岩体超声波测试探头耦合方法的改进

韩 震，张德琦，吴 强，郑旭辉

(1.辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2.国网辽宁省电力有限公司 抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)



岩体超声波测试探头耦合方法的改进

韩 震1，张德琦1，吴 强2，郑旭辉1

(1.辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2.国网辽宁省电力有限公司 抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)

简述了超声波测试岩体松动圈的方法，通过超声波反射率理论分析了探头耦合的作用机理，讨论了水耦合探头遇到仰孔、吸水膨胀孔、水渗漏严重孔等时存在的问题；对封口注水耦合法、乳膏类耦合法、囊耦合法进行了对比分析，提出了一种三胶囊超声波探头耦合方法，并成功应用于中煤平朔煤业责任有限公司的工程实践中。应用结果表明，该方法简单、方便、易行。

松动圈； 耦合； 测试； 巷道； 超声波

1 岩体超声波测试与围岩松动圈

超声波测试技术是近年来迅速发展的一项新技术，是弹性波测试方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论。超声波测试技术是以人工激振的方式向介质(岩体、混凝土构筑物等)发射超声波，在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的超声波，通过观测和分析超声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的相关问题，诸如岩土体的稳定性评价、地下工程围岩分类及松动圈的探测、基桩完整性测试等[1]。尤其是，基于声波测试技术的围岩松动圈的探测在巷道通过陷落柱、破碎带施工、软岩支护等方面发挥了重要作用[2-3]。

当超声波在煤岩体中传播时，发生几何衰减和物理衰减，在煤岩体中不同力学性质的结构面上发生散射、折射和热损耗等物理现象，使超声波能量不断衰减造成波速降低。利用波速随围岩体裂隙发育而降低、随应力的增大而加快的特性，测试超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度，根据波速的变化便可确定围岩的松动范围。杨旭旭等[4]对获得围岩松动圈范围的理论方法和多种物理测试方法进行了研究，认为基于岩体超声波测试技术的松动圈理论对煤矿的生产和安全起到了巨大的作用。

2 岩体超声波的反射与透射

当超声(纵)波在传播过程中遇到两种界面的分界时会产生反射和折射现象，所以超声波探头与测试围岩的接触处，即超声波发射点、接收点必须保证超声波的反射率足够小，透射率足够大，以防止波的衰减影响信号的接收。

超声(纵)波速度与反射率R的计算式如下[5-6]：

(1)

(2)

Z1=ρ1vp1

(3)

Z2=ρ2vp2

(4)

式中，vp为超声(纵)波速度，m/s；E为介质的弹性模量，kN/m2；ρ为介质的密度，kg/m3；μ为泊松比；R为反射率；ρ1、ρ2分别为第一种介质和第二种介质的密度，kg/m3；vp1和vp2分别为超声(纵)波在第一种介质和第二种介质的速度，m/s；Z1、Z2分别为超声(纵)波在第一种介质和第二种介质的波阻抗，kg/(m2·s)。

式(1)表明，超声(纵)波通过岩体的速度取决于岩体本身的密度、弹性模量和泊松比。由于岩体破碎后的密度、弹性模量明显降低，因此可通过超声(纵)波速度了解岩体的完整性。

当超声波在同一种介质中传播时，Z1=Z2，R=0，表明传播中超声波衰减可略；当超声波由疏介质进入密介质中传播时，Z1≫Z2，R≈1，表明超声波会发生全反射，透射波衰减为0。由于空气和岩体的密度相差极大，所以超声波探头的发射、接收点必须耦合处理，一般的耦合介质为水。

3 水耦合常见的问题

为实现超声波探头的水耦合，测量钻孔内至少在探头附近应保证有水充分耦合。但是，在以下情况下难以实现充水耦合，致使松动圈的测试无法实施。

(1)在钻进测孔的过程中，围岩被扰动，产生许多新裂隙，易与已支护的锚杆产生的裂隙贯通，致使测孔中的水流失严重，影响测试结果。为保证测试过程中孔内有连续不断的水耦合，往往采用注高压水，但由于水压不稳定，影响测试结果[7]。

