围岩松动圈地球物理方法检测

文章编号:1004—5716(2004)07—0087—03中图分类号:P584　文献标识码:B 围岩松动圈地球物理方法检测
蔡成国1,孟照辉2,熊昌盛1
(1.中国地质大学(武汉)地球物理系,湖北武汉430074;2.深圳市建设工程质量检测中心,广东深圳518031)
摘　要:围岩松动圈是地下工程中普遍存在的实际物理力学状态,它对地下工程的稳定性影响很大,围岩松动圈准确地
无损检测,可以合理地确定支护参数。

比较分析了折射波法、钻井超声波法以及探地雷达法等三种围岩松动圈测试的
地球物理方法,指出其适用的基本假设条件,并且应用前人的实例说明三种方法的优点及其局限性,最后指出围岩松动
圈检测方法的发展方向。

关键词:围岩松动圈;折射波法;钻井超声波法;探地雷达法;无损检测
井巷开挖后,周边岩石产生裂隙并逐渐破坏,出现塑性变形,形成非弹性变形区,即应力降低区,也称围岩松动圈范围[1,2]。

地应力向外围转移,形成弹性变形区,即应力升高区,这两个区合称井巷影响范围。

其大小定量地反映了岩体强度和受力状况以及他们之间地联系[3]。

因此,通过测定围岩塑性松动圈的大小,可以确定合理的支护参数。

目前工程中主要采取在试验洞段中选取若干个具有代表性的断面进行测试,根据所测得的多组围岩参数,按照经验或概率统计的方法来确定塑性圈的大小。

但由于其理论前提不完善,加之岩体结构和构造相当复杂,导致这些计算往往带有一定的盲目性和不确定性。

围岩松动圈是地下工程中普遍存在的实际物理力学状态,它对地下工程的稳定性影响很大。

为此提出的支护自重荷载的概念,至今仍广泛应用于国内外浅部地下工程设计。

在国内,董方庭等人经过长期研究,1985年系统地提出围岩松动圈支护理论,在煤炭系统得到广泛应用。

这些理论的运用,都需要知道松动圈的范围(大小),因此测试松动圈具有较强的实际意义[4、5]。

目前在工程界,根据原理的不同,可以分为:地震声波法、超声波测井法、探地雷达。

地震声波法主要是根据探测围岩纵波波速的差异来判断其松动范围,根据探测方式及解释原理的不同可分为:折射波法、层析成像法(CT)[6]。

超声波法利用超声波波速、波幅、频率等特征参数及其变化规律来判断,而探地雷达则根据相对介电系数的差异来判断围岩松动圈的范围。

虽然CT测得的剖面精度较高,但其需采集的数据量特别大、成本高昂,故一般很少采用。

实际通常采用折射波法、超声波测井法、探地雷达这三种方法。

1　折射波法原理及其应用效果
在边坡及洞室开挖过程中,由于爆破施工使岩体表面产生一定深度的松动,使得开挖边界近区的岩体波速小于原岩波速,入射弹性波在松动与未松动分界面处产生折射,所产生的折射波沿分界面传播一定距离后,又被折射回开挖表面。

在一定距离外,这种折射波比直达波更快地到达开挖表面。

通过测量某一范围内折射波的走时,即可确定松动范围的深度。

折射波法采用单边激发和两端激发两种方式观测,图1示出了两端激发、中间接收的观测方式,O1O2为开挖的岩壁表面,分别自震源O1和O2发出的弹性波在半无限空间呈球面波向周围传播,波在松动分界面R处产生反射和折射,大部分进入未扰动地层;而以临界入射角i入射到分界面处所产生的折射波沿界面传播并折射回表面被安置在O1O2之间的检波器接收到。

在观测点S处能观测到分别来自震源O1和O2发出的弹性波分别沿路径O1ABS及O2DCS传播的折射波旅行时t1和t2,自震源O1激发,在O2接收的沿路径O1ABCDO2传播的折射波旅行时与自
能利用综合信息进行找矿预测和靶区优选。

3　局部异常评价、筛选与分类
为寻找金矿盲矿体,评价局部物化探异常至关重要。

如日本菱菱刈金矿、我国焦家式金矿等是根据电阻率法圈出隐伏构造,再在构造有利部位研究激电异常后发现的。

评价综合物化探异常,除研究异常所处地质背景、物化探异常组合特征外,还要根据各种异常相关关系,判别评价隐伏目的异常和微弱的不明显异常,另外要采用一系列的方法作定量计算,为异常性提供定量分析依据。

再根据局部综合异常判别重力场源的规模,结合有关金矿类型的物化探找矿模式中的密度参数,判别是矿或非矿异常。

用电阻率法、激电法,根据电阻率或极化率的大小判别可能是矿或非矿,以及判别属何种金矿类型,另外,对化探异常的判别分析,主要根据元素组合、单元素背景值衬度、变异常系数、面金属量、规格化面金属量、化探相态分析法、构造地球化学法等一系列的方法进行判别。

