基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究_许延春.pdf

基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究 许延春1,2, 谢小锋1,2, 李昆奇1,2, 刘世奇1,2 1． 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院, 北京 100083; 2． 国家煤矿水害防治工程技术研究中心 北京, 北京 100083 [摘 要] 基于超声波检测速度快、 对试样尺寸和形状要求低并且可以反映岩石强度的特点, 通过室内试验模拟岩体裂隙及注浆过程, 应用超声波检测技术测定岩体在不同裂隙宽度下声波传播速 度, 并对比分析了岩体注浆前后、 干式状态及湿式状态的波速变化规律。 结果表明 不同岩性的岩石 波速差异较大, 同一岩性的岩石, 其波速也不尽相同, 灰岩中波速相对最高, 其次是砂岩, 泥岩中波 速相对最低; 各类岩性的岩石纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小; 在同一裂隙宽度下, 随着含水 量增加, 波速增大; 注浆后与未注浆时相比, 波速也明显增大。 通过本试验不仅认识了岩体裂隙及注 浆的波速变化规律, 同时试验也证实了利用超声波测试岩石内部声波速度是评价裂隙岩体注浆加固效 果的一种有效手段。 [关键词] 超声波检测; 岩体裂隙; 注浆加固; 纵波波速 [中图分类号] TD265． 3 3 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0060-04 Experimental Studying on Rock Fractures and Grouting Influence Based on Ultrasonic Testing XU Yan-chun1,2, XIE Xiao-feng1,2, LI Kun-qi1,2, LIU Shi-qi1,2 1． Resource 2． Engineering Technology Research Center of National Mine Water Disaster Prevention rock mass fracture; grouting reinforcement; longitudinal wave velocity [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 017 [基金项目] 国家自然科学基金资助项目 51504095 [作者简介] 许延春 1963-, 男, 河北唐山人, 教授, 博士生导师, 从事特殊采煤的研究与教学工作。 [引用格式] 许延春, 谢小锋, 李昆奇, 等 ． 基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 60-63． 几乎所有的原岩体中都存在一定程度的裂隙, 裂隙是由于地质作用而形成的不连续面, 这些弱面 在很大程度上影响并控制着原岩体的强度特征和渗 流特性。 底板注浆加固及含水层改造能有效改善裂 隙岩体的阻隔水性能, 被广泛应用于防治底板承压 含水层突水。 然而岩体注浆加固是一个受多因素影 响的复杂过程, 国内外学者对此做了大量研究工 作。 许延春、 李振华等总结了近年来回采工作面底 板注浆加固防治水关键技术[1-3]; 许延春建立了注 浆加固工作面底板突水 “孔隙裂隙升降型” 力 学模型[4]; Hideki Shimade 研究了注浆材料的作用 机理[5]; 葛家良、 杨米加等进行了岩体注浆模拟 试验研究[6-7]; 杨鑫、 颜峰、 吴基文等分析了承压 水上开采底板注浆效果的影响因素及综合检验技 术[8-10]。 