深井巷道圍巖體聲波特性及其規(guī)律

文 磊 楊仕教 劉 超 嚴慶文

(1.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.馳宏科技工程股份有限公司，湖南 長沙 410012；3.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 654200)

深井巷道圍巖體聲波特性及其規(guī)律

文 磊1楊仕教1劉 超2嚴慶文3

(1.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.馳宏科技工程股份有限公司，湖南 長沙 410012；3.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 654200)

為掌握深井巷道松動圈的范圍及松動圈內(nèi)巖石破損程度的變化規(guī)律，對云南會澤鉛鋅礦950 m深井巷道進行現(xiàn)場聲波測試。測試結(jié)果表明：不同的巖性，具有不同的聲波特性，在松動圈范圍內(nèi)，巖體聲波特性變化趨勢一致；與上部測試結(jié)果相比較，松動圈的范圍明顯增加。在7種不同巖性的巷道圍巖中，布置了10個測孔，應(yīng)用單孔法進行聲波測試，并對測試結(jié)果進行擬合，獲得了深井巷道圍巖松動圈范圍內(nèi)聲波速度變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。為深部巖體的聲波特性研究提供可靠的參考依據(jù)。

深井巷道 圍巖 聲波測試 松動圈

云南會澤鉛鋅礦是一個擁有50多年歷史的礦井，也是一個正在興建的深部國內(nèi)規(guī)模較大的地下金屬礦山。目前，礦床開采是在1 261、1 201 m等中段，井口高度為2 538 m，即中段離地表的深度為1 300 m左右，且礦山深部正處于開拓準備階段，最深部的開拓已經(jīng)達到離地表1 700多m的深度。此次聲波測試的位置距井口950 m，通過對深度為950 m深井聲波的測試和研究，結(jié)合淺部巖體的聲波特性，可以為更深部的巖體特性的研究提供科學(xué)的參考依據(jù)。

目前聲波測試技術(shù)在巖土工程、采礦工程等方面的應(yīng)用已走向成熟。楊仕教等[1]應(yīng)用聲波測試技術(shù)測試豐山銅礦礦巖的聲波特性，利用其特性計算其礦巖的動彈性力學(xué)參數(shù)，并對采場和巷道的穩(wěn)定性作了詳細的分析。王春來、徐必根等[2]對凡口鉛鋅礦深部(深650 m)礦井進行聲波測試，對巖體的聲波特性進行了詳細的分析和研究。孫清祥、吳狀軍[3]對會澤鉛鋅礦一號礦體進行聲波測試并進行分析和研究，得出了其聲波特性，且不同巖組的聲波特性也有很大的區(qū)別。曾普海[4]對會澤鉛鋅礦工程巖體進行聲波測試和研究，分析其聲波特性，確定了巖體的松動圈范圍。

如何進一步了解深部巷道圍巖內(nèi)部巖體破碎情況，如何了解聲波在深部巖體中的變化規(guī)律，可以應(yīng)用聲波在巖體中傳播速度的變化情況來研判[5]。由于圍巖體受到爆破作用的影響，圍巖內(nèi)部巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育情況也會有很大的變化，離爆源遠的圍巖受到的影響比較小，巖體內(nèi)部的節(jié)理裂隙發(fā)育情況就不是特別明顯；離爆源近的圍巖體受到的影響比較大，巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育情況就相對較明顯[6]。本研究借助云南會澤鉛鋅礦深部開采的條件，通過聲波測試，了解深部巷道圍巖巖體的聲波傳播速度的變化情況，分析聲波波速的變化規(guī)律，建立圍巖深度與聲波波速之間符合實驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)表達式。

