地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用
探地雷达在松动圈确定与巷道支护参数优化中的应用
（ ． ｌ ｇ ｆ ｖｌＥ ｇ ｎ ｃ ｉ ｃｕ ｅ ＵＳ ，Ｑｉｇ ａ １ Ｃｏｌ ｅｏ ｉ ｎ ．ａ ｄ Ａｒｈｔ ｔ ｒ ，Ｓ Ｔ ｅ Ｃｉ ｅ ｎ ｄ ｏ，Ｓ ａ ｄ ｎ ６ ５ ０ ｈ ｎ ｏ ｇ ２ ６ １ ，Ｃｈｎ ； ｉａ
２ Ｗ ａ ｇ ｏ ａｍ ｉ ｅ ． ｎ ｌ ｕ Ｃｏ ｌ ｎ ，Ｄｏ ｇ ｈ ｎ Ｍ ｉｉ ｇ Ｃｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｎ ．，Ｌｔ ．，Ｊｎ ｎ ｄ ｉ ｉ ｇ，Ｓ ａ ｄ ｎ ７ ０ ３，Ｃ ｎ ） ｈｎ ｏ ｇ２ ２ ６ ｈｉａ
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探地雷达在松动 圈确定 与巷 道支护参数优化中的应用
李 纯 洁 孔 德 森 王 立 才 肖庆 华 诸 葛 祥 华 。 ， ， ， ，
（． 东科 技 大 学 土木 建筑 学 院 ， 东 青 岛 ２ ６ １ ；２ 山 东 东山矿 业 有 限 公 司 王楼 煤矿 ， 东 济 宁 ２２ ６ ） １山 山 ６５０ ． 山 ７ ０ ３
地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用
测法 等 Ｊ 。其 中 ２ ０世 纪 ７ Ｏ年代 末 ， 长春 煤 炭 研 究 所开 发 的“ 声波 围岩 裂 隙探 测仪 ” 使 声 波 法 得 到 超 ， 广泛 的使 用 ， 一 种 简 便 实 用 的 围岩 松 动 圈 的 测 试 是
巷 道开 挖后 ， 坏 了原岩 的应 力平 衡 状 态 ， 破 围岩
受力 状态 由三 向 变成 了 近 似 两 向 ， 致 围岩 应 力 重 导
新 分布 和局 部 应力 集 中 ， 成 岩 石 强 度 较 大 幅度 地 造
下 降 。此 时 ， 大主 应力 是沿 巷 道 壁 面 的切 线方 向 ， 最
围岩 中出现 了 １ 松 弛 破 裂带 ， 围岩 松 动 圈 ¨ 。 个 即
庭 教授 等人 经过 长期 研 究 ， 出 围岩 松 动 圈 支 护 理 提
论 Ｊ在 矿 山工程 中得 到广 泛 应 用 。这 些 理 论 的 运 ，
其力 学特 征 表现 为 应 力 降低 区 即松 动 圈 、 性 区及 塑
弹性 区 ， 图 １ 示 。 如 所
用 ， 以 已知 围岩松 动 圈 的范 围为 前提 ， 都 因此测 试 围 岩松 动 圈具 有较 大 的实 际意义 和应 用价 值 。
巷 道 围岩松 动 圈测 试 方 法 有 很 多 ， 随着 科 学 并
技术 的不 断进 步 而发 展 完 善 ， 中主要 包 括 超 声 波 其
生 ， 要从 事 岩体 加 固理 论 与 应 用技 术 的研 究。Ｅ—ｍａ ： 主 ｉ ｌ
ｍｑｂｌ ８ ９ ５＠ ｌ ６． ｏ 。 ２ ｔｍ
余年发展起来 的地球物理高新技术方法 ， 具有分 其 辨率高、 位准确、 速经济、 活方便 、 面直观 、 定 快 灵 剖
煤矿巷道围岩松动圈测定
内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿巷道围岩松动圈测定中国矿业大学（北京）北联电能源开发有限责任公司2009年5月目录一、巷道围岩松动圈概念 (1)二、围岩松动圈测试原理 (1)三、测试仪器 (2)四、测试方法 (2)五、数据分析 (3)六、总结 (9)一、巷道围岩松动圈概念围岩松动圈是围岩应力对围岩作用的一种结果，是反映围岩应力岩石强度的一个综合性指标。
实践证明，松动圈的大小与巷道的稳定性及支护的难易程度密切相关。
测出松动圈的大小对选择合理的支护方式和支护参数，减少矿井维护费用，修订井巷设计，指导现场施工，都具有重要的现实意义。
自然状态下的地壳煤岩层,通常处于应力平衡状态,巷道开挖后,就改变了它的边界条件,破坏了其相对平衡状态,在巷道周围一定范围内应力将重新分布,以达到新的应力平衡。
一是切向应力增加，并产生应力集中；二是径向应力降低，巷道周边处应力达到零；三是围岩受力状态由三向变成近似二向，岩石强度降低许多，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题。
相反的，如果集中应力值等于下降后的岩石强度，围岩将发生破裂，这种破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现一个破裂带，这个破裂带称为围岩松动圈。
弹性区，塑性区，破裂区（三区）的力学行为与岩石全应力应变曲线中的相应段是对应的，其中巷道围岩弹性区，塑性区对应与全应力应变曲线峰前段弹性，塑性变形段，破裂区（围岩松动圈）对应于峰后“软化”段和“残余强度”如图1所示。
图1松动圈巷道围岩分区1.弹性区；2.塑性区；3.松动圈（软化区）；4. 松动圈（残余强度区）在现场，可用声波仪，多点位移计或探地雷达等探测出围岩中的这个破裂带的厚度，称其为松动圈值，记为Lp。
二、围岩松动圈测试原理基于松动圈测试的检测原理，相应的测试方法有渗流法、深基点位移计量测方法、地震声学法和超声波测试法。
基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定
３３
２０１３ 年第 ３ 期
煤炭科学技术
第 ４１ 卷
最大可达 １２ ｍꎮ 由雷达测试的波形图看出测线波 雷达波形图纵向不规律处表现为裂隙等地质构造影
导线点以东 ５������ ６ ｍ 底板 １������ ７ ３������ ５ 左帮 ２������ ５ ３������ ０ 顶板 ２������ ０ ３������ ４ 右帮 ３������ ５ ４������ ６
表 １㊀ 松动圈测试范围
项目 最小值 / ｍ 最大值 / ｍ 导线点以东 ９７������ ０ ｍ 左帮 ２������ １ ３������ ２ 顶板 １������ ２ ４������ ３ 右帮 １������ ７ ４������ ２
㊀ ㊀ 通用的地质雷达测量方法为剖面法ꎬ 即发射天 数据处理ꎬ可得到深度 － 平距正演图像ꎬ 进而利用地 质㊁钻探资料或其他方法所获结果并结合对图像的 得到地质雷达探测波形图ꎮ 波形图能够很好地反映
不同层次的岩石破坏并逐步由周边向纵深扩展ꎬ 形 定的松动圈直接影响巷道稳定性控制ꎬ 探测松动圈
收稿日期:２０１２－１０－１８ꎻ责任编辑:曾康生 作者简介:伍永平( １９６２
ꎬ 这个不稳
基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(９０２１００１２) ꎻ陕西省重点实验室重点资助项目(０５ＪＳ２３)
引用格式:伍永平ꎬ翟㊀ 锦ꎬ解盘石ꎬ等. 基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定[ Ｊ] . 煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(３) :３２－３４ꎬ３８.
