CUMT-弹性波理论及其在采矿中的应用

中国矿业大学矿业工程学院

实验报告

课程名称 采矿地球物理学概论 姓名 liugeng 班级 采矿07-3班 学号 日期 2010年1月 成绩 教师 窦林名 弹性波理论及其在采矿中的应用

一．概述

岩体声波探测技术是为解决工程施工和设计发展起来的, 七十年代初, 我国声测技术用于地下工程,到目前为止已有四、五百个单位应用了这种技术。岩体声波探测主要用来探测地下酮室围岩松动范围, 对工程围岩进行分类及稳定性评价, 测定岩体物理力学参数, 检测一些工程的施主质量等等。过去岩体物理力学参数及有关地质特征的测试方法, 主要是建立在静力学基础之上, 这种方法虽然直观、明确, 但耗费大量人力、物力和财力, 测试周期长, 难度也比较大。采用声测技术加快了探测速度, 测试受外界条件干扰小,结合地质描述能够比较全面地反映围岩情况, 及时地为现场施工提供信息。目前地下工程施工中新奥法被逐步推广应用, 人们已经充分认识到保护围岩可以更好地发挥围岩的自承能力, 更加重视控制爆破技术以减小对围岩的扰动。声测技术用以指导爆破施工, 确定和修改爆破参数可以发挥较大作用, 所以这项技术是现场技术人员全面、准确地了解围岩性质和工程施工情况的一种新途径。

二．岩体的力学及声学特性

1.弹性波及其传播

波动现象在自然界中大量存在, 例如地震波、声波、光波、电磁波等。这些波动虽然有各自的特点,但也具有许多共同的传播规律。当外力对弹性介质的某一部分产生初始扰动时, 由于介质的弹性, 这种扰动将由一个质点传播到另一个质点, 如此连续进行下去,即出现弹性波。在岩体中进行声波探测时, 把岩体视为弹性体,承载信息是弹性声波, 人们通过对弹性波动规律的研究发现, 介质中的弹性波与弹性体的性质有以下关系：

VP?E(1??)?(1??)(1?2?) ； VS?E2?(1??)

式中： VP—纵波速度； VS—横波速度； E—介质的弹性模量； ?—介质的泊松比； ?—介质的密度。

上式表明在无限弹性介质中传播的波, 只有纵波和横波两种波。

一切纵波, 不论波长的大小, 也不论波形如何,在弹性介质内部都以琉密发散的形式向四周传播, 其速度

是个常数, 它只与介质的弹性系数?和?以及介质密度

有关。这个

纵波在一定的周期范围内就是声波（这里的声波也包括频率高于的超声波,在声波探测中, 习

惯上把声波和超声波合在一起, 泛称为声波）。

一切横波, 不论波长大小与波形如何, 在弹性介质内均以剪应变的横向位移形式向四周传播, 其速度

VPVS?3，通过测定出

以上结论就是岩体声波探测技术的主要理论基础。

2.岩体声学特征及其弹性波速度分析

岩体是由岩块和结构面组成, 岩体中宏观结构面的性质、大小、方向、密交及组合状况对岩体中弹性波传播特征产生作用是影响岩体工程特性最本质的因素, 因此通过弹性波传播特性, 可以了解岩体的天然裂隙状态。

岩体的弹性波速度可以作为判断岩性、岩体结构的绘合指标。它既可以反映岩石的软、硬, 又可以表达岩体结构的破碎程度, 能较好地反映岩体的工程性质。

虽然弹性波速度综合反映了岩性的特征, 但各种因素影响程度需要具体情况具体分析。例如弹性波速度低, 就可能有几种情况岩体完整, 但岩质松软岩质坚硬, 但岩体破碎, 岩体的结构面发育, 有裂隙等等。因而在判断上还要借助于其它条件, 如地质描述, 岩性鉴定等资料。弹性波速度可以作为一种半定量、绘合性的岩体分类指标, 通过对各种岩石试件的定量分析, 结合岩体的定性描述,可以准确地反映岩体工程性质。作为岩体分类方法是有发展前途的。

