰减规律来判断该介质的结构状态。井下则以测定超声波纵波的波速、波幅、频率等特征参数及其变化规律，从而判断岩性、密度、裂隙、软弱夹层等状态［9－10］。声波测试方法的单孔测试法测试技术成熟可靠、过程简单，易于操作，可减少钻孔工作量，在岩石地下工程松动圈测试中被广泛应用［11－13］。文献［14］中以新驿煤矿西大巷为工程背景，通过合理的钻孔布置，采用单孔超声波测试方法对围岩松动圈范围进行了测试，结果表明单孔超声波测试方法能够快速准确地测试巷道围岩松动范围，具有较好的实用性和优越性。文献［15］中基于显德汪矿跨上山开采项目的基础上，对破碎围岩中进行松动圈测试，得出了破碎巷道合理的松动圈范围，并且为类似巷道的松动圈测试提供了参考依据。

1 工程概况

平里店矿区矿床是石英脉型矿床，主要由1、2号含金石英脉带组成。1号矿脉赋存在破碎带中，由断续延伸的石英脉组成，整个破碎带宽1.8～18m，石英脉宽0.3～4m，已揭露的平均厚度仅为0.5m。矿体为缓倾斜薄矿体，走向为中部北北东向，两端为北东向，倾向南东，倾角15°～42°，平均倾角为15°，属于缓倾斜层状石英脉矿床。

截至目前，近地表已采矿山形成的采空区轮廓周围或多或少赋存着残留矿产资源，平里店矿区也不例外，在矿山开采过程中形成的残留矿产资源给该矿区长远发展带来巨大的挑战和机遇。根据平里店矿区矿体的赋存特征及其开采技术条件，矿床采用房柱法采矿方法进行回采，在回采过程中残留了大量的矿产资源。由于采用房柱法进行回采，为确保矿山生产的安全性，采场内残留大量高品位点柱；由于薄矿脉采用脉内开拓的方式，回采时为确保沿脉运输巷道的安全，预留了大量的顶柱和底柱。矿柱随着暴露时间的效应而变形破坏，从而造成采空区冒落，并且局部扩展延伸导致地表局部塌陷，以致给矿区居民生活带来了巨大的安全隐患，为了进行矿柱回收和采空区处理方法的试验研究，综合考虑平里店矿区地质条件、开采现状、工业试验的合理性，选定1058试验采场为工业试验点，进行围岩松动圈的声波速度测试。1058试验采场围岩松动圈声波测点布置如图1所示。

2 声波测试岩体松动圈的原理及层状岩体力学特性

2.1 声波测试岩体松动圈的原理

图1 声波法松动圈测点布置图

声波的波速随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加。因此，测得的声波波速高则说明围岩的完整性好，波速低则说明围岩存在裂隙，围岩有破坏发生［14］。

目前，采用声波测试围岩松动圈较成功的方法主要有两种，一种是单孔测试法，另一种是双孔测试法。采用单孔法进行测试可减少钻孔工作量，且测试操作过程简单，易于把握。而双孔测试法，钻孔工作量较大而且其两个探头的平行度（同步）不容易掌握，造成测试误差较大。故本次采用单孔声波法进行围岩松动圈的测试。

在测试过程中，首先在采场内确定测试点，在测试点处钻孔，然后将圆管状声波探头置人钻孔，孔内注水以使探头与孔壁有良好的声耦合，然后逐点进行测试，直至各点测试完毕。实测中常常采用一发双收的装置，一发双收声测法测试原理如图2。

2.2 声波测试层状岩体的力学性质

由于平里店矿区矿岩界线分明，矿岩层状分布规律明显，岩层之间近似于层状各向同性材料。因此岩体松动圈测试时依据层状岩体力学特性［16－17］，并且假设岩体为弹性体，则可由单元体的运动方程推导出纵波计算公式：

式中：νp为纵波波速；E为岩体弹性模量；ν为泊松比；ρ为岩体密度。

由式（1）可以看出，声波波速与介质性质密切相关，这也是声波探测技术的理论基础。

层状岩体属于横观各项同性介质，根据Lekhnilski横观各向同性介质的理论可知，其弹性模量满足下列方程：

式中：Eθ为岩层方向成角度θ的弹性模量；Eh为平行层面方向的弹性模量；Eν为垂直层面方向的弹性模量；Gν为垂直层面方向的剪切模量；νh为平行层面方向的泊松比。

由式（2）可知，岩体的弹性模量在平行于层理面方向最大，在垂直于层理面方向最小，且随着层理面倾角增大而减小。

3 缓倾斜层状岩体松动圈测试实践与结果分析

根据声波松动圈测试的原理及力学特性，结合平里店矿区矿柱回采的现状，采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM－SY5超声波非金属声波测试仪，用单孔一发双收测试法，实测孔深为3.5～4.0m，孔径为48mm，测试时，将探头一次送到孔底，由里往外逐点（每次往外抽出200mm测一点）进行测量，并不断往孔内注水，确保传感器与孔壁岩体良好耦合，以保证测试数据的科学性、合理性。

鉴于测试数据及图表太多，限于篇幅在此不做罗列，图3为4号孔3.9m处测试所得波形。为提高测试结果的准确性，测试过程中每个测点保存了三组数据。测试结束以后，采用人工判读的方式获得各个测点的纵波速度，见表1。对所得到的钻孔测点波速数据进行详细的判读和分析，最终得到各个测试点的Vp－L曲线，见图4。

根据图4可以可知：声波探测1号孔在孔深0.7m、1.32m处波速较低，说明该处岩层已经破碎或存在裂隙，其他剩余测点所测波速在较小范围内上下波动，说明岩层较为完整，因此，可推断1号探测孔层状岩体松动范围距离孔口大约1.3m；2号钻孔在孔深1.12m处波速明显低于其它测点，说明此处存在裂隙或者岩层较为破碎，因此，2号探测孔层状岩体松动圈范围距离孔口大约1.12m；3号钻孔在2.12m处波速出现异常，明显低于其它测点，由此可以推断探测孔层状岩体松动范围距离孔口2.1m左右；4号钻孔在2.32m处测点波速明显低于其余各点，说明此处岩层破碎或存在裂隙，因此，4号探测孔层状岩体松动范围距离孔口2.3m左右；5号钻孔在1.92m测点处波速出现异常，而其余各点均在较小的范围内出现波动，由此可以推断5号探测孔层状岩体松动范围距离孔口大约1.3m。

图3 4号孔3.9m处声波波形图

表1 松动圈声波探测数据表（纵波速度Vp：m／s）

图4 1058采场声波测试测点波速示意图

4 结论

本文应用岩体松动圈声波测试技术测试缓倾斜残矿岩体松动圈范围时，结合平里店矿区工程地质条件、开采现状及其层状岩体力学特性，合理的布置声波探测钻孔位置，最终在探测实验数据详细、严密分析的基础上，准确地确定了平里店矿区缓倾斜残矿层状岩体各个探测点的岩体松动圈范围。这一研究结果，不仅为平里店矿区残矿回采的安全性提供了保障，同时也为矿区残矿回采方案的论证奠定了理论依据。

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