岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体波速测试中的应用

1、2006年第10期铁 道 建 筑RailwayEngineering37文章编号:1003-1995(2006)10-0037-04岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体波速测试中的应用马荣田(铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081)摘要:岩体声波测试技术是工程地质勘察和岩石力学研究的主要手段之一,目前已被国内外广泛应用。在对某大型矿山地下巷道的维护过程中,利用声波测试技术对地下巷道围岩进行了室内岩样波速测试,并采用干式单孔一发双收岩体声波测试法对地下巷道6大类围岩34个断面岩体进行了现场波速测试,通过数理统计和最大似然理论对采集的岩体波速测试数据进行了分析,得到了围岩岩体波速Vp的数字

2、特征值。关键词:声波测试 巷道 围岩岩体 波速中图分类号:TU45913 文献标识码:B2Q(1+M)+1 岩体声波测试技术的理论基础111 岩体中声波的形成13Vs=式中 Q)介质密度;(5)E)介质弹性模量;M)介质泊松比。将上述两式相除,得到纵波与横波速度比值为:VpVs=(1-2M)(6)岩体可近似地看作弹性介质,在受到一个突施力的作用(外力场)后将发生运动和形变,这种形变将以弹性波的形式在介质内传播。声波传播遵循下面的弹性波动方程:5F2Q=(K+L)ýH+LýF式中 Q)介质密度;K,L)介质的弹性系数,即拉梅系数;H)体积膨胀系数;F)介质总的位移量。介质中由

3、于弹性波传播产生的位移量(F)是膨胀位移势的梯度(ý<)与旋转位移势的旋度(ý W)的矢量和。由(1)式可推导出纵波(P波)和横波(S波)的波动方程:25<Q=(K+2L)ý<5t25 W2Q=Lý W5t22(1)从上式可见,纵波比横波传播快。对于大多数岩体,M值都在0125左右,可知VpU1173Vs。纵波和横波传播速度的差别使其空间区域随时间而变化,在某一时刻纵波总是早于横波出现。声波在传播过程中遇到岩体中不同介质的分界面时,在界面上将产生波的反射、透射和折射现象,这时声波的传播方向将发生改变。声波反射、透射都遵循Snell定律,

4、当入射角大到一定程度时,透射波将沿界面滑行形成滑行波。当滑行波沿着界面传播时,必然引起界面上各质点的振动,形成一个个新的振动源,就会发生一系列由滑行波而返回岩体表面的折射波;由于折射波将以初至波的形式出现而易于区别,目前岩体测试主要以折射波为主。112 岩体声波测试的物理基础在岩体声波测试中,由于外力的瞬时性和微弱性,岩石表现为弹性介质,声波在其中的传播是符合弹性波传播规律的。利用弹性波的波动方程和波形特征来揭示岩体内部结构和应力状态是可能的。声波的走(2)(3)式中 <)膨胀位移位函数;W)旋转位移位函数。由(2)、(3)两式可得到纵波速度Vp及横波速度Vs公式,即Vp及Vs与介质弹性

5、系数的关系:V(4)38 铁 道 建 筑表1 岩样声波测试数据表岩石类型岩块号1绿泥石化高岭土化安山岩235高岭土化安山岩6789灰色凝灰岩10111213紫红色凝灰岩141516走时PLs271352911026185281002810022158221003015030150321003015031100291003010030100岩块长度Pmm102100991821021001001009919910010010010010010010010099180100110100100941019915499158October,2006应关系,即随着岩体(岩石)的破碎程度增加、结构松软、应

6、力降低,声波会相应产生波速降低、振幅减小、波形变坏、频谱中的主频向低端移动。声波的传播规律与岩体力学指标之间的关系主要表现为:1)声波波速与岩体介质的弹性模量之间有着对应的数理关系,纵波反映岩体的拉伸和压缩形变,表征岩体强度及变形特征;2)岩体结构特性使声波在岩体中的波动过程变得复杂,产生裂隙面效应,甚至发生严重的声波绕射现象。岩体中结构面的增加会使声波的传播发生波速变慢、振幅减小、波形变坏的显著变化。岩体中宏观、微观结构面的变化对岩体中声波传播特征产生的作用是影响岩体工程特性本质的因素;3)通过大量室内岩样单轴和三轴压缩试验发现,单轴压力和围压与声波波速之间有一定的对应规律;即随着岩石所受应

