缓倾薄层弱结构松动圈声波测试时测孔布置的理论依据与验证

陈庆发^{1, 2}，周科平¹，胡建华¹，龙腾腾¹

 (1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁，530004)

摘  要：从层状岩体的力学特性、声波在层状岩体中的传播规律、围岩塑性区和剪裂区的分布特征3个方面，对缓倾薄层弱结构松动圈声波测试测孔布置的理论依据进行研究，提出声波测孔布置3项基本原则，即：巷道两帮测孔顺层布置；顶底板测孔垂直于岩层布置；塑性区和剪裂区较大部位加大声波测孔控制深度。基于测孔布置的理论和原则，在工程中合理设计声波测孔布置方式。基于测孔布置的理论和原则，在某矿山巷道松动圈声波测试时改进声波测孔布置方式。测试结果表明：顺层和垂直于岩层的测孔布置方式获得的纵波波速v_p与孔深L的曲线规律明显，克服了常规布置方式带来的v_p-L曲线无序变化的缺陷，可容易确定出倾斜薄层弱结构松动圈范围。

关键词：缓倾薄层弱结构；松动圈；声波测孔

中图分类号：TD322.4         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)05-1406-05

Theory basis and practice of acoustic measuring boreholes arrangement

for broken rock zone in gently inclined thin layer weakness structure

CHEN Qing-fa^{1, 2}, ZHOU Ke-ping¹, HU Jian-hua¹, LONG Teng-teng¹

 (1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. College of Resources and Metallurgy, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract: Theoretical basis of the acoustic measuring boreholes arrangement for broken rock zone test in gently inclined thin layer weakness structure was studied through analyzing the mechanical characteristics of layered rock mass, the propagation rule of acoustic and distributions characteristics of plastic zone and slip zone in layered rock mass. And three principles of the acoustic measuring boreholes arrangement were proposed, i.e., the measuring boreholes in two sides were parallel to the strata, the measuring boreholes in the roof and floor perpendicular to the strata, and the controlling depth of the measuring boreholes in the scope of the large plastic zones or the large slip zones should be increased. When the broken rock zone of roadway was tested by the acoustic way in a certain mine, the acoustic measuring boreholes arrangement mode was improved on the basis of the theory and principle. In the engineering, the acoustic measuring boreholes arrangement mode was designed reasonably based on its theory and principles. The results show that the v_p-L curve obtained by new arrangement mode through measuring boreholes parallel and perpendicular to the strata has a very good regularity and overcomes the flaw of the v_p-L curve disorder change caused by conventional arrangement mode. The improved arrangement mode can determine the scope of the broken rock zone in the gently inclined thin layer weakness structure quickly.

Key words: gently inclined thin layer weakness structure; broken rock zone; acoustic measuring boreholes arrangement

围岩松动圈范围是进行巷道围岩稳定性评价和进行巷道支护设计的重要依据^[1]。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^[1]。声波测试方法的单孔测试法测试过程简单，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^[2-5]。缓倾薄层弱结构^[6]由于存在软弱夹层和节理面，与均质岩体相比，其力学特性、塑性区和剪裂区分布特征等有很大差别，会使得缓倾薄层弱结构中围岩松动圈的形态和范围与常规均质岩体中巷道松动圈有很大差别，若继续沿用常规测孔布置方式，则可能使声波测试获得的纵波波速v_p与孔深L曲线出现无序变化，不利于结果分析，甚至无法确定松动圈的范围，从而影响围岩稳定性评价和支护设计参数的选取。目前，人们对于该类矿(岩)体中采矿工艺和工程稳定性研究较多^[7]，而对松动圈声波的研究较少。

1  缓倾薄层弱结构中声波测孔布置的理论依据

1.1  层状岩体力学特性

若视岩体为弹性体，则可由单元体的运动方程推导出纵波计算公式^[5]：

从式(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^[8]：

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，如图1中的曲线1所示。但式(2)仅仅考虑了各向异性，没有考虑层面的影响。曾纪全等^[9-12]的研究表明，层状岩体弹性模量的最小值出现在倾角为40?~60?时，如图1中的曲线2所示。所以，曲线1只是1种特殊情况。