图 ２㊀ 巷道失稳现场
２㊀ 围岩松动圈测试及分析
２������ １㊀ 测试设备及测试原理 ㊀ ㊀ 地质雷达的工作原理是利用高频电磁波以宽频 带短脉冲的形式ꎬ由地表通过发射天线向地层发射
地质雷达探测技术在矿井围岩松动圈探测中应用
文 献标 志码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ８— ０ １ ５ ５ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ９— ０ １ ３ ７— ０ ２
巷 道 开 挖后 ， 围岩 中的 原 岩应 力失 衡 ， 巷 道 会 由浅 及深产生一系列的破坏 ， 最 终有破碎 岩体形成一个松 动 圈… 。利用 松 动 圈理 论 ， 可 以 为巷 道 锚杆 （ 索） 的 支 护设计提供基础 的理论数 据。杨河煤业 ４ ２采 区变 电 所 底 板标 高 一３ ６ ４ ｍ左 右 ， 实 际埋 深 ６ ０ ０ ｍ左 右 ， 变 电所 围岩岩性 以泥岩 、 砂质泥岩为主 ， 局部为 Ｉ Ｊ ７ 一 灰岩 。同 时该泵房附近存在一条断层 ， 落差 １ ０ ｍ， 致使变 电所顶 板产生滑移 ； Ｌ 一 灰岩 ｆ 值为 ６ — ８ ， 强度较高 ， 但受该断 层影响 ， 岩体 内节 理极 为发 育 ， 完 整 性 差 。针 对 杨 河煤 业４ ２采区变 电所实际情况 ， 采用瑞典 制造生产的“ 地 质雷达” ， 对该区域围岩松动 圈测试 ， 解决 了杨河煤业 ４ ２采 区变 电所 支 护的 问题 。 １雷 达测 试 围岩松 动 圈基 本原 理 巷道围岩松 动圈有许多测试方 法 ， 其 中使用地质 雷 达技术 是 目前 最 先 进 的 ， 目前 矿 井 利 用 地 质 雷 达 对 松 动 圈的测 定越 来 越 多 Ｊ 。地 质 雷达 基 于 介 质 间的 电导率 、 介电常数等 电性差异 ， 以高频 电磁波 （ 主频为 数十兆赫至数百兆赫 ） 在 电性界面 的反射来探测地下 目标体的。在地下一定深度 内如果存在有异 常物体 ， 并且 其 与 周围 介 质 间存 在 明 显 的 电 性 差 异 时 ， 由地 质 雷 达天 线在 巷 道表 面 向巷 道 围岩 发 射 的高 频 电磁 波 遇 到异常物体与周围介质 电性分界面时就会被反射 回巷 道表面被接收 天线接 收 ， 根据介质 中电磁波 传播速度 和 接 收 的反射 信 号 及 其双 程 走 时 ， 便 可 确 定 围 岩 深 部 裂隙区域与较完整岩体分界面的位置和深度 。 作为一种主动的电磁探测系统， 由计算机 、 控制面 板、 发射 电路 、 发射天线 、 接 收 电路 和 接 受 天 线 ６部 分 组成。其工作原理为 ： 利用一个 天线 Ｔ发射高频宽频 带 电磁 波送 入 围 岩 ， 经 深 部 较 完 整 岩 体 与 裂 隙 岩 体 的
围岩松动圈的测定
围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。
为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。
选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。
根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下).二、需求设备SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines连续工作时间：8h存储容量：20GB外形尺寸： 195mmX115mmX75mm配套设备：1.钻孔窥视仪主机1台2.窥视镜（探头）１只3.视频传输及输送缆：10米4.耳麦1付5.充电机1台B连接线1根7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。
将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。
由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。
对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。
它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。
四、使用分析1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。
2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。
地质雷达测试围岩松动圈的应用
■ 混麓土 水
－ ６４ ． ８ Ｉ
空气 煤 砂者
１ ４５ ４
由 于 发 射 天 线 与 接 收 天 线 的 距 离 很 近 ，电场 方 向通 常垂 直 于 入 射 平面 ， 因而 反射 系统 可简 写成
（） ３ 用 ，都 需 要 知 道 松 动 圈的 范 围 ， 因此 测 试 松 动 圈具 有 实 际 意 义 。 式 中： ， ２ 分 别为 上 、下 层 介 质 ’ 隧 道 围岩 松动 圈有 许 多 实测 方 法 ，声 波 法是 最为 常 用 的 方法 。但 声 波 法需 要 钻 的 相 对 介 电常 数 。 孔 ，用 水 作 为探 头 与 岩 石 间 的 耦 合 媒 介 ， 从记 录 的 反射 时 间考 虑 到 发射 与 接 收 对 强 度 低 的 围 岩 ， 钻 孔 成 型 难 ， 注 水 满 孔 探头 相距 很近 ，取 ，由式 （ １）（ ２）得界 更 难 ，因而 在 煤 层 、 膨胀 性 泥 岩 等低 强 度 面 深 度 计 算 式 岩 体 中 ， 用 声 波 法 测 试 围岩 松 动 圈 很 困 难 ，成 功的 实 例 较 少 。 近年 来 ，不需 钻 孔 。ｒ ’ （） ４ 的地 质 雷达 测 试 作 为 非破 损 物 探 新技 术 以 其 精度 高 、效 率高 、分 辨率 高 、快 速经 济 、 地 下 工程 围岩 松动 圈内 有 许 多裂 缝 界 方 便 灵 活 、剖 面 直 观 等 优 点 ，在 土 木 工程 面穿 插 其 中 ，界 面 处 物性 差 异 很 大 ， 从表 领 域 得 到愈 来 愈 广 泛 的 应用 ，我 们 应 用地 １和式 ３可知 ，材料 的相对介 电常数差 别很 质雷 达 测试 技 术 干 声 波 法测 试 困 难 的煤 系 大 ，从 而 会使 电磁 波 产 生 反 射 回波 信 号 。 ３． 测试仪 器与 方法 地 层隧 道 中 ，成 功 的 取 得 了煤 层 、泥 岩和 目前 在我 国使 用 的地 质 雷 达 由 不 同 国 砂岩 组 合 中 松动 圈分 布 的数 据 ，为 研 究 煤 层 隧道 的稳 定 性 提 供 了依 据 。 家设计 制造 ，如加 拿大 ＳＳＩ探 头与软 件 公 ｕ ｓ ＥＫＫ０ ０ ｌ ０型、瑞典 Ｍａａ公司的 ｌ ２ 地质 雷达测试 围岩松 动圈的原 理【 司的 Ｐ ｌｅ ． １， ３ ４ ，］ ＲＡＭ Ａ Ｃ 型 、美国地球物 理探 测设备 公司 地 质雷 达 产 生 高 频短 脉 冲 电 磁波 向介 （ Ｓ Ｉ Ｇ Ｓ ）的 Ｓ Ｒ系统 、瑞典地 质公 司 （Ｇ Ｂ） Ｉ ＳＡ 质 内发 射 ，其信 号 的 传 播 取 决于 介 质 的 高 的 ＲＡＭ ＡＣ 钻孔地 质雷达 系统 及 日本 应用 频 电性 。一 般 ，在 岩 石 介 质 中 ，节 理 、裂 地质株式会社 （ ＹＯ）的 ＧＥ０ＲＡＤＡＲ 系 Ｏ 隙 、断 裂 等 会 引起 电性 变 化 ， 当雷 达 发 射 列等 。重庆 科学院的 ＫＤＬ型 ，它们 工作原 ２】 探头 向介 质 发射 电磁 波 时 ，介 质 电性 的 变 理 、数 据处 理大 同小异 【 。 地 质 雷达 的应 用 ，按 探 测深 度 一 般 可 化 引起 部 分 信号 发 生 反 射 ，产 生雷 达 反 射 波 ，反 射 波 由探 头 接 收 、 放 大 、数 字 化 并 分 为 ： １ 浅 部 应 用 ： 中 心 主 频 大 于 ） 存 贮 在 计 算 机 中 ， 对 采 集 的 数 据 进 行 编 辑 、处 理 ，可 得 到不 同形 式 （ 如波 形 、灰 １ ０ Ｍ Ｈｚ ００ ，探测深 度小于 ０ ５ ，用于公路 ．ｍ 度 、彩 色 等 ）的地 质雷 达 剖 面 ， 对地 质 雷 路 面 、机 场 跑 道 、 墙 厚及 墙 内 空 洞和 隐 藏 达 剖 面 进 行 解 释 ，即 可 得 到所 测结 果 。 物的探测等 ； 雷 达 波 属 高 频 电 磁 波 的 范 畴 ， 其 原 理 ２ 中 深 度 应 用 ： 中 心 频 率 为 为 广 阔 的 发 展 空 间 。 ） ０ ０ Ｍ ，探 测深 度 ０．－ ｍ ，用 于 地 下 ５８ 基 于 电磁 波 反 射 原理 ，在 界 面 上 的反 射 和 ｌ ０ ９ ０ Ｈｚ 透 射 遵 循 光 学 定 理 。 发 射 天 线 发 射 电 磁 管线 、地 下空洞 、考古 、地下 工程 围岩 、混 波 ，当遇 到 介 质 分界 面 时 产 生 反射 波 ，反 凝 土 质 量 检 测 等 ； ３ ）大 深 度 应 用 ： 中 心 频 率 小 于 射 被放 置在 介 质 表面 的接 收 天 线接 收 ，主 １ ０ Ｈｚ，探测深度 １ １ ｍ ，用于岩土工 ０Ｍ Ｏ ５ 机记录 。 反 射 界 面深 度 ： 程 勘察 ，以探 明地 下岩 溶洞 穴 、堤 坝 隐患 、 地 基 勘 察 、岩 土 层划 分 等 。 ： ＝ 实 际 工作 中 ，仪 器 工作 参 数 的选 取 原 则 一 般 为 ：先 由 已知 地 层求 出待不 同 地 质 条 件 下 隧 道 围岩 松 动 圈 厚度 变化 。
巷道围岩松动圈超声波测试技术与应用
嘲岩 类 别
小 松 动 豳 中松 动 陶 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ
根 据超声 波 在不 同介 质 传 播过 程 中的衰 减 规 律， 得 到 了在 不 同介 质 中具 有 不 同 的 传 播速 度 的 特点 ， 在 均质 岩 体 中 衰 减 少 、 速度快 ， 破 碎 岩 体 中 由于裂 隙 的增加 ， 超声 波 能 力衰 减快 、 速度 也 相 应 地 减小 ， 从 而根据 波速 来 预 测 围岩 的破 坏 情 况 ， 通 过 计算 可 以得到巷 道 围岩 的松动 圈范 围 Ｊ 。 根 据弹 性理 论 ， 由弹 性 波 的波 动 方 程 通 过 弹 性 力学 空 间 问题 的 静 力方 程 推 导 ， 可 得 出超 声 波 纵 波波 速 与介质 的弹性 参数 之 间的关 系 Ｊ 。
ｌ Ｖ 一 般 稳定 围 澍 （ 软岩） 大松 动 圈 ¨ Ｖ 不稳 定 围崭 （ 较 软围 岩 ） Ｖ Ｉ 极 不稳 围岩 （ 极 软围 岩 ）
现 场松 动 圈 测试 采 用 单 孔 法 ， 仪器选 用 Ｒ Ｓ Ｍ
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ５— ２ ３ 作者简介 ： 刘勇（ １ ９ ８ ７一） ， 男， 陕西 定边 县人 ， 毕业于河南理 工大学采矿 工程专业 ， 现在神 东煤炭集 团公 司哈拉沟 煤矿 工作 。
１
＝
／
（ １ ）
（ ２ ）
式中 ： Ｖ 一煤 体的 纵波速 度 ； Ｖ 一煤 体的 横波速 度 ； Ｅ一煤体 的弹 性模量 ； 煤 体的 泊松 比 ； Ｐ一 煤 体 的密度 。
一
２ ． ２现 场 测 试 方 法
现 场超 声波 测试 方法 可 分 为单 孔 测 试和 双 孔 测试 ， 由于 双 孔 测 试 现 场 操 作 复 杂 ， 钻 孔 工 程 量 大， 对 围岩 损伤 也大 ， 因此 现场 多 为单 孔 测 试 。在 本 次测 试 中采 用单 孔 测 试 法 进 行 测试 ， 单 孔 测 试 法原理 如 图 １ 所示。 发声探 头 接 收探 头
地质雷达测试松动圈应用
断层，正断层F11贯穿工作面，且与工作面两巷近于正交，其余 断层与工作面两巷均斜交，断层落差均小于2.0 m，断层附近 煤层顶板较为破碎，压力较大，回采期间需加强顶板管理。 1.2 巷道测试方案
第3期 2 0 21年 6月
现代盐化工 Modern Salt a nd Chemical Industry
地质雷达测试松动圈应用
张 冯
（安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001）
N o .3 Ju ne，2021
摘 要：地质雷达是当前国内外最先进的物探设备之一，在岩土工程和矿山、隧道工程等领域得到了广泛的应用。阐述了用地 质雷达测试巷道围岩松动圈的基本原理，验证其可行性，并在口孜东矿工作面机巷和井底车厂联巷中进行了测试实践，利用 IDSP6软件对测试结果进行后期分析，得出相应测试点的松动圈范围。 关键词：地质雷达；巷道围岩；松动圈
岩，松动圈厚度较小。 （3）在同一断面中，强度高的岩体松动圈厚度较小，强