同时还要根据元素的垂直分带、水平分带、探途元素、远程指示元素、前缘晕元素组合、尾晕元素组合等特征,判别异常性质属矿异常或非矿异常,以及其成矿类型、矿化规模等关于盲矿体的一系列情况,最后再依据条件筛选分类。

4　结束语
在金矿成矿有利和找矿有望地区,若工作程度较低,物化探资料较少,尚需进一步工作,则应尽量考虑采用有效的先进方法,进而达到预测寻找金矿体的目的。

总第98期2004年第7期
西部探矿工程
WEST-CHINA EXPLORA TION EN GIN EERIN G
series No.98
J ul.2004
图1　折射波观测方法及其时距曲线
震源O2激发,在O1接收的沿路径O2DC BAO1传播的折射波旅行时相等,定义为互换时间T,S点处的松动面法线厚度为h,假设扰动(松动)岩体的波速为V1,未松动岩体的波速为V2,定义t0为
t0=t1+t2-T
定义差数θ(x)为
θ(x)=t
1
-t2+T
则利用t0—差数θ(x)时距曲线法折射波解释可得到S点处的法线深度,即
h=V1V2(t1+t2-T)
2V22-V21
(1)
式中V1可通过求取沿路径O1S传播的直达波走时的斜率倒数得到,V2可通过求取差数θ(x)斜率得到,当松动分界面R的角度<15°时,V2可表示为
V2=
2
dθ(x)/dx
(2)
从图1可以看出,只有满足激发点与测点的距离大于临界测距x c时,才能观测到折射波,x c可表示为
x c=2hV1V2/(V22-V21)(3)由(3)式可以得出:
(1)当采用光爆或全断面切削钻进时,由于对岩体的扰动极小,此时V1≈V2,而x c是有限的,可以断定此时松动圈h的范围很小或测不到松动圈;
(2)当岩体为强风化或岩体强度不高,但完整性较好,由于爆破能量有限,大部分振动能量被吸收掉,不致向更深范围传播,此时岩体与岩块的波速相差不大,由(3)式可知此时松动圈的范围也不大。

孙毅[7]应用折射波法对宁夏黄河大柳树坝址的五个坑道断面进行了围岩松动圈测试。

得到折射波测量结果与实测结果吻合的很好。

李维树[8]
对隔河岩电站洞群围岩松动圈检测,利用5个钻孔进行测试。

采用一点接收、多点分次锤击的折射波法,也取得了较好的效果。

2　钻孔超声波法原理及其应用效果
由岩石力学理论可知,围岩应力越大,岩体越致密,裂隙越少,则声波在岩体中的传播速度就越快,反之亦然。

超声波测试时,在测孔中插入探头,反射换能器发射出超声波。

沿钻孔向前传播的超声波经两个换能接收器,计数器将这两个换能器间超声波通过的时间间隔记录并显示出来,就可以计算出超声波传播速度和判断出松动圈的边界。

声波探测技术[9,10]是研究人工激发的声波(频率<20kHz)或超声波(>20kHz),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。

图2　某巷道超声测孔曲线(引自文献13)
不同岩性的岩体,声波速度不同。

在相同岩性的岩体中,声波速度及振幅的衰减与结构面的性质、发育程度有密切关系。

围岩的完整性好,其纵波速度高,围岩节理裂隙多或较破碎,其纵波速度低。

在同一钻孔中,测出距巷壁不同深度L位置的波速V p=L/t
式中:L———发射探头与接收探头之间距。

对同一仪器,同一测定方法,L是一个定值。

并做出V p—L 曲线图,结合室内标本测试资料和地质情况,即可推断出围岩松动范围。

霍志芳和郭长生[9]在黄陵煤巷的监测试验中,对8个断面的速度曲线进行了分析、对比,较为可靠的得出围岩的松动范围,取得了一定的实际应用效果,图2为某巷道超声测孔曲线。

3　探地雷达法原理及其应用效果
探地雷达法观测方法与地震反射波法相似,其原理是通过向介质中发射高频、宽频带电磁波,并接收电磁波遇到介质界面后的反射回波信号,记录到的电磁波双程走时及波幅、同相轴等波形资料,反射界面或目的体的深度位置及几何形态。

同样,介质之间的物性差异亦可以导致波形资料的变形,故界面两侧物性差异越大,则界面越易于分辨。

由图3得出记录到的电磁波在介质中传播的双程走时t(ns)
t=4z2+x2/V(4)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(4)中的t为记录值,x为经验确定值,故欲得到z值,必须已知V,V可由共中心点法(CMP)现场实测得到,亦可查取经验
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J ul.2004
No.7
数值。

选用不同的天线将得到不同的探测精度和深度。

刘传孝[11,12]分别在1999、2000年对典型的巷道进行雷达探测试验,对雷达探测的图像进行了解释对比,分析得出围岩松动的范围。

得出巷道围岩松动圈的发育具有结构特点,其中软弱结构起关键作用的结论。

宋宏伟等
[5]
用探地雷达方法检测两个运
输顺槽,并对结果进行分析,证明探地雷达可以方便、有效地测出煤矿巷道围岩松动圈,特别是用声波法难以测试的煤层等低强度围岩的松动圈。