可以看到, 注浆加固效果是岩体、 注浆材 料和注浆工艺等多种因素综合作用的结果, 其检测 评价方法主要有物探法 包括直流电法、 瞬变电 磁法、 无线电波透视法、 声波测试法、 钻探法、 RPT 法、 PST 综合法[11]等, 其中利用超声波检测 技术评价岩体注浆加固效果是一种有效而实用的手 段。 它测量的是原岩体在注浆前后不同状态下其内 部声波速度的变化规律, 据此推测原岩体相关的物 理性能, 并根据相关经验公式计算出纵波横波衰减 系数、 等价弹性模量及岩石单轴抗压强度等力学参 数。 由于是在现场大范围内进行的测量, 其结果更 接近于工程实际情况, 更加准确可靠, 既可以为室 内试验及数值模拟研究提供数据基础, 又可以为现 场注浆参数的选择及注浆方案的优化提供科学依 06 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 据。 但由于现场地质采矿条件所限, 注浆加固效果 检测往往工程量大, 耗时耗力, 因此本文通过室内 试验模拟岩体裂隙及注浆过程, 预制 4 种宽度 0mm, 2mm, 3mm, 5mm 的裂隙, 应用超声波 检测技术对不同岩性的试样在注浆前、 注浆后干式 状态、 注浆后湿式状态 3 种条件下的岩体内部声波 传播速度进行测定, 并对比分析了不同情况下波速 变化规律, 从而判断注浆加固效果。 试验结果对岩 体质量评定具有重要指导意义, 同时可为现场工程 实践中利用超声波 “一发双收法” 分析岩体注浆 加固效果提供借鉴。 1 岩体声波测试技术 大量的理论分析和现场实践证明, 岩石本身具 有力、 声、 电、 磁、 热等物理性质。 岩石内部声波 传播速度综合反映了岩石本身的各种物理力学性 质。 研究发现, 岩石内部声波传播速度的影响因素 有很多, 内部因素主要有岩石本身的岩性、 密度、 孔隙率等, 外部因素主要有岩石含水率、 温度条件 等[12-13]。 此外, 试样的制作及试样尺寸对测量结 果也有一定影响。 岩体声波测试技术是研究纵波和横波在岩体内 部的传播速度及规律, 据此推断岩体相关的物理力 学状态, 为评价工程岩体质量提供基础。 一般来 说, 岩体中由于裂隙和结构面的存在, 并不能看作 是理想的均匀介质, 但从工程角度考虑, 当超声波 波长远小于所测量原岩体的空间尺寸时, 可以将岩 体视为连续的各向同性线弹性材料, 其内部纵波波 速 Vp和横波波速 Vs与介质性质存在如下关系[14] Vp E1 - μ ρ1 μ1 - 2μ 1 Vs E 2ρ1 μ 2 式中, E 为介质弹性模量; μ 为介质泊松比; ρ 为介 质密度。 将上述两式相除得 Vp/ Vs21 - μ / 1 - 2μ3 对于大多数岩体而言, μ 值在 0． 25 左右, 代入 上式得 Vp≈ 1． 73Vs。 由此可见, 纵波比横波传 播速度快, 容易测量。 孟召平等研究表明[15-16], 纵波波速比横波波速能更好地反映介质的力学特 性, 因此测试岩体中纵波波速更简单适用, 且具有 测试精度高、 试验费用低、 对试样无损伤等优点, 在室内试验和现场实践中已被广泛应用。 2 试验过程 2． 1 试样制作与试验设备 试验岩石样品取自赵固二矿煤层底板不同位置 的钻孔, 砂岩、 泥岩、 砂质泥岩、 铝质泥岩、 灰岩 各若干。 选取具有代表性的试样在室内进行加工, 根据试验要求将其钻取和切割成直径 50mm, 高 100mm 的标准圆柱体试样, 将两底面打磨光滑, 使其相互平行并且垂直于圆柱体轴线。 基于上述分析, 本试验采用 ZBL-U520 型超声 波检测仪对岩石内部纵波波速进行测定。 如图 1 所 示, 采用对测方式, 超声波通过试样时, 仪器屏幕 上显示接收到的声波波形, 根据波形判读得到纵波 在试样中的走时 T , 而收发换能器间距 即所测 试试样的长度 L 可通过游标卡尺精确测量, 由此 求得纵波在试样中的传播速度为 Vp L/ T 。 图 1 超声波检测示意 2． 