1 聲波測試及結(jié)果分析

1.1 測試原理

本次聲波測試采用RSM-SY5(T)智能工程儀及單孔一發(fā)雙收換能器進行數(shù)據(jù)采集。

測試原理：將一發(fā)雙收換能器置于巖體的單孔中，以清水做介質(zhì)耦合，利用聲波在巖體中的傳播速度遠遠大于在水中的傳播速度，換能器T輻射發(fā)出聲波，通過介質(zhì)水傳入巖體中，滿足聲波傳播的入射角等于第一臨界角的要求，在巖體孔壁聲波折射角將等于90°，即聲波沿著孔壁傳播，然后又分別折射回孔中，由換能器R1和R2接收，其原理示意如圖1所示。

圖1 一發(fā)雙收換能器原理

于是就有：

(1)

(2)

式中，t2為傳播到R2的聲波傳播時間；t1為傳播到R1的聲波傳播時間；Vp為聲波在巖體中的傳播速度；ΔL為換能器R1和R2的高差。

1.2 測試方法和結(jié)果

測試儀器采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所生產(chǎn)的RSM-SY5(T)智能工程儀及單孔一發(fā)雙收換能器進行數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)波形回放、波速計算、結(jié)果分析。測試在距平硐硐口800 m深的1 584 m中段的探礦巷道，距豎井井口950 m深，測孔孔徑為42 mm，該中段揭露了7個不同巖性的巖層，在這7個巖層中一共布置10個測孔，分別編號為測孔1至測孔11(缺測孔3)，每個測孔孔深3 m。在進行測試時，鉆孔自下而上每隔0.25 m采集一次數(shù)據(jù)。由于測試過程中以水為介質(zhì)，鉆孔有相當(dāng)于儀器換能器之間距離的深度不能采集到有效的數(shù)據(jù)，因此，在造孔比較理想的情況下，只能夠測得1～3 m孔深的巖體聲波波速值。

鉆孔編號所對應(yīng)的巖層及聲波波速數(shù)據(jù)如表1所示。由于3號測孔出現(xiàn)垮孔現(xiàn)象，就沒有3號測孔的聲波數(shù)據(jù)。

1.3 測試結(jié)果分析

由所測的數(shù)據(jù)表1表明，巖體的波速值整體都有些偏大，而聲波波速偏大，說明巖體的整體性比較完整。但是從工程揭露的巖體來看，節(jié)理裂隙都比較發(fā)育，巖體的完整性比較差。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因分析：①聲波速度偏大可能是因為處于深部巖體的聲波波速都相對較大；②巖體完整性較差可能是因為外界工程干擾影響的結(jié)果；③測孔孔底有巖粉，使注入的清水被污染；④由于是單孔測試，在進行造孔時，巖粉被高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿擠壓入巖體裂隙，使得巖體聲波速度值偏大；⑤測試儀器的誤差和操作方法的不當(dāng)使得波速值較大。

表1 聲波波速測試結(jié)果

Table 1 Acoustic wave velocity test results km/s

由所測的數(shù)據(jù)表1分析可得：測孔1、測孔2對應(yīng)的擺佐組巖層和測孔4、測孔5對應(yīng)的威寧組巖層的聲波變化幅度比較小，幾乎保持平穩(wěn)狀態(tài)。說明該兩組巖性的巖體受外界工程擾動的影響比較小，所以所測得的聲波速度近似于原巖體的聲波速度；由于聲波測試儀器的局限性，暫不能測得測孔1.25 m以外巖體的聲波速度，因此，不能確定該兩種巖層組的圍巖松動圈范圍。

測孔6至測孔11的聲波測試速度特性都有近似相同的變化趨勢，且根據(jù)變化趨勢，可以初步判定該幾種巖層組的圍巖松動圈范圍，不同巖層組的松動圈范圍如表2所示。

表2 松動圈數(shù)據(jù)

Table 2 Loose circle data m

1.4 松動圈范圍與巷道深度的規(guī)律分析

根據(jù)已有資料對此礦淺部聲波測試的研究結(jié)果，對比分析此次測試深部巖體的聲波測試結(jié)果，深部巖體的聲波波速略大于淺部巖體的聲波速度。對于所研究的幾種巖層組，不同巖層組對應(yīng)的巷道圍巖松動圈范圍也有很大的變化，表2中的幾種巖層組，深部巖體巷道松動圈范圍明顯較淺部要大得多。已有的研究表明[11]，淺部巖體巷道松動圈范圍主要分布在0.5～1.2 m；表2中幾種深部巖體巷道的松動圈范圍根據(jù)巖性的不同主要分布在1.25～1.75 m不等。