4　存在问题及发展方向4.1　存在问题
传统的围岩松动圈测试方法为钻测法,应用干孔换能器及岩体声波测试仪进行测试。

根据接收方式的不同可分为两种方法。

一种是井下单孔测试,即同一钻孔中放入一个发射探头和两个接受探头,实行一发双收。

另一种是双孔测试法,即把发射探头和接受探头分别放在两个平行的钻孔中,并同步沿孔轴线移动,保证两探头于同一孔深度位置测试。

该方法的钻孔平行度、探头移动同步性都较难掌握,故测试误差大。

钻孔超声波法测到的速度比较准确,但由于发射能量所限,每步发射只能推进0.2m ,且测试工作十分繁琐。

当遇到松散体时,成孔十分困难,注满水更难,致无法进行测试。

钻孔超声波法测得的结果仅为“一孔之见”,缺乏横向连续性。

折射波法能较全面地测试整个洞室各部位围岩松动圈厚度,相对于钻孔超声波法而言,具有快速、简便、不需打测试孔等优点。

但当表层围岩松弛区与底层完整岩体无较明显波阻抗差别时,折射波法效果欠佳,而且,受仪器分辨率限制,其测量精度不如钻孔超声波法,有待进一步完善。

不需要钻孔的地质雷达测试作为无损检测新技术,以其精度、效率和分辨率高、快速经济、灵活方便、剖面直观等优点,在土木工程领域得到愈来愈广泛的应用。

特别是在用声波法测试困难的煤系地层巷道中,也能取得围岩中松动圈分布的数据。

但是,当松动区与完整围岩的相对介电系数的差别太小,则界面分辨的不太明显;另外,其分辨率与探测深度很难兼顾,且抗干扰性较差。

同时,每种方法的局限性,导致松动圈测试解释结果的多解性。

4.2　围岩松动圈测试方法的发展方向
围岩探测的发展趋势将会是取各种方法之长来组合成新的方法,即根据不同地质结构、不同的地质情况以及不同的施工要求来选用不同的方法组合。

采用“钻孔超声波-折射波”法,即在探测的目的区钻取一个或几个控制钻孔,采用超声波法取得准确的松动地层及完整岩体的波速,然后根据探测深度及探测精度的要求,选择最佳的道间距及观测系统,采用折射波法全面探测洞室各部位的围岩松动范围。

在施工布线时,折射波测线要经过钻孔;在处理、解释时用钻孔资料进行点控制,既能取得松动范围的横向变化,又能得到较高的精度,这样就能很好的达到施工设计的标准。

根据施工情况,钻孔超声波法可以与探地雷达方法相结合,钻孔超声波法还可以与孔间层析成像技术(CT )[13]相结合,以得到更高精度的围岩松动圈测试结果。

当钻孔的布设困难时,可加大超声波能量,采用超声波反射法进行围岩探测,可以减少钻孔的布设。

5　结束语
围岩松动圈的大小是一个综合指标,它不仅综合地反映岩体性质、原岩应力、巷道断面、掘进方式等因素对围岩稳定的影
响,而且定量地反映了围岩支护的难易程度。

因此采用合理的检测方法,准确的探测围岩松动界面及其松动的程度,对验证、指导设计支护参数,有很重要的指导意义。

当钻孔的布设较易时,可以采用“钻孔超声波—孔间CT ”测试方法,当钻孔的布设较难时,采用“钻孔超声波-折射波”法测试及“钻孔超声波-反射波”法测试,在开挖的岩壁表面范围较大时,可采用“钻孔超声波-探地雷达法”测试。

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The G eophysics Methods to Detection of Flexible Circle CAI Cheng 2guo 1,MEN G Zhao 2hui 2,XION G Chang 2sheng 1
(1.Geophysics depart ment of Chi na U niversity of Geosciences (W uhan ),W uhan Hubei 430074,Chi na ;2.The detection center of buil d engi neer quality of shenz hen city ,S hengz heng Guangdong 518031,Chi na )
Abstract :Broken zone of the surrounding rockmass is ubiquitous the physical dynamic state in underground engineering.It effect on the stabilityof under ground engineering.The harmless detection of flexible circle may determine the parameters of timbering.The geophysical methods of harmless detection of broken zone using refraction ,drilling ultrasonic and radar are introduced in this paper.Wepoint out what are theirapplicable assumptive conditions.Moreover we use the exampleto illustrate theiradvantage and disadvantageand limitation.Finally we point outtrends of the development of the harmless de 2tection of broken zone.
K ey w ords :Broken zone of the surrounding rockmass ;refraction ;drilling ul 2trasonic ;radar ;harmless detection
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8　2004年第7期
蔡成国,孟照辉,熊昌盛:围岩松动圈地球物理方法检测。