??VV是个常数, 而只与介质

和

可以用来估计

值。

VP?Lt?10米/秒

3有关。对于大多数岩石来说, ??0.25，故

三．超声波围岩裂隙探测仪在地质坑道中的应用

1.仪器测试原理

超声波围岩裂隙探测仪是一种小型轻便的声测仪器, 主要用于探测围岩裂隙。其测试结

果以数字形式由数码管显示, 测定岩体纵波速度单一参数。

探测仪为主机和探头两部分组成探头为一发、二收换能器组件, 其中F为一个发射换能器,J1 , J2为两个接收换能器, 探头注入充满水的炮眼中。

主机发射电信号, 通过换能器转换和传播, 接收到两个电信号, 由主机直接显示L距离上声波传播的时间t 。由下式计算声波速度。

2.测试实例

为了尽快地应用这项目, 我们进行了坑内多剖面声测工作。如图2为典型剖面应力松动圈和声波随孔深变化曲线。表1为典型剖面测试结果。

3.确定围岩应力松驰带范围

测定应力松驰带方法很多, 而声波探测较简单。它主要根据围岩内传播的声波速度随完整性下降而降低, 又随密度升高而上升的性质, 测出距离表面不同深度（L）处岩体的声波速度

值, 作出VP—L曲线,结合地质描述, 推断出围岩的松驰带厚度。 图为典型剖面各孔的

曲线。曲线表明：A孔速度变化不大, 且岩体比较完整, 无

明显的应力松驰带；B孔岩体声波速度比较低, 岩体为碎块状,可认为是完全应力松驰带, 随着深度增加, 声速有上升的趋势。C孔具有明显地应力松驰区, 但深度在800毫米以内。

从图2可知, A孔方向与岩石层面一致, 孔壁比较光滑, 处于一层比较完整的岩层之中, 与结构面不相交, 比较接近于岩石试件中的速度。B孔和C孔与岩层斜交, 结构面的影响和张性裂隙是造成松驰区的主要原因。

通过测定可以认为这种裂隙岩体不进行支护就能达到自稳, 但是由于施工中采取过量

装药, 增大了岩体的松动, 因此局部地段需进行锚喷支护, 特别是喷浆及时封闭了围岩裂隙, 有利于自稳。同时说明爆破和开挖很重要, 采用控制爆破有利于保护围岩将会发挥更好的经济效果。

表1 典型剖面测试结果 600 700 800 测 点 深 度 L （毫米） 900 1000 28.9 34.2 30.2 测试内容 时间（?s） 500 32.5 A VP—1100 27.9 1200 29.4 33.5 34.1 4120 113.0 1220 72.2 1910 4050 107.1 1280 71.7 1920 4040 99.1 1390 73.1 1890 4570 83.5 1650 28.2 4890 4780 73.7 1870 31.1 4440 4950 70.5 1960 30.1 4580 4690 68.9 2000 27.9 4950 速度（?/s） 4250 时间（?s） 速度（?/s） 99.1 1390 73.3 B C 时间（?s） 速度（?/s） 1880 4.推断岩石和岩体的物理力学参数

声波侧试确定岩石和岩体物理力学参数是建立在统计学基础之上, 人们已经通过测试与静力学方法对比, 得到许多经验公式。采用这些经验公式我们可以作典型剖面岩石物理力

学参数的近似计算。为了计算方便, 假定孔为岩石试件的声波速度值注根据地质特征而定, 不具普遍性, 严格讲应该以岩石试件测试为准。

（1）确定岩石密度?：根据无裂隙岩石试件,岩石密度与纵波速度经验公式为：

lgVP?3.176?0.5(??0.15)lg?