图1  弹性模量与岩层倾角的关系

Fig.1  Relationship between elastic modulus and dip angle of rock stratum

1.2  声波在层状岩体中传播规律

层状岩体层理结构面及其层间充填物导致岩体声阻抗存在差异，使得声波在其中的传播具有很大的方向性^[13-15]。当超声波纵波以角度α横穿层理结构面传播时，产生了反射和折射，且层理结构面的横向导波和纵向阻波作用增加了纵波在岩体内的传播时间，波速衰减较快；层数愈多，衰减速度越快。层间充填物的存在也加剧了声波的反射和折射，加速了波速的衰减。

a. 当α=0?时，声波平行于层理结构面传播，波速变化只受该岩层岩性控制。若沿岩层内布置声波测孔，则声波测试的结果反映了围岩在该层岩体区域内松动范围，能够取得理想测试结果。

b. 当α=90?时，声波垂直于层理结构面传播，层理面及层间充填物对波速变化产生较大的不良影响，但从整体上来看，这种不良影响对波速变化的影响有周期性，比较容易识别。

c. 对于其他角度，声波测孔受层理面和层间充填物的不良影响较大，结合层状岩体力学特性可知，这些角度的测孔布置并不可取。

1.3  围岩塑性区和剪裂区分布特征

层状岩体由于其岩体结构效应，使其塑性区分布与常规均质岩体有很大差别，而分析层状岩体塑性区和剪裂区分布特征对于声波测孔布置具有重要意义。若巷道断面形状不是圆形，则其塑性区和剪裂区很难利用解析法求解。初始地应力场及其二次应力场分布复杂，开挖存在偏压力拱效应，往往会形成独特的剪裂区。采用离散元程序对缓倾薄层弱结构中巷道开挖进行数值模拟，断面形状采用该类岩体中典型巷道断面形状，围岩塑性区和剪裂区分布如图2所示。

H为孔高；L为孔宽

图2  围岩塑性区和剪裂区分布特征

Fig.2  Distributions characteristics of plastic zone and  shear zone

从图2可知，巷道顶底板塑性区基本呈倒扇形，由于底板暴露面积大于顶板暴露面积，导致塑性区范围大于顶板范围。巷道左侧塑性区分布范围远大于右侧塑性区分布范围，有明显的岩层结构效应。剪裂区主要分布在顶底板，范围为塑性区的1.5~2.0倍。顶板剪裂区偏压拱效应较明显，底板剪裂区基本以底板中线呈对称分布，偏压拱效应并不显著。缓倾薄层弱结构塑性区和剪裂区分布特点对于其松动圈测试的声波测孔布置方式和布置深度起很重要的控制作用。

2  缓倾薄层弱结构中声波测孔布置原则

对缓倾薄层弱结构声波测孔布置的理论依据进行分析，结果表明，缓倾薄层弱结构中松动圈声波测试测孔布置应遵循3项基本原则。

a. 巷道两帮测孔顺层布置。在一般情况下，在断面内边墙高度范围内，至少布置2排测孔，也可根据工程复杂情况适当增加测孔。施工中需采取一些校准措施，以严格控制测孔的倾斜度。

b. 顶底板测孔垂直于岩层布置。在条件许可时，可以顶底板中线测孔为对称轴对称布置2排测孔。

c. 在塑性区和剪裂区较大部位加大声波测孔控制深度。

对于缓倾薄层弱结构的顶底板和巷道下山岩层内声波测孔，可适当加大控制深度。若上山岩层受相邻工程结构布置影响较大，则上山岩层内声波测孔也应适当加大控制深度。至于具体深度，依工程实际而定。