7、力的增加,波速也相应增加,当受力过大岩石达到破坏时,波速会相应减小;4)岩体(岩石)单轴抗压强度与声波波速有良好的相关性,抗压强度高的岩体其波速也大。岩块波速P(mPs)3729343037993571356844444545327932793119328232263242331833192 某地下巷道围岩声波速度的测定211 室内试验岩样声波测试21111 现场取样及加工在现场对4类岩石进行了取样,包括主斜坡道的高岭土化安山岩、-198m水平西回风巷2号新开巷道的绿泥石化高岭土化安山岩和-330m水平巷道的紫红色、灰色凝灰岩。共加工了15块标准岩块试样(<50mm100mm)进行测试试

8、验。21112 仪器选择及测试原理根据比对,选用了SYC-3B型声波岩石参数测定仪和频率为550kHz的纵波换能器。它专为室内模拟及岩样试验设计,具有快速、精确度高的特点。本次测试主要采用了单线显示自动和手动测时,测量时主要采用0102Ls档进行测试,测时误差非常小。测试基本原理为通过测量声波在岩石试样中的走时Tx,当被测试岩样的长度L确定后,则声波在岩石中的传播速度即为:VP=LPTx(7)21113 数据的获取与处理根据所选仪器的特点,对加工好的岩样进行了声波测试,得到试验数据如表1所示。采用等精度条件下方差分析原理计算出4类岩石的岩块波速的数字特征值如表2所示。表2 岩块声波速度Vp的数

9、字特征值岩石类型绿泥石化高岭土化安山岩高岭土化安山岩灰色凝灰岩紫红色凝灰岩块数n=3n=4n=4n=4Vp3653403232393276S1591964641036917442182Cv41381115121151131注:Vp)岩块波速均值(mPs);S)总体标准偏差;Cv)偏离系数(%)。212 地下巷道围岩岩体声波测试21211 测试方法的选择从测试内容要求和研究目的出发,现场测试采用岩体干式单孔一发双收声波测试方法。仪器选择了灵敏度高、功率大、噪声低的SYC-2型声波岩石参数测定仪和KGH-1型宽频带干式换能器,其换能器主频25kHz,直径36mm。工作方式为干式换能器胶囊内水耦合,

10、单孔折射初至纵波点测法,主要测量纵波走时tP。该方法的优点有:1)干孔测试利用声耦合,使水和岩体隔离开来,这消除了水对破碎岩体连续性的影响,从而拓宽了测量范围(下限可延伸至400mPs),可保证岩体声波信号的真实性,这样更适宜破碎岩体、含膨胀矿物较多的围岩,;2,42006年第10期岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体波速测试中的应用 392)单孔一发双收法每一次测试只需要钻一个孔,也可直接利用锚杆孔,操作简便,工作量小,更有利于推广应用。而且可消除测量时探头在孔中位置不确定产生的时间误差。对单孔声波测试来说,对接收到的声波信号有贡献的只是折射角为90b的折射波,即声波折射后沿孔壁/滑行0的折射

11、纵波和折射横波。测试时主要利用折射纵波测定岩体波速,单孔一发双收干式换能器测试原理如图1所示,则岩体的纵波速度为:VP=LFS2-LFS1LS1S2=tS2-tS1(8)口方向进行二次测速,以求原始数据的真实性、可靠性。在近半年的现场测试试验中共获得第一手围岩波速原始数据2400多个。3,521213 巷道岩体波速测试数据分析1)测试数据数理统计分析由于测试数据的波动性,使得原始数据离散性很大,直观地看,很难发现其中的规律性。只有用科学的方法加以整理后,才能发现赋于其中的规律。因此数据处理分析是对测试数据进行深入研究的第一步。由概率统计理论知道,若随机变量是由为数众多相互独立的各随机变量的微小

12、影响叠加而成,则这个随机变量表现为正态分布。因此围岩Vp测定值可用正态分布来描述,其概率密度函数为:1<(x)=#-2R2P#R式中 x)随机样本;R)标准偏差;L)样本均值。遵从正态分布N(0,1)的随机变量N落在区间2式中 LS1S2)两接收探头之间的中心距离;$t)两接收探头之间的时间差。(9)图1 单孔/一发双收0换能器折射路程图这种记录的结果是声波在固定距离上传播的时差,且不受孔内介质的影响,使实测获得的速度值更接近于实际值,偏差较小。21212 巷道围岩岩体波速现场实测1)围岩测试断面选取断面选取应考虑的原则:巷道围岩的力学特性应尽可能均匀;避免通过大裂隙发育带,围岩具有代表