2 试验步骤 试验主要研究不同宽度的裂隙岩体在注浆前后 其内部纵波波速变化规律, 其中预制裂隙宽度设置 4 个水平, 分别为 0mm 即完整状态, 2mm, 3mm, 5mm。 试验在未注浆状态、 注浆后干式状 态、 注浆后湿式状态 3 种条件下分别测量各试样声 参量。 1 未注浆状态测量 保持试样完整, 在两 端面均匀涂抹一薄层凡士林, 将发射换能器和接收 换能器紧贴两端面, 成对穿状 图 2, 测量并记 录数据。 图 2 未注浆状态测试 2 注浆后干式状态测量 将各岩样垂直轴 16 许延春等 基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究2016 年第 2 期 ChaoXing 线等分切割成两段, 每段高 50mm, 在两段岩样之 间边缘处分别加不同厚度 2mm, 3mm, 5mm 垫 片, 用玻璃胶将垫片与岩样粘合, 以表示固定宽度 的裂隙。 结合赵固二矿实际情况, 注浆材料按水 泥 ∶ 黏土 1 ∶ 3 的比例, 加入适量水配制浆液。 用浆液将两段岩样之间裂隙充填满, 稍干后用防水 胶带沿四周封住裂隙部位, 防止浆液漏出 图 3。 各试样在每种裂隙宽度条件下, 分别测试 3 次, 取 平均值。 图 3 注浆示意 3 注浆后湿式状态测量 在上述干式状态 下的各次试验测试完成后, 将各对应试样放入盛满 水的水槽中, 静置一段时间, 在水中测试各试样声 参量, 即湿式状态, 见图 4。 图 4 湿式状态测试 测试结果见表 1。 3 试验结果及分析 由表 1 可知, 在试样完整状态下, 灰岩中纵波 波速相对最高, 为 5． 9 6． 2km/ s; 其次是砂岩, 波速为 3． 0 3． 9km/ s, 且细砂岩波速高于粗砂岩 波速; 泥岩中纵波波速相对最低, 为 1． 8 2． 2km/ s; 而砂质泥岩和铝质泥岩, 由于受到所含矿物成 分的影响, 其波速介于砂岩和泥岩之间, 为 2． 5 3． 1km/ s, 且铝质泥岩波速高于砂质泥岩波速。 一 般来说, 岩石的密度由泥岩到砂岩到灰岩逐渐增 大, 试验结果表明, 岩石纵波波速与其密度呈非线 表 1 各类型岩样纵波波速km/ s 岩性测试状态 裂隙大小/ mm 完整 0235 粗砂岩 未注浆3． 0342． 0581． 5431． 135 注浆后干式3． 0342． 5632． 2761． 937 注浆后湿式3． 1382． 7382． 3121． 905 细砂岩 未注浆3． 7572． 2681． 8431． 237 注浆后干式3． 7573． 2423． 0542． 638 注浆后湿式3． 9213． 4233． 1462． 836 泥岩 1 未注浆1． 8471． 0260． 8740． 603 注浆后干式1． 8471． 3291． 0380． 947 注浆后湿式1． 9841． 5371． 3221． 053 泥岩 2 未注浆2． 0741． 1380． 9360． 686 注浆后干式2． 0741． 5381． 2481． 136 注浆后湿式2． 2361． 6081． 4291． 142 砂质泥岩 未注浆2． 5381． 6031． 4371． 196 注浆后干式2． 5382． 0481． 7381． 554 注浆后湿式2． 6342． 1461． 7951． 603 铝质泥岩 未注浆3． 0931． 8741． 6321． 296 注浆后干式3． 0932． 5572． 3492． 142 注浆后湿式3． 1272． 7382． 5012． 425 灰岩 1 未注浆5． 9684． 5834． 3053． 984 注浆后干式5． 9685． 6585． 5365． 422 注浆后湿式6． 0725． 8355． 8015． 629 灰岩 2 未注浆6． 1524． 9724． 5024． 037 注浆后干式6． 1525． 8035． 6975． 502 注浆后湿式6． 