2 松動圈范圍內(nèi)巖石破碎規(guī)律研究

2.1 聲波與巖石破碎規(guī)律的分析

根據(jù)聲波在巖體中的傳播特性可知，完整性好的巖體，聲波傳播速度大，裂隙巖體會使聲波在傳播過程中發(fā)生折射、散射等現(xiàn)象，致使傳播速度降低。因此，通過對巷道松動圈內(nèi)巖體聲波波速的測試結(jié)果及其變化規(guī)律的分析，來對松動圈范圍內(nèi)巖石的破碎程度和變化規(guī)律進行分析。

巖體聲波變化趨勢見圖2，由圖2中的曲線可以看出，圍巖深度與聲波波速成一定趨勢變化，即松動圈內(nèi)巖石破碎程度也呈相同趨勢的變化。然而，在過去的研究領(lǐng)域里，研究聲波在深井巷道圍巖體松動圈內(nèi)的變化規(guī)律還相對較少。因此，通過有關(guān)的分析軟件將測試所得的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，通過各種曲線擬合結(jié)果，分析相關(guān)系數(shù)、協(xié)方差、標準差、殘差，以獲得聲波在深井巷道圍巖體內(nèi)變化規(guī)律的精確的數(shù)學(xué)表達式。

圖2 巖體聲波變化趨勢

2.2 擬合結(jié)果及分析

將聲波測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入CurveExpert分析軟件進行線性擬合，根據(jù)模擬結(jié)果選擇最佳擬合結(jié)果，曲線圖如圖3所示。

圖3 線性擬合曲線

擬合結(jié)果如下。

Logistic模型：

Coefficient Data:

a=6.00328563991E+000

b=1.51926675601E+001

c=2.86842927696E+000

即Logistic模型為

Logistic模型對應(yīng)的標準差和相關(guān)性系數(shù)分別為0.2 200 416和0.9 946 718。

Logistic模型參數(shù)a、b、c對應(yīng)的協(xié)方差如表3所示。

表3 模型參數(shù)協(xié)方差Table 3 Covariance of the model parameter

在過去研究巷道圍巖體松動圈內(nèi)聲波的變化領(lǐng)域里，主要針對聲波的特性進行研究，沒有對聲波的變化規(guī)律做深入的分析和研究。因此，本研究對聲波在深井巷道圍巖體松動圈范圍內(nèi)的變化規(guī)律研進行分析和研究，建立聲波在深井巷道圍巖體中傳播速度的數(shù)學(xué)表達式，得出結(jié)論：①圍巖深度在0.75～3 m時，Logistic模型擬合結(jié)果都比較符合聲波實測數(shù)據(jù)，且擬合結(jié)果相關(guān)性系數(shù)達到0.9 946 718；②根據(jù)以有的研究表明，距離開挖巷道越遠的巖體受到開挖的影響就越小，接近原巖體，即聲波波不會無限的增大，而是保持在一個比較穩(wěn)定值。

根據(jù)所測數(shù)據(jù)只有1～3 m的范圍，考慮圍巖深度為0～3 m整個測孔范圍，聲波會隨著巷道開挖受到的影響程度逐漸減小，但是又不會減小到0。因此結(jié)合實際情況，圍巖松動圈內(nèi)巖石的破碎程度也是符合此擬合曲線的變化趨勢，即松動圈外圍的巖石比較破碎，距離巷道壁越遠，巖石的完整性越好。