13、性;断面位置侧重于围岩蚀变强烈、稳定性差、巷道破坏严重的地段;每类围岩选取断面不少于3个。根据断面选取原则,测试布置了34个断面,主要分布在主斜坡道、-258m水平巷道、-318m水平巷道、-330m水平巷道、-400m水平巷道及-447m水平巷道,共涉及6大类围岩。由于测试工作量大、巷道顶板高,断面现状以及现场准备工作的难度限制了测试断面测孔的布置。从实际情况考虑,每个断面布置2个测孔,位于巷道左右侧墙,距底板115210m,钻孔上倾5b,以利于孔中水和碎屑的排出,钻孔深度一般为210316m之间,具体深度视围岩的稳定性情况来确定,孔径为<42<45mm。2)测试数据的获取围岩测

14、孔数据测试将一发双收换能器置于孔口,然后朝孔底方向每20cm间距测一次波速。当读取的B1,B2内的概率值为:P(B1NB2)=Q21BB-eL2dL=<(B2)-<(B1)(10)根据以上理论分析,求出了6大类围岩Vp测定值的概率分布曲线,以辉石安山岩为例如图2所示。图2 辉石安山岩频率分布曲线从概率分布曲线形态可知,6大类围岩的Vp曲线中出现了2个峰值,类似于两个Vp概率曲线的合成。通过分析发现,这两个Vp概率频度范围恰好代表了围岩中存在的两种应力状态。较低的代表了围岩中的松动区(应力降低区)的波速;较高的代表了围岩中的塑性区和弹性区(应力升高区)的波速。2)围岩岩体波速Vp的数

15、字特征因现场测试试验不能保持等精度测量条件,故应用最大似然法进行方差分析,分析测试数据的数字特40 铁 道 建 筑October,2006不等精度观测值的似然函数为:L(xi)=i=1分析表3中数据,与其他相关资料比较可知:27nRi#12nexp-i=1(xi-L)2Ri1)围岩岩体波速Vp均值与该地下巷道围岩岩体强度划分基本一致,与室内试验所获得的岩块波速Vp7nexp-ii=1En(xi-L)2Ri测试结果比较,强度高的围岩岩体Vp高一些,而含膨胀矿物多、蚀变强烈、强度低的围岩岩体Vp低。2)围岩岩体波速Vp现场测试数据的标准偏差、偏离系数在误差要求范围之内,Cv最大为1917%,Cv最

16、小为12152%,可见本次现场测试数据可靠,分析结果可信度较高。3)偏离系数较高的两类围岩,其测点总数都较少,这可能是造成误差大的原因。4)在分析数据中发现,围岩岩体波速Vp与巷道围岩应力分布集中值有密切的联系。如辉石安山岩的两个断面都位于主斜坡道转弯的部位,由于巷道周边的应力集中造成了围岩岩体波速的提高。在凝灰岩围岩中,由于-330m水平巷道一个断面靠近两条巷道的交叉处,造成了该断面岩体波速的普遍升高,从而引起了该类围岩的总体标准偏差和偏离系数较大。(11)根据求极值原理可得(12)(15)公式。1)围岩岩体波速Vp测定值的加权平均值(以测试次数为权数)。i=1Vp=式中 Vp)总体均值;v

17、Ewipi=1nEw(12)ivp)第i组测定值均值(以每个测孔测定为一组);wi)第i组测定次数。2)围岩岩体波速Vp测定值的总体方差为:2i=1j=1i=1mnmS =Exi)E(xij-i2En=i=1EfiSii=12-mEf(13)3 结语根据现场实测发现,岩体声波测试技术是一种成熟的测试手段,应该在围岩岩体结构分类、应力状态、物理性质的研究中进行大力推广,以期更好地指导岩石工程的实践与维护。在破碎、膨胀性岩体的测试中,应用干式单孔一发双收的声波测试法对保持围岩岩体的真实性最为有利。参考文献i式中 xij)第i组第j次测定值;xi)第i组测定值的平均值;ni)第i组测定值的数目;fi)fi=ni-1,称为自由度,是指独立变量的数目;Si)第i组测定值的方差。3)围岩岩体波速Vp测定值的总体标准偏差为:S=2S2(14)1孙成栋.岩石声学测试M.北京:地质出版社,1981.2楚泽函.声波测井原理M.北京:石油工业出版社,1987.3李造鼎.岩体测试技术M.北京:冶金工业出版社,1993.4)围岩岩体波速Vp测定值的总体偏离系数:Cv=S V p100%(15)4周希圣,宋宏伟.国外围岩松动圈支护理论研究概况J.建井技术,1994,(4,5):67-71.5钱毅,张萌.围岩超声波干法测试技术的研究J