2396． 0385． 8235． 694 性正相关关系, 具体规律有待进一步研究。 整体对比各类型岩石测试结果可以发现 不同 岩性的岩石纵波波速有很大差异, 且相互之间存在 一定范围的交叉; 而即使是同一岩性的岩石, 由于 取样地点的不同, 岩石受本身赋存环境的影响, 其 内部纵波波速也不完全相同。 3． 1 注浆前后波速对比分析 为了更直观地对比在未注浆状态、 注浆后干式 状态、 注浆后湿式状态 3 种条件下, 各类型岩石纵 波波速与裂隙宽度的关系, 根据表 1 作出图 5。 由图 5 可知, 在试验 3 种条件下, 各种岩性的 岩石, 其纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小, 说明由于裂隙的存在, 声波在不同介质间传播, 传 播过程中能量损耗增大, 波速降低。 在同一裂隙宽 度情况下, 注浆后与未注浆相比, 波速有明显提 高, 但均低于初始完整状态下的波速, 说明注浆能 有效提高裂隙岩体连续性, 改善其整体力学性能。 在裂隙宽度最大 5mm 时, 未注浆状态下, 灰岩中波速由初始值 6． 152km/ s 降低至 4． 037km/ s, 降低了 34; 砂岩中波速由初始值 3． 757km/ s 降低至1． 237km/ s, 降低了67; 泥岩中波速由初 始值 2． 074km/ s 降低至 0． 686km/ s, 降低了 67。 而注 浆 后 与 注 浆 前 相 比, 灰 岩 中 波 速 提 高 至 26 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 图 5 各类型岩石纵波波速与裂隙宽度的关系曲线 5． 502km/ s, 提 高 了 36; 砂 岩 中 波 速 提 高 至 2． 638km/ s, 提高了 113; 泥岩中波速提高至 1． 136km/ s, 提高了 66。 由此可见, 裂隙对砂岩 和泥岩中波速的影响幅度最大, 而注浆过程对砂岩 和泥岩的改善效果也最明显, 这主要是因为灰岩中 波速初始值最大, 而砂岩和泥岩中波速初始值相对 较小所致。 3． 2 干式湿式状态波速对比分析 从图 5 中注浆后干式与湿式状态的对比可知, 各种岩性的岩石, 其湿式状态波速均略高于对应的 干式状态波速。 在试样完整状态下, 干式波速和湿 式波速差异不大; 在有裂隙试件干式未注浆时, 与 同一试件裂隙注浆后湿式状态相比, 波速相差幅度 很大。 说明水的存在严重影响着岩石内部声波传播 速度, 随着含水量的增加, 岩石声波速度增大。 但是由于岩性不同, 岩石本身的矿物成分、 风 化程度等因素有很大差异, 不同岩性的岩石中节理 裂隙、 结构弱面的发育情况也就不同, 使得其具有 不同的孔隙率, 完全饱和时, 岩石中吸附的水量有 着明显不同, 这种差异会影响岩石内部声波速度。 因此, 随着含水量增加, 岩石内部声波速度增大的 速率也不完全相同。 水溶液影响岩石声波速度的重要原因是由于水 的存在相当于添加润滑剂, 减小了分子间的摩擦 力, 使分子活动能力加强。 另外, 水溶液作为液体 介质, 给纵波提供了良好的传播条件, 因此随着含 水量增加, 岩石纵波速度增大。 4 结 论 1 试验对不同裂隙宽度情况下岩体内部纵 波波速进行了测定, 发现不同岩性的岩石波速相差 较大, 且相互之间存在小范围交叉。 同一岩性的岩 石, 由于各种内部及外部因素的影响, 其波速也存 在差异。 灰岩中波速相对最高, 其次是砂岩, 泥岩 中波速相对最低。 2 各类岩性的岩石, 其纵波波速均随着裂 隙宽度的增大而减小, 在同一裂隙宽度情况下, 注 浆后与未注浆相比, 波速有明显提高。 3 各类岩性的岩石, 其湿式状态波速均略 高于对应的干式状态波速, 说明含水量对岩石的声 波速度会产生重要影响。 随着含水量增加, 岩石声 波速度增大, 但增大速率不完全相同。 