度低的岩体松动圈厚度较大。 [参考文献]
[1]徐世达，陈治洋，雷刚.基于便携式地质雷达的巷道围岩松动圈探 测[J].中国矿业，2019，28（11）：99-103.
[2]石国杰，王晋国，侯兆阳，等.地质雷达数据处理新方法研究[J].洛 阳理工学院学报（自然科学版），2017，27（1）：42-44.
[3]郭亮，李 俊 才，张 志铖，等. 地 质雷达 探 测 偏 压 隧 道 围岩 松 动 圈的研究与应用[J ].岩石力学与工 程学报，2 011，3 0（增刊1）： 3009-3015.
- 99 -
地质雷达[3]是当今国内外较为领先的一种地质探测 工具，主要运用了电磁探测技术，可以对需要探测的环境 或者物质进行 精确的定位与识别，如 图1所示。 1.1 工作面概况
超前地质预报来测定巷道的松动圈
超前地质预报来测定巷道的松动圈一、使用目的矿井地质构造、煤层赋存情况、水文地质状况是矿井生产与安全的主要影响因素。
超前地质预报能及时提供迎头前方的工程地质等一系列情况，从而能有效地控制地质灾害的发生, 确保巷道安全顺利施工,节约投资。
而且对巷道的合理布置、支护参数选取都具有十分重要的意义。
在本次使用中主要测量采动影响后巷道的松动圈范围,二、探测所需仪器KDZ113-4便携式矿井地质探测仪KDZ113-4便携式矿井地质探测仪系统组成三、探测原理：单点探测是利用声波在波阻抗不同的介质面反射原理来探Vx h V x h V ASOA t 2222422+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=测介质的速度和厚度的。
单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式。
它是通过接受岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目的层距离或厚度的。
单点探测要求检波器和震源尽量的靠近，但不能接触震源。
单点探测接收的反射波是震源在界面的垂点反射回来的反射波，所以解析的距离总是等于或小于实际位置。
探测目的层与探测方向的夹角大于 60°，可以满足误差要求。
图1为单道观测系统波路图。
由反射波时距曲线方程：式中x 即为偏移距，v 为探测介质的地震波波速，t 为地震波旅行时间，而 h 是目标体的界面深度，是需要求解的。
因此根据测试所获得的地震波记录，进行反射波相位追踪，确定各个界面的反射波组并求取反射相位时间，即可求解探测目标体的深度，并进行地质解释。
对于倾斜界面则根据反射波组特征进行相应的深度校正，获得该界面的实际深度位置。
四、判断标准根据KDZ113-4便携式矿井地质探测仪的波形数据软件解析图和巷道的地质资料图对巷道迎头处的地质构造作出预测判断。
根据具体的问题采取相应的超前支护措施等。
五、使用情况KDZ113-4便携式矿井地质探测仪具体使用位置由矿方确定（采动影响范围，尽量多的测几个不同的断面），使用时间由矿上确定（满足1：所测测点在受采动影响范围内，2，测点不受采动影响—参照）。
基于便携式地质雷达的巷道围岩松动圈探测
基金项目:十三五国家重点研发计划项目资助(编号:
２０１７YFC０６０２９０４;
２０１６YFC０８０１６０５);国家自然科学基金项目资助(编 号:
５１７０４０５６);中
央高校基本科研业务费专项基金项目资助(编号:
N１６０１０３００６;
N１８０１１５０１０);中国博士后基金项目资助(编号:
２０１７M６２１１５２)
速、准确地探测巷道围岩的松动圈厚度.阿舍勒铜矿 －２００m 中段巷道围岩松动圈厚度为 １．
６~１．
９ m,明
显大于 ５０m 中段开采扰动前的巷道围岩松动圈厚 度. 开 采 扰 动 明 显 加 深 了 采 场 临 近 巷 道 围 岩 松 动 圈 厚
度,阿舍勒铜矿 ５０m 中段开采扰动前,临近采场巷道围岩松动圈厚度为 １．
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浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用
浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用发布时间：2022-12-29T05:36:14.921Z 来源：《工程管理前沿》2022年17期作者：刘恒[导读] 在煤矿发展过程中，胶带巷极破碎软岩容易出现形变，刘恒扎赉诺尔煤业公司铁北煤矿掘进队内蒙古满洲里市 021410摘要：在煤矿发展过程中，胶带巷极破碎软岩容易出现形变，严重影响了工作的安全性。
文章主要以某煤矿为例对胶带巷两帮和底板采用探地雷达松动圈测试，从而获取了巷道围岩松动圈范围和破碎的状况，采用预留变形量让压、初次全锚索网喷支护、深浅孔注浆加固、底角锚注加固组成的锚注联合支护体系，取得了良好的效果。
关键词：松动圈；注浆加固?；支护技术 1.松动圈现场状况分析该煤矿企业胶带巷的断面呈现出矩形，工作人员原定设计采用全断面锚索、金属网支护技术，巷道设计断面宽度为5.5m，高度为4.5m，掘进断面24.75㎡；净断面的宽度为5.3m，净高度为4.35m，净断面面积为23.6㎡。
巷道沿着3号煤层顶底板进行设置，3号煤层的平均厚度为5.5m，其倾斜角为1-8°，单轴抗压的平均强度为9.15MPa。
巷道采用全断面锚索支护，全断面锚索支护使用直径为22mm×19股高强度低松弛预应力钢绞线制作而成，顶板的锚索长度为8.4m，两帮锚索的长度为5.4m。
3号煤层的基本顶为细粒砂岩。
厚度为2.3m，单轴抗压强度为78.3MPa，直接顶属于砂质泥岩，其厚度为9.7m，单轴抗压强度为39.6MPa；伪底为砂质泥岩，厚度为0.4m，单轴抗压强度为22.1MPa，老底属于炭质泥岩，其厚度为10.4m，单轴抗压强度为38.0MPa。
2 同岩松动圈的巷道支护理论 2.1 围岩松动圈的定义巷道开挖后，围岩受力状态由三向变成了近似两向，造成岩石强度较大幅度地下降，如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题，如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的二向应力平衡状态为止，此时围岩出现了一个破裂带，把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈。
地下巷道施工中的围岩松动与支护状态监测技术