3  工程实践

3.1  工程背景

某石膏矿床产于第3纪断陷盆地，属于内陆湖相沉积矿床。7号矿体为主矿体，呈缓倾斜薄层状产出，层理结构特别发育。岩层倾角约为16?，则层厚多为20~80 cm，以厚度25 cm居多，岩层内有平均0.5条/cm的平行微节理，层与层之间具有沉积形成的弱软夹层。软弱夹层通常由泥岩、泥质页岩、岩屑等构成。自建矿以来，该矿一直采用沿矿体走向的巷道式采矿法进行采矿，由于采场巷道与运输巷道断面尺寸较大，顶板岩层易于离层断裂冒落。为了确定缓倾薄层弱结构中巷道围岩的支护参数，需对矿山的松动圈声波进行测试。

3.2  工程试验

依据缓倾薄层弱结构松动圈声波测试测孔布置理论和原则，工程中采用改进的声波测孔布置方式，如图3所示。本次声波测试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3.0~4.0 m，孔径为50 mm，孔内注满水。测试时，将探头1次送到孔底，由里往外逐点(每次往外抽出200 mm测1点)进行测量，并不断往孔内注水，以保证传感器与孔壁岩体良好耦合。这里仅以某巷道的3号断面巷道壁左下测孔和底板测孔的声波测试结果进行分析，所得的v_p-L曲线如图4所示。

图3  缓倾薄层弱结构中声波测孔布置方式

Fig.3  Acoustic measuring boreholes arrangement mode in gently inclined thin layer weakness structure

1—左下测孔；2—底板测孔

图4  左下测孔与底板测孔的围岩纵波速度v_p与孔深L的关系

Fig.4  Relationships between v_p and L for lower left measuring borehole and floor measuring borehole

由图4可看出，采用改进后的声波测孔布置方式，巷道壁上测孔的v_p-L曲线有明显的v_p升高区，松动圈较容易判定(约为2.2 m)；底板测孔的v_p-L曲线变化出现较有规律，v_p出现间隔性降低现象，反映了结构面层理以及泥质夹层的声阻抗比完整石膏层的声阻抗大。若将这些异常低的v_p省去，则可以较快地判定松动范围(约为1.7 m)。整体上看，由于岩体的结构效应，底板松动范围要比巷道壁松动范围小。

3.3  对比试验

为了分析改进的声波测孔布置方式的合理性，按照传统的声波测孔布置方式，在3号端面左下测孔附件位置布置1个水平测孔。测得的v_p-L曲线如图5所示。由图5可知，由于微观节理弱面及其层理弱面和厚度不等的泥质夹层等不利影响，其v_p-L曲线无序变化，说明声波测孔布置方式对声波测试数据影响较大，较难确定松动圈范围。

图5  传统测孔布置方式得到的围岩v_p-L曲线

Fig.5  Relationship between v_p and L for lower left measuring borehole using conventional mode

4  结  论

a. 从层状岩体的力学特性、声波在层状岩体中传播规律、围岩塑性区和剪裂区分布特征这3个方面，研究了缓倾薄层弱结构松动圈声波测试测孔布置的理论依据。

b. 提出了缓倾薄层弱结构中松动圈声波测试测孔布置的巷道两帮测孔顺层布置、顶底板测孔垂直于岩层布置和塑性区和剪裂区较大部位加大声波测孔控制深度的3项基本原则。

c. 采用改进的测孔布置方式获得的v_p-L曲线规律明显，克服了常规布置方式带来的v_p-L曲线无序变化的缺陷，可迅速确定出倾斜薄层弱结构的围岩松动圈范围。

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收稿日期：2008-08-17；修回日期：2008-11-23

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BAB02A02)；广西大学科研基金资助项目(X061068)

通信作者：陈庆发(1979-)，男, 河南郸城人，博士研究生，从事矿山岩石力学和采矿环境再造理论研究；电话：0731-88879965；E-mail: chqf98121@163.com