3 結(jié) 論

(1)通過對950 m深井巷道巖體聲波測試結(jié)果，了解深部巖體的聲波特性，聲波波速要略大于淺部巖體聲波波速值。

(2)聲波測試結(jié)果表明同一開采深度不同巖性的巖體聲波特性有很大的區(qū)別，且不同巖性受到外界工程干擾的影響程度也不一樣。

(3)通過聲波測試結(jié)果，應(yīng)用分析軟件對聲波波速和圍巖深度進行了曲線擬合，分析了聲波在深井巷道圍巖體內(nèi)的變化規(guī)律，建立了圍巖深度與聲波波速值的數(shù)學(xué)表達式，此表達式反應(yīng)出松動圈內(nèi)巖體破碎程度。

(4)由于儀器的局限性，不能測到0～0.75 m這段的波速。但是從擬合的曲線上看，圍巖淺部聲波速度更小，即受到外界工程破壞更為嚴重。

(5)同一深度的不同巖性的巖體，松動圈范圍不同，深部巖體巷道的松動圈范圍要大于淺部巖體松動圈范圍。

[1] 楊仕教，丁德馨，古德生，等.豐山銅礦礦巖聲學(xué)特性及其應(yīng)用[J].有色金屬，2003，55(2)：79-81. Yang Shijiao，Ding Dexin，Gu Desheng，et al.Acoustic behavior application of ore body and rock mass in Fengshan Copper Mine[J].Nonferrous Metals，2003，55( 2) ：79-81.

[2] 王春來，徐必根，李庶林.凡口鉛鋅礦深部巖體聲波測試研究[J].采礦技術(shù)，2003(1) ：41-42. Wang Chunlai，Xu Bigen，Li Shulin.The research on deep rock mass acoustic test in Fankou Lead-zinc Mine[J].Mining Technology，2003(1):41-42.

[3] 孫清祥，吳狀軍.會澤鉛鋅礦一號礦體巖體聲波測試研究[J].湖南有色金屬，2004(2)：5-7. Sun Qingxiang，Wu Zhuangjun.A study of rockmass acoustic-wave testing on 1#orebody in Huize Lead-zinc Mine[J].Hunan Nonferrous Metals，2004( 2 )：5-7.

[4] 曾普海.會澤鉛鋅礦工程巖體聲波測試研究[J].采礦技術(shù)，2006(2)：99-101. Zeng Puhai.The research on engineering rock mass acoustic test in Huize Lead-zinc Mine[J].Mining Technology，2006(1):99-101.

[5] 孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1988. Sun Guangzhong.Rockmass Structural Mechanics[M].Beijing：Science Press，1988.

[6] Deere D C.Technical description of rock cores for engineering purposes[J].Rock Mechanics and Engineering Geology，1964(1) ：16-22.

(責(zé)任編輯 石海林)

Acoustic Characteristics of Surrounding Rock in Deep Roadway and its Regularity

Wen Lei1Yang Shijiao1Liu Chao2Yan Qingwen3

(1.SchoolofNuclearResourcesEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China；2.ChihongTechnology&EngineeringCo.，Ltd.，Changsha410012，China；3.YunanChihongZn&GeCo.，Ltd.，Qujing654200，China)

To grasp the scope of loose circle in deep roadway，and the variation regularity of rock's broken degree，on-site sonic wave tests on 950m deep roadway in Yunnan Huize Pb-Zn mine were made.The test results showed that ores with different lithologies has different acoustic properties，and the rock acoustic characteristics varied in the same trend within the range of loose circle.Compared with the upper part，the range of loose circle increased significantly.Among roadway surrounding rocks with seven different lithologies，10 test holes were laid out to make acoustic survey with the application of single hole method.Then the test results were fitted with to obtain a mathematical expression for the variation regularity of acoustic velocity within the range of loose circle in deep mine.The research provides a reliable reference for the research of acoustic characteristics of deep rock.

Deep roadway，Surrounding rock，Acoustic test，Loose circle

2014-02-04

文 磊(1988—)，男，碩士研究生。

TD26，TD76

A

1001-1250(2014)-04-074-04