地下巷道施工中的围岩松动与支护状态监测技术第一节引言地下巷道施工是一项复杂而又重要的工程，涉及到交通运输、矿山、地下工程等众多领域。
然而，在地下巷道施工过程中，围岩松动和支护状态监测成为了关键问题。
本文将探讨地下巷道施工中的围岩松动与支护状态监测技术。
第二节围岩松动原因与危害围岩松动通常是由于地下施工中的挖掘过程造成的。
挖掘过程中，连续重复的爆破、钻孔、开挖操作会导致围岩松动，从而造成巷道的变形和塌方等危害。
围岩松动的主要原因包括地质条件、施工方法选择以及施工期间的地下水变动等。
第三节围岩松动与支护状态监测技术综述为了及时掌握巷道围岩松动和支护状态，需要采用先进的监测技术。
目前，常用的围岩松动监测技术包括应变测量、位移监测、声波法和地面雷达等。
应变测量通过测量围岩的应变来判断其松动状态，位移监测则通过监测围岩的位移来判断其稳定性。
声波法可以用于检测围岩内部的松动情况，地面雷达则可以用于测量巷道壁面的变形情况。
第四节应变测量技术应变测量技术是地下巷道围岩松动监测中常用的方法之一。
该技术通过安装应变片或应变计等设备来测量围岩的应变情况。
通过分析应变曲线的变化，可以判断围岩的变形情况，并及时采取支护措施。
应变测量技术可以实时、精确地监测围岩的变化情况，为施工人员提供重要的数据支持。
第五节位移监测技术位移监测技术是地下巷道围岩支护状态监测的关键技术之一。
该技术通过安装位移传感器等设备来测量围岩的位移情况。
位移监测可以帮助工程人员及时了解围岩的变形情况，判断支护结构的有效性。
位移监测技术还可以通过数据分析，为施工过程中的调整和改进提供参考依据。
第六节声波法声波法是一种可以用于检测地下巷道围岩松动的无损检测技术。
通过将声波传感器安装在巷道围岩上，可以测量围岩内部的声波传播速度和强度。
当围岩发生松动时，传播速度和强度会有所变化，从而可以判断围岩的松动情况。
声波法具有实时快速、非侵入性等优点，逐渐被应用于地下巷道施工的围岩监测中。
巷道围岩松动圈名词解释
巷道围岩松动圈名词解释
巷道围岩松动圈是指在地下矿井或隧道等巷道工程中，围绕巷道周围的岩石或土层受到外界荷载作用或内部应力变化而发生松动的区域。
松动圈是巷道围岩的一种破坏形式，对工程的稳定性和安全性具有重要影响。
松动圈的形成主要与以下几个因素有关：
1. 地质构造，地质构造的复杂性会导致巷道围岩的应力分布不均匀，从而形成松动圈。
2. 工程荷载，巷道施工或运营过程中的荷载作用会使围岩受到应力的重新分布，进而引发松动圈的形成。
3. 岩性特征，不同岩石或土层的物理力学性质差异较大，某些岩石或土层容易发生松动。
4. 水文地质条件，地下水的存在和流动会对巷道围岩产生一定的影响，形成松动圈。
松动圈的特征表现为：
1. 岩石或土层的破碎和颗粒分离，巷道围岩受到应力变化后，岩石或土层中的颗粒会发生破碎和分离现象。
2. 巷道周围岩体的位移，松动圈的形成会导致巷道周围岩体的位移，表现为岩体的下沉、侧移或扭曲等。
3. 巷道周围岩体的开裂，松动圈的形成还会引起巷道周围岩体的开裂，表现为裂缝的出现和扩展。
4. 巷道围岩的变形和变质，松动圈的形成会导致巷道围岩的变形和变质，表现为岩石的塑性变形、褶皱和岩石破裂等。
为了防止和控制松动圈的发生，需要采取一系列的支护和加固措施，如预应力锚杆支护、喷射混凝土衬砌、钢拱支护等，以增强巷道围岩的稳定性和安全性。
此外，对于松动圈的监测和预测也是十分重要的，可以利用地下监测仪器和技术手段进行实时监测，及时采取相应的措施，确保巷道工程的安全运营。
巷道围岩松动圈理论
围岩松动圈的理论一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。
当在其左侧开挖一空间后，水图1 隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。
这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。
如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。
这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。
如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。
单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。
这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。
这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。
围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。
对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。
从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。
图2 隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。
而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决支护问题的关键所在。
巷道围岩松动圈理论
围岩松动圈的理论一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。
当在其左侧开挖一空间后，水图1 隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。
这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。
如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。
这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。
如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。
单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。
这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。