4 利用超声波测试岩石内部声波速度可作 为评价岩石质量及裂隙岩体注浆加固效果的一种有 效手段。 [参考文献] [1] 许延春, 杨 扬 ． 回采工作面底板注浆加固防治水技术新进 展 [J] ． 煤炭科学技术, 2014, 42 1 98-101． [2] 李振华, 许延春, 陈新明 ． 高水压工作面底板注浆加固技术 研究 [J] ． 煤炭工程, 2013, 45 5 32-35． [3] 许延春, 陈新明, 姚依林 ． 高水压突水危险工作面防治水关 键技术 [J] ． 煤炭科学技术, 2012, 40 9 99-103． [4] 许延春, 李见波 ． 注浆加固工作面底板突水 “孔隙-裂隙升降 型” 力学模型 [J] ． 中国矿业大学学报, 2014, 43 1 49-55． [5] Hideki Shimada, Akihiro Hamanaka, Takashi Sasaoka． Behaviour of grouting material used for floor reinforcement in underground mines [J] ． International Journal of Mining, Reclamation and En- vironment, 2014, 28 2 133-148． [6] 葛家良, 陆士良 ． 注浆模拟试验及其应用的研究 [J] ． 岩土 工程学报, 1997, 19 3 28-33． [7] 杨米加, 陈明雄, 贺永年 ． 裂隙岩体注浆模拟实验研究 [J]. 实验力学, 2001, 16 1 105-112． [8] 杨 鑫 ． 承压水上开采底板注浆效果综合检验技术 [J] ． 工 程勘探, 2015 7 91-95． [9] 颜 峰, 姜福兴 ． 裂隙岩体注浆加固效果的影响因素分析 [J] ． 金属矿山, 2009 6 14-17． 下转 82 页 36 许延春等 基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究2016 年第 2 期 ChaoXing 3 结 论 1 采用灰色聚类法开展山西省矿山环境的 综合评价, 结果表明 在空间分布上各监测点状况 好坏差别不大, 污染都较为严重。 因此, 应通过加 强环境科学研究, 发展环保产业, 对于污染较为严 重的片区采取限采措施等, 减少开采对矿山环境的 影响。 2 采用灰色聚类方法综合评价矿山环境时, 不仅考虑了矿山污染程度中系统的灰色性, 同时也 考虑了系统的白化程度, 评价结果能比较客观地反 映矿山环境的真实状况, 说明在矿山环境的综合评 价方面, 应用灰色聚类法是科学、 合理和有效的。 3 该方法可在煤炭矿山环境评价中推广应 用, 在非煤矿山环境评价中也具有借鉴意义, 为国 内外各类矿山环境的综合评价提供了新的技术与方 法支持。 [参考文献] [1] 顾 平, 石昌雪, 陈冬晓 ． 基于模糊数学的矿山环境影响综 合评价方法 [J] ． 中国资源综合利用, 2014, 32 5 58- 60． [2] 孔志召, 董双发, 姜 雪, 等 ． 基于层次分析法的矿山环境 评价 以阜新矿 集团为 例 [ J] ． 世 界 地 质, 2012, 31 2 420-425． [3] 王钧超 ． 矿山环境评价方法综述与治理经验探讨 [J] ． 中国 矿业, 2014, 23 S 103-105． [4] 邓聚龙 ． 灰色系统基本方法 [M] ． 武汉 华中理工大学出版 社, 1992． [5] 钱 斌, 冯启言, 李 庭, 等 ． 基于灰色聚类法的贾汪废弃 矿区地下水水质综合评价 [J] ． 节水灌溉,2014650-53． [6] 苏哲斌 ． 基于灰色聚类分析的西安市空气质量评价模型 [J]. 纺织高校基础科学学报, 2014, 27 3 404-408. 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