取=4950米/秒

3得?=2.48（克/厘米）

（2）估算岩石抗压强度R石：获石采用我国地质系统九单位岩石声学组测试结果经验公式：

R石?74VP1.6

计算结果

R石?971.7（公斤/厘米）（3）估算横波速度VS：

R石?126VP0.822?VS0.82

计算结果

VS?2715.4(米/秒)

（4）计算岩体的动弹模量Ed和静弹模量ES: Ed???VS(3VP?4VS)(V2P222?V)?g2S,ES?0.1Ed1.43

式中?、VS、VP按以上计算值代入，g为重力加速。 计算结果：

Ed?47.9455?10(公斤/厘米)ES?25.32?10(公斤/厘米)4242

（5）计算岩体的动泊松比?d:

?d?(VP/VS)?22(VP/VS)?122

计算结果

?d?0.285。

5.坑道围岩完整性和稼定性评价

（1）岩体的裂隙系数LS

VP石?VP体V2P石22LS?

式中：VP石一岩石的纵波速度,

VP体—岩体的纵波速度, 为实测平均值。

通过上式可以计算出剖面上各孔位的裂隙系数,以较大值为稳定性判据。典型剖面计算结果为0.896。岩体的工程性质参见表2。

表2 岩体裂隙系数分类 裂隙系数LS <0.25 0.25—0.5 0.5—0.65 0.65—0.8 >0.8

2（2）岩体的完整性系数 KW?(VP体/VP石)

岩体的工程性质 最坚硬的 较坚硬的 坚固的 稍差的 很差的 以各孔的较小值为完整性判据, 典型剖面计算结果为0.104。其完整性评价参见表3。

完整系数KW >0.75 0.45—0.75 <0.45 表3 岩体完整性评价

岩体完整性状态 裂隙及节理发育情况 少，节理不发育 一般，节理较发育 多，节理发育 （3）岩体强度R体：体根据地质描述典型剖面可认为是裂隙岩体, 因此R体?KW?R石,

2取岩体强度较小值, 计算结果R体?101公斤/厘米。

裂隙间距（cm） >80 20—80 <20 结构 整体 块体 碎体 表4 应力岩体强度比确定坑道稳定性 应力岩体强度比 s?坑道稳定性 坑道充分稳定 坑道暂时稳定 坑道不稳定 ?HR体S<0.25 0.250.45 （4）岩体稳定性评价

根据应力岩体强度比进行评价, 参见表4。

通过以上经验类比, 推断出典型剖面岩体局部比较破碎, 爆震裂隙较多, 具有松弛区, 岩体的工程性质比较差, 岩体为块体和碎块体结构。由于坑道埋深较浅, 构造应力的作用小,所以坑道仍具有相当稳定性。

四．结论

通过典型剖面结果分析, 可以得出以下初步结论和认识：

1.声波测试可以较好地指导爆破施工, 可以测定出岩体松弛范围, 确定支护形式, 及时掌握施工情况, 测试简便, 适合于现场技术人员使用。

2.对于地质勘探坑道, 在一些埋深较浅的地段,因跨度较小, 地压力的作用韭不十分明显, 在比较坚固的岩层中不会形成松弛区, 而主要是裂隙和爆破扰动的影响。在软弱围岩除爆破扰动以外, 渗透水将对扰动区自承能力有较大的削弱, 因此, 必须进行控制爆破。

3.声波测试可以提供一些岩石物理力学参数,可以用于评价围岩稳定性, 以便及时采取支护措施,特别是采用信息化指导施工, 可以发挥较大作用。

4.声波速度值虽然反映了岩体的软、硬和破碎程度, 但还不能完全作为定量依据, 必须结合地质资料进行综合具体分析。

5.为了能够更好地开展这项技术, 在购置仪器时应尽可能的一机多用, 扩大使用范围, 同时需要适当的室内试验, 取得各种不同类型岩石的声波参数。积极开展静力学方法和声测技术对比试验, 积累经验,找出规律, 使岩石声波测试工作取代静力学方法。

声波测试是为了进一步认识岩石和岩体, 只有在不断提高对声测的认识, 研究分析方法, 才能使这项技术得到迅速发展。

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