(2)采用仰孔测试巷道顶部围岩时，探测孔内水受重力作用会外流，致使端部耦合失效。

(3)岩体破碎、探测孔壁渗漏严重时，不论是俯孔、平孔还是仰孔，耦合程度会随着注水量的增加而降低，无法保证有水充分耦合。

(4)岩体遇水塌孔时，时常因探头卡在岩屑中而难于移动，甚至造成缆线拽断现象的发生。

(5)当岩体中所含的蒙脱石、伊利石、高岭土等矿物遇水膨胀时，时常将探头包裹在测孔中，使探头难于移动，甚至造成缆线拽断、探头卡死等现象的发生。

4 探头耦合的方法与改进

4.1 封口注水法

封口注水法的基本思路是把测量孔的外端口或接近探头处用一种装置封死，形成孔内部分或全部封闭的充水空间，以保证探头的耦合。封口注水法对解决无渗漏、膨胀问题的仰孔较为适宜。蒲成志等[8]提出将耦合水封闭在探头有效测试范围内的设计思路 ，并据此设计孔内堵水方案，研制出一种新的孔内堵水测试装置。孔内堵水测试装置如图1所示。这种孔内堵水装置使钻孔内耦合水集中在探头所处钻孔长度范围内，因而能够有效控制耦合水在钻孔内的渗流面积与散失速率，进而达到测试工作中探头被耦合水完全包裹的目的，使声波信号的稳定性满足测试要求。

图1 孔内堵水测试装置

4.2 采用乳膏类耦合剂的耦合法

乳膏类耦合剂黏度大，流动性小，在测孔内不能自行流动与渗出，因此采用乳膏类耦合剂也可实现较好的耦合，如甘油等[9]。但是，乳膏类耦合剂不便在矿山钻孔内使用，而且不能重复利用，成本相对较高。

4.3 单胶囊耦合法

单胶囊耦合法的基本思路是用薄壁胶囊包裹探头，在胶囊内充水实现探头耦合。利用胶囊内水的 “充”、“放”，实现探头的固定与脱开。在该方法中耦合水不直接接触孔壁，因此可有效地解决破碎带测孔的渗漏、塌孔问题和遇水膨胀包裹探头问题，是适应各种测试条件的有效方法。石建梁等[10]提出了用充水胶囊的设想，并在西安某工程勘察工地上的两个相距3.65 m、深度均为 20.0 m 的钻孔中，用 SYC 2型非金属超声测试仪做了对比实验。充水胶囊耦合示意图如图2所示。实验结果表明，采用该方法和装置完全可以高效、低成本地实现干孔的(超)声波测试。

图2 充水胶囊耦合示意图

该方法水箱固定、胶囊固定均比较困难，对巷道围岩松动圈很难采用小孔进行测量。

4.4 三胶囊超声波探头耦合方法

新型胶囊定位与耦合示意图如图3所示。

图3 新型胶囊定位与耦合示意图

本设计采用如图3所示的三胶囊结构，孔内工作胶囊注有一定量的水，调节胶囊受孔外供水胶囊的控制，通过调节充水量实现探头的定位与脱离。该结构简单，无需供水泵，可实现干孔、遇水膨胀、遇水塌孔等各种复杂环境的(超)声波测试 。

5 应用实例

中煤平朔煤业责任有限公司2号井9煤中央回风巷穿越陷落柱段，巷道两帮、顶底主要是塑性指数高达58.0的黏土。实验室测定数据表明，黏土遇水膨胀、蹦解，自由膨胀率达193%。钻孔岩芯吸水前后状态对比如图 4所示。

(a) 原状岩芯 (b) 吸水后崩解的岩芯

平朔2号井9煤中央回风巷测控布置图如图5所示。采用U510非金属超声波进行了测试。初始测试时采用孔口封堵注水耦合法，测孔坍塌，膨胀严重，多次造成探头卡死，甚至发生电缆拽断的现象。