这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。
围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。
对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。
从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。
图2 隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。
而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决支护问题的关键所在。
地质雷达探测对巷道围岩松动圈的应用探讨
地质雷达探测对巷道围岩松动圈的应用探讨地质雷达探测技术是一种无损检测地下构造和特征的技术，该技术可以帮助我们确定隧道围岩中的松动圈情况，进而为隧道设计、建设提供有力的技术支持。
本文将探讨地质雷达探测技术在隧道围岩松动圈方面的应用效果，并分析其优点和不足之处，为隧道工程建设提供一些借鉴和参考。
一、地质雷达探测技术简介地质雷达探测技术是一种利用电磁波探测地下结构及其物理与化学特征的技术。
具体地说，地质雷达探测系统会发射电磁波，在信号到达隧道顶部后，通过测量反射波和散射波来确定隧道围岩松动圈和岩层分界线。
具体的探测过程如下：1.电磁波的发射与接收：地质雷达探测系统通过天线发射电磁波，电磁波穿越隧道顶部后会遇到各种物质，部分电磁波会被反射或者散射回来，通过接收天线进行接收。
2.数据传输：接收到的电磁波信号会进行数字化处理，通过雷达系统传输到计算机上。
3. 数据分析：在计算机上，根据电磁波所需时间和波长的关系计算出物质所在的深度。
然后，通过数据可视化处理，展现出来的是隧道平面图。
二、地质雷达探测技术在隧道围岩松动圈中的应用效果在隧道工程建设中，对于围岩松动圈的探测至关重要。
由于地质雷达探测技术可以无损探测隧道围岩的物质构成和变化规律，因此在隧道工程建设中广泛应用。
首先，地质雷达探测技术可以传统低效的极限条件下探查隧道岩体围堰松动圈情况。
探查的结果分别表明，隧道内存在不同程度的岩体松动圈，且岩体松动圈深度较浅。
通过探测，对隧道内围岩松动圈情况进行准确、快速分析，可以为隧道工程建设提供有用的参考信息，对后续钻、掘进及支护工程具有重要意义。
其次，地质雷达探测技术也可以用于探测隧道开挖后围岩松动圈的变化。
由于地质雷达探测技术可以实时传输数据，因此可以将探测后的数据与隧道建设过程相结合，得出隧道建设后存在的岩体松动圈情况。
比如，在隧道开挖施工过程中，可以将地质雷达探测数据和实时观测数据等相结合，通过不断地分析和修正，及时发现隧道施工出现的问题，及时进行修复和加固。
用地质雷达测试围岩松动圈的原理与实践
动 状 态 （ 落 拱 ） 并 提 出 了支 护 自重 荷 载 的 慨 念 ， 冒 ，
至今 仍 广 泛 应 用 于 国 内外 浅 部 地 下 工 程设 计 ． 国 在 内 ， 方庭 等 人 经 过 长期 研 究 ， ９ ５年 系 统 地 提 出 董 １８ 围岩松动 圈支护理 论 ， 煤 炭 系统得到 广泛 应用． 在
雷 达 波 属 高 频 电 磁 波 的 范 畴 ，其 原 理 基 于 电 磁 波 反 射 理 论 ， 界 面 上 的 反 射 和 透 射 遵 循 光 学 定 在
理． 工作过程 和原理如 图 １ 其 ，即 发 射 天 线 Ｔ 发 射 电磁 波 ， 当遇 到 介 质 分 界 面 时 产 生 反 射 波 ，反 射 波 被 放 置 在 介 质 表 面 的 接 收 天 线 Ｒ接 收 ， 机 记 主
关 键 词 ：围岩 松 动 圈 ；地 质 雷 达 ；巷 道
中 图分 类 号 ： ＴＤ３ ６ １ ２ ．
文 献标 识 码 ：Ａ
到 愈 来 愈 广 泛 的 应 用． 们 用 地 质 雷 达 测 试 技 术 ， 我 在 用 声 波 法 测 试 困难 的 煤 系 地 层 巷 道 中 ， 功 地 取 成 得 了煤 层 、 岩 和 砂 岩 组 合 围 岩 中松 动 圈分 布 的 数 泥 据， 为研 究 煤 层 巷 道 的稳 定 性 提 供 了依 据 ．
性 的 变 化 引 起 部 分 信 号 发 生 反 射 ， 生 雷 达 反 射 产 波； 反射 波 由探 头 接 收 、 大 、 字 化 并 存 贮 在 计 算 放 数
机 中； 采集的数据进行编 辑 、 对 处理 ， 可得 到 不 同形
式 （ 波形 、 度 、 色 等 ） 如 灰 彩 的地 质 雷 达 剖 面 ； 地 质 对
巷道围岩松动圈测试技术及应用
煤
炭
工பைடு நூலகம்
程
２０ ０ ８年第 ３期
巷 道 围 岩松 动 圈测 试 技 术及 应 用
石建 军 ，马念杰 ，闫德 忠 ，秦 韵 ，詹 平
（．中国矿业大学 （ １ 北京 ）资源与安全工程学 院，北京
２ 华 北科 技学 院 安全工程学院 ，北京 ．
Ａ ｓ ａｔ ｈ ｕｊｃ ｂ ｓ ｎｃｏｓ ｐ ｉ ｎ ｉｎＤ ｎ ｉｅｏ Ｘｎ ａ Ｔ ｅｔｅｉ ｉ ｒｄｃｄｌ ｓ ｉ ｌ ｂｔ ｃ ：Ｔ ｅｓｂｅｔ ａｅｏ ｒｓ ｈ ｌ ｅｉ Ｘａ ｅＷａｇＭ ｎ ｆ ｉｇＴ ｉ ｈ ｓ ｔ ｕｅ ｏ ｅｃｒ ｅ ｒ ｕ ｌｍｉ ｎ ． ｈ ｓｎ ｏ ｏ ｃ
０ 引 言
巷道开挖 后 ，围岩受 力 状态 由三 向变 成 了近 似 两 向 ， 造成岩石应 力较 大 幅度地上 升。如果 围岩 中集 中的应 力值 小于下降后 的岩 石强度 ，围岩处 于弹 塑性状 态，围岩 自行
稳 定 ，不存在 支护 问题 ；如 果相反 ，围岩将 发生 破坏 ，这
种破 坏从周边逐 渐 向深部扩 展 ，直至 达到 新的三 向应 力平 衡 状态 为止 ，此 时 围岩 中出现 了一 个破 裂带 。把这个 由于 应 力作 用产 生的破裂带称 为围岩松 动圈 ，如 图 １ 所示 。 破 碎巷道支护是煤 矿支 护工作 中的重点 ，而且 也是 一 个难点。所 以破 碎巷 道 围岩 松动 圈 的测 试更 显得重要 ，但 是现在 现场测试 破碎 围岩松 动 圈有很 多难 题 ，经 常导 致松 动圈测试结果相 差甚远 ，甚 至无 法测试 。围岩松 动圈是 巷 道开挖后地应力 超过 围岩强 度 的结 果 ，因此 松动 圈理论 认 为 ，支护的作用就 是 限制 围岩松 动 圈 中碎胀 力所 造成 的有 害变形。掌握巷 道松动 圈范 围的大小 及受 采动影 响 的变化 收稿 日期 ：２０ ０ ０ ７— ９—１ ２
围岩松动圈的测定
围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。
为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。
选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。
根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下).二、需求设备SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines连续工作时间：8h存储容量：20GB外形尺寸： 195mmX115mmX75mm配套设备：1.钻孔窥视仪主机1台2.窥视镜（探头）１只3.视频传输及输送缆：10米4.耳麦1付5.充电机1台B连接线1根7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。
将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。
由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。
对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。
它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。
四、使用分析1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。
2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。
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准要求。数据采集处理程序流程见图 3。
3 数据采集处理程序设计
由频率信号和开关量信号分析可知，这两种信 号均为状态信号( 二值) ，即在某一时刻均有一状态 0 或 1。而频率信号在某一时间段其状态变化次数 较多，开关量信号一般变化较少。可以把开关量信 号看作频率非常低的频率量，而频率量也可看作开 关 B
文章编号: 1008 － 4495( 2011) 02 － 0037 － 02
巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩 受力状态由三向变成了近似两向，导致围岩应力重 新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地 下降。此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向， 巷道壁面切应力达到最大值; 最小主应力是沿巷道 的径向应力，径向应力在巷道周边为 0，向围岩内部 逐渐增大。若围岩中集中的应力值大于下降后的岩 石强度，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深 部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时 围岩中出现了 1 个松弛破裂带，即围岩松动圈［1 － 2］。 其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及 弹性区，如图 1 所示。
0． 92
1． 51
迎头 80 m 位置 左帮上部 1． 50
0． 74
1． 21
3． 3 地质雷达测试松动圈结果及分析 1) 在总回风巷监测松动圈的测试断面共取
3 个( 文中节选 2 个) ，总体而言，围岩松动圈的范围 较大( 见表 3) ，最大达 2． 5 m 以上。
表 3 松动圈测试结果
测试地点 总回风巷距掘进迎头 12 m 处 总回风巷距掘进迎头 15 m 处 总回风巷距掘进迎头 80 m 处
v= c
( 2)
槡ζ
式中 c———电磁波在真空中传播的速度，m / s;
ζ———介质的相对介电常数。
2 测试仪器与方法
本次探测设备选用美国地球物理探测设备公司 ·38·
图 3 总回风巷雷达测线布置图
3 测试实践与结果
在总回风巷距掘进迎头 12 m 位置选取一个断 面进行围岩松动圈探测，共布置 3 条测线。在总回 风巷距掘进迎头 80 m 位置选取另一个断面进行围 岩松动圈探测，共布置 2 条测线。通过对总回风巷 的 2 个探测断面进行松动圈地质雷达探测分析，得 到了各个断面的松动圈的范围( 大小) 。 3． 1 总回风巷距迎头 12 m 处断面松动圈分析
号 ACK，进入中断，处理采集单片机传来的信号，将 置位有数据标志，主控单片机在主程序中检测到该 标志后将启动 I2 C 总线读取 RAM 缓冲区中的数据。 该数据为输入通道和输出通道数据。
主控单片机: 负责分站与接口的通信，分站参数 初始化等任务;
数据采集控制单片机: 完 成 数 据 采 集，计 算 处 理，控制输出等任务;
参考文献:
［1］ 郭志宏，董方庭． 围岩松动圈与巷道支护［J］． 矿山压力 与顶板管理，1995，3( 4) : 111 － 114．
［2］ 徐干成，白洪才，邓颖人，等． 地下工程支护结构［M］． 北 京: 中国水利水电出版社，2002．
［3］ 何满潮，景海河，孙晓明． 软岩工程力学［M］． 北京: 科学 出版社，2002．
2011 年 4 月
矿业安全与环保
第 38 卷第 2 期
地质雷达测试巷道围岩松动圈的 原理及应用
孟庆彬1 ，乔卫国1，2 ，林登阁1 ，门燕青1
( 1． 山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 266510; 2． 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266510)
摘 要: 地质雷达是目前国际上最先进的物探手段之一，在岩土工程界和矿山工程等领域得到了广
由图 2 可得出，记录到的电磁波在介质中传播 的双程走时 t［7］:
槡 t =
4z2
+
x2 v
( 1)
式中 z———反射界面的深度，m;
x———天线间距，m;
v———电磁波在介质中的传播速度，m / ns。
式( 1) 中的 t 为记录值，x 为经验值，v 可实测或
由经验取得。
电磁波在介质中传播的速度可用下式计算［7］:
巷道围岩松 动 圈 测 试 方 法 有 很 多，并 随 着 科 学 技术的不断进步而发展完善，其中主要包括超声波 探测法、多点位移计量测法、折射波法、地质雷达探 测法等［5］。其中 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，是一种简便实用的围岩松动圈的测试 方法。该方法以超声波纵波波速在围岩中的变化为 依据［6］: 围岩处于完好的弹性状态，波速较大; 围岩 处于破碎的塑性状态，波速较小。声波法需要钻孔， 用水作为探头与岩石间的耦合媒介，但对于强度低的 围岩，钻孔难以成型; 且往钻孔中注满水更难。故在 煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体中，用声波法测 试巷道围岩松动圈较为困难，很难大面积推广。
( GSSI) 的 SIR － 3000 地质雷达配 400 MHz 的天线。 该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射 部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发射 前沿时间为数纳秒以下的电磁脉冲。接收部分由接 收天线、高频放大电路和采样电路构成。接收的高 频信号被放大后，由采样电路变换为低频信号，送到 信号处理电路。控制部分是由产生整体装置同步信 号的基准同步信号发生器，控制采样电路的采样控 制器，处理接收信号的信号处理电路，以及显示处理 信号的输出显示设备等部分组成。采样数据经一定 处理后，由输出显示设备输出探测结果。
本次输入通道状态记为 NEW_P0，上次状态记 为 OLD_P0，计数器为 TD16; 那么两次状态相异或得 到结果记为 XOR_RESULT_P0。根据异或的结果可 知，两次状态相同结果为 0，不同为 1，由结果 XOR_ RESULT_P0 可判断通道的状态是否改变，如改变则 计数加一，不变则计数不变。
图 1 巷道围岩状态分布图
收稿日期: 2010 － 07 － 26 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 ( NCET － 07 － 0519) ; 教育部长江学者和创新团队发展计划资 助项目( IRT0843) 作者简介: 孟庆彬( 1985—) ，男，山东菏泽人，硕士研究 生，主要从 事 岩 体 加 固 理 论 与 应 用 技 术 的 研 究。E － mail: mqb1985@ 126． com。
利用地质雷 达 不 用 钻 孔 的 特 点，选 择 具 有 代 表 性的工程断面布置探测线，由于受风筒和管道位置 的影响，有的断面不能一次性进行全断面扫描监测， 而是分段布置测线，测试路线布置如图 3 所示。
图 2 地质雷达探测原理图
地质雷达产生的高频短脉冲电磁波和能量向介 质内发射，其信号的传播取决于介质的高频电性，在 岩石 介 质 中 的 节 理、裂 隙、断 裂 等 会 引 起 电 性 变 化［8］。当雷达发射探头向介质发射电磁波时，介质 电性的变化引起部分信号发生反射，产生雷达反射 波; 反射波由探头接收、放大、数字化并存贮在计算 机中; 对采集的数据进行编辑、处理，可得到不同形 式的地质雷达剖面; 对地质雷达剖面进行解释，即 可得到所测结果。
因为每次变化就会做加计算，所以在输入频率 信号的上升沿，以及下降沿都计数。一个 200 Hz 的 频率信号在 1 s 内可计数 400 次。
根据 AQ 6201—2006《煤矿安全监控系统通用 技术要求》，要求分站具有从数据输入、数据处理到 控制输出的时间小于 2 s。
本分站设计 500 ms 一个计数周期，加上计算， 可在约 100 ms 内完成计算处理以及控制输出，共需 要 600 ms 可完成一个周期，断电器的执行时间是毫 秒级的［3］，因此在2 s内，处理、控制输出完全满足标
4 结语
1) 工程实践表明，总回风巷围岩松动圈的大小 在不同断面或同一断面不同部位差异较大。从整个 松动圈测试结果来看，巷道围岩松动范围较大，应考 虑锚杆长度与松动圈匹配问题; 在条件具备情况下， 建议对已施工巷道采用锚注支护，以确保巷道围岩 的稳定。
2) 地质雷达可以方便、快捷、有效地探测出巷 道围岩松动圈的范围，特别适合于用声波法难以测 试的煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体的松动圈 的探测。采用地质雷达探测围岩松动圈，其探测结 果比较符合实际，测试数据准确，精度相对较高。能 够预测松动圈的发展趋势，优化支护参数，能有效地 指导支护设计与施工。
松动圈大小 /m 1． 00 ～ 2． 96 1． 67 ～ 2． 89 0． 74 ～ 1． 51
2) 同一断面不同部位松动圈尺寸不同，两帮和 顶板处松动圈大，直墙处松动圈小。
3) 稳定性差的围岩，松动圈厚度大; 稳定性好 的围岩，松动圈厚度较小。
4) 同一断面中，强 度 高 的 岩 体 松 动 圈 厚 度 较 小，强度低的岩体松动圈厚度较大。
泛应用。阐述了用地质雷达测试巷道围岩松动圈的基本原理，提出了松动圈的无损实测方法，并在榆树
井煤矿总回风巷中进行了测试实践。测试获得了总回风巷全断面的松动圈的分布规律，结果表明，总回
风巷围岩松动圈的大小在不同断面或同一断面不同部位差异较大。
关键词: 地质雷达; 巷道围岩; 松动圈
中图分类号: TD353
3． 2 总回风巷距迎头 80 m 处断面松动圈分析 同理可得，围岩松动圈雷达探测图如图 5 所示，
探测范围见表 2。
图 5 总回风巷距迎头 80 m 处断面地质雷达探测图
表 2 总回风巷距迎头 80 m 断面松动圈范围
探测断面位置 探测位置 探测长度 /m 最小值 /m 最大值 /m
总回风 巷 距 掘进 右帮及拱顶 5． 00
围岩松动圈是在地下工程中普遍存在的实际物 理力学状态，对地下工程的稳定性影响较大，是指导 地下工程加固的理论依据。对围岩松动圈的研究引 起了国内外专家学者的高度重视，取得了许多有益 的成果: 在国外，太沙基( K． Terzaghi) 和普氏( М． М． Протодьяконов) ［3］观测到了围岩的松动状态( 坍落 拱) ，首次提出了巷道围岩具有自承能力，至今仍在 国内外浅部地下工程设计中广泛应用; 在国内，董方 庭教授等人经过长期研究，提出围岩松动圈支护理 论［4］，在矿山工程中得到广泛应用。这些理论的运 用，都以已知围岩松动圈的范围为前提，因此测试围 岩松动圈具有较大的实际意义和应用价值。