图5 平朔2号井9煤中央回风巷测控布置图

4#钻孔三胶囊耦合与注水直接耦合测量数据对比如图6所示。先期采用注水直接耦合，从孔深4.0 m向外每0.2 m测一次数据，测到孔深2.6 m处测孔已将探头抱死，电缆被拽断，测量被迫中断。后期采用如图3所示的三胶囊超声波探头耦合方法，在原测孔旁0.5 m处重新开孔，测得全孔完整数据。由于采用三胶囊耦合，后期整条巷道声波测试十分顺利，并为该矿采用“钢管混凝土支架+金属网+喷混凝土”支护方案的确定与数值模拟奠定了基础[11-12]。

图6 4#钻孔三胶囊耦合与注水直接耦合测量数据对比

6 结 论

工程实践表明，三胶囊超声波探头耦合方法可以解决仰孔、渗漏孔、遇水坍塌孔、遇水膨胀孔等无法有效偶合的岩体(超)声波测试问题。该方法简单、方便、易行，具有一定的推广价值。

[1] 史永东，张凯，赵海军.弹性波测试技术在巷道围岩松动圈测试中的应用[J].有色矿冶，2002，18(6)：1-4.

[2] 石永，张德琦.辛置煤矿310轨道巷围岩破裂范围研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10(6)：103-109.

[3] 孟庆斌，门燕青，杨以明，等.巷道围岩松动圈支护理论及测试技术[J].中国矿山工程，2010，39(3)：47-51.

[4] 杨旭旭，王文庆，靖洪文.围岩松动圈常用测试方法分析与比较[J].煤炭科学技术，2012，40(8)：1-6.

[5] 刘清华，用惠更斯原理和边界条件讨论波的反射和透射现象[J].邢台学院学报，2011，26(2)：178-179.

[6] 刘剑飞.超声波测试技术及其在铁路工程质量检测中的应用研究[D].北京：中国地质大学(北京)，2005.

[7] 吴涛，戴俊，杜美利，等.基于声波法测试技术的巷道围岩松动圈测定[J].煤矿安全，2015，46(1)：169-172.

[8] 蒲成志，张春阳，黄永恒.仰孔中声波法测试围岩松动范围的孔内堵水技术[J].南华大学学报(自然科学版)，2015，29(2)：25-29.

[9] 马世辉，李小棒.焊接检测技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[10] 石建梁，师亚芹.干孔中的跨孔法(超)声波测试[J].西安工程学院学报，1999，21(1)：75-76.

[11] 张德琦，王子君，杨晓晨，等.平朔2号井工矿陷落柱内巷道变形与处理[J].煤矿安全，2011，42(5)：147-150.

[12] 赵龙，张德琦.基于ANSYS的钢管混凝土支架注浆孔位的分析[J] .辽宁石油化工大学学报，2015，35(1)：54-57.

(编辑 宋锦玉)

Improvement on the Coupling Method for Rock Ultrasonic Probe to a Test Piece

Han Zhen1, Zhang Deqi1, Wu Qiang2, Zheng Xuhui1

(1.LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China;2.FushunPowerSupplyCompany,StateGridLiaoningElectricPowerCompany,FushunLiaoning113008,China)

A brief description of using ultrasonic was given to test loosened rock circles and the existing problems were discussed such as uphole, suction expansion hole and water leakage hole presented in the water coupling testing through the analysis of the mechanism of probe coupling based on the ultrasonic reflectivity theory. It was compared and analyzed that the method of sealing water injection, coupling methods of cream coupling agent, capsule ultrasonic probe and a new coupling method of three-capsule ultrasonic probe was proposed and it was successfully used in the engineering applications for Pingshuo coal industry limited liability company, China. The result showed that this method was simple, convenient and feasible.

Loosened rock circles； Coupling； Testing； Tunnel； Ultrasonic

1672-6952(2017)03-0051-03 投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-05-21

2016-10-24

辽宁省大学生创新创业训练项目(甲类)(201510148030)。

韩震(1994-)，男，本科生，矿业工程专业；E-mail：1415058734@qq.com。

张德琦(1963-)，男，硕士，教授，从事井巷施工技术及优化、安全工程方面的研究；E-mail：13841384038@126.com。

TD15

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.03.011