利用電性參數(shù)監(jiān)測巷道圍巖變形模型試驗研究

許華麗　許時昂　左汪會　席超強

摘 要：巷道開挖后圍巖會發(fā)生變形形成相應的松動圈層，使用過程中需要進行動態(tài)監(jiān)測其變形特征。論文利用電阻率測試方法，結(jié)合巖石介質(zhì)變形過程中電性參數(shù)改變進行分析，判斷其變形與破壞特征。通過相似模擬實驗，構(gòu)建測試系統(tǒng)進行監(jiān)測，其結(jié)果表明，電阻率法能夠有效表征圍巖變形狀況，可在巷道圍巖監(jiān)測中發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：電阻率法；巷道圍巖；監(jiān)測；模型試驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.109

0 引言

礦山巷道開挖使用過程中，其圍巖介質(zhì)會發(fā)生相應的變形與破壞，因此需要實施相應的監(jiān)測與判斷，為巷道支護技術(shù)參數(shù)獲取提供支撐。目前，對于巷道周邊圍巖變形與破壞的探查分析技術(shù)手段較多，常見的有地質(zhì)類方法、鉆探法、地球物理類等[1]，其中地球物理類測試方法成為發(fā)展的重要方向，目前包括地震類、電磁法類、光纖傳感類、應力應變類等多種方法，已在工程應用中取得良好的效果。文章采用電阻率測試方法技術(shù)，通過構(gòu)建巷道圍巖變形觀測模型，布設電阻率測試斷面，并與光纖測試方法相對比，系統(tǒng)研究圍巖介質(zhì)變形過程物性參數(shù)變化特征。通過討論方法有效性，掌握巖層變形與破壞特性，為巷道變形破壞范圍判斷及工程測試應用提供參考。

1 圍巖介質(zhì)變形電阻率測試方法

電阻率法的測試前提是地下巖土介質(zhì)間的導電性差異。它通過A、B電極向地下供電I，然后在M，N極間測量地位差△U，從而求得該記錄點的視電阻率ps=K（△U/I）。視電阻率是地下地層電阻率的綜合反映，影響電阻率的因素有礦物成分、含水性、巖石的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)、層理、溫度、壓力，反言之某一區(qū)域的礦物成分、含水性、巖石的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)、層理、溫度、壓力不同時所表現(xiàn)的電阻率也不同，這樣電阻率法就可以起到劃分地層、圈定異常的作用。巷道圍巖在受力條件發(fā)生改變后，其形狀會發(fā)生相應的變化，當巖層結(jié)構(gòu)改變也會引起電阻率值的改變，因此，可以利用電阻率法進行相應的參數(shù)測試與評價。

具體來說，可采用電阻率法中網(wǎng)絡并行電法進行高精度測試。網(wǎng)絡并行電法和常規(guī)的電阻率法一樣都是利用電性參數(shù)的差異進行探查研究的，但網(wǎng)絡并行電法比常規(guī)的電阻率法更加優(yōu)越的一點是它可以通過數(shù)據(jù)采集的擬地震化，進行任意多通道的電法數(shù)據(jù)采集，效率更高，精度更高，大大減少人力物力。根據(jù)采集方式的不同，網(wǎng)絡并行電法分為AM法和ABM法兩類工作模式。AM法為單點電源供電下的電位數(shù)據(jù)測量，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集迅速，且通過對數(shù)據(jù)進行組合處理，可獲得二極、三極等多種裝置信息。ABM法為異性點電源供電，數(shù)據(jù)采集時，供電電極A、B在測線內(nèi)部進行自動切換配對，同時并行采集其余電極的全場電位數(shù)據(jù)，對其進行組合抽取，可實現(xiàn)溫納測深四極、溫納偶極、溫納微分和不規(guī)則四極等多種裝置排列的數(shù)據(jù)體，大大提高了現(xiàn)場工作效率[2]。同時通過布設固定觀測電極系統(tǒng)可以把握巷道圍巖在開挖前、中和后的巖層變形過程電性參數(shù)變化，進而分析其破壞發(fā)育規(guī)律[3]。

2 模擬試驗與分析

2.1 巷道圍巖測試系統(tǒng)構(gòu)建

本次模型試驗在遵循相似原則基礎上，確定模型相關(guān)參數(shù)，進一步構(gòu)建巷道開挖的實驗模型。相似模型要求組成模型的每個要素必須與原型的對應要素相似，包括幾何要素和物理要素，其具體體現(xiàn)為模型在形狀確定、材料選擇和受力環(huán)境設計等要具有一定的規(guī)律。

其中模擬巷道圍巖以細砂巖為主，材料選用砂、石灰和石膏，其質(zhì)量比例依次為6 ： 0.6 ： 0.4。按1 ： 50比例確定模型尺寸，其具體尺寸為長×寬×高=70cm×50cm×50cm?？紤]到側(cè)壓力的因素，在模型外側(cè)用木條進行加固以防止模型被脹破。巷道為圓形開挖斷面，為了便于操作，用直徑為5cm的PVC管代替開挖斷面，PVC管距離木槽底部15cm，以5cm/h的速度拉動PVC管模擬巷道斷面開挖的進度。在PVC管上方18cm處布置一條電法測線，為便于對比，在巷道斷面斜上方布設了2條光纖測試線纜，用于監(jiān)測開挖過程的斷面變形特征?；诂F(xiàn)場原巖應力場作用，當模型搭建完成后，在其上方放置40kg砂袋，用于模仿自重應力條件。數(shù)據(jù)采集在模型定型穩(wěn)定后進行，且要求試驗的整個過程能夠保證砂袋重量的不變。

2.2 測試過程與分析

（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集采用AM法進行，將BN線上的B端和N端置于無窮遠處，提供參照標準電位，測線上的任意一個電極A供電，其余電極M可以同時采集電位。此次實驗的測線上共有24個電極，電極極距為2cm。當1號電極供電時，2-24號電極采集電位；2號電極供電時，3-24號采集電位，以此類推，直到23號電極供電，24號電極采集電位結(jié)束。電位的采集過程，電極無須移動，采集系統(tǒng)會自動完成。斷面每小時開挖5cm，為保證能測得變形穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，故在每次開挖后等待10min后再進行采集數(shù)據(jù)采集，除此之外，每次開挖前也采集一組數(shù)據(jù)。由于儀器的先進性，每次數(shù)據(jù)采集只需要花費2min左右就能完成，工作效率較高。每開挖5cm，就采集兩組數(shù)據(jù)，共開挖了65cm，故共有采了14組數(shù)據(jù)，歷時14h左右。每一次采集的數(shù)據(jù)都可進行二極、三極等裝置的電阻率反演[4]。

（2）數(shù)據(jù)分析。利用網(wǎng)絡并行電法數(shù)據(jù)處理軟件對原始數(shù)據(jù)進行解編，用AGI進行反演，在迭代次數(shù)達到6次時反演終止，此時最大均方誤差達到5%。為了觀測更加直白明顯，將反演文件導入surfer軟件，采用克里格網(wǎng)格化方法獲得相應的測試剖面電阻率分布圖。圖2為巷道未開挖狀態(tài)下背景電阻率的分布情況，即原始視電阻率斷面的等值線圖?？梢钥闯鲭娦蕴卣髅黠@，電阻率取值范圍為10-230Ω·m，其中80%主要分布在40-140Ω·m之間，模型左上角小范圍出現(xiàn)230Ω·m左右的高阻。背景電阻率的不均一性是由于材料未混合均勻、未壓實致密以及含水量的差異導致的。

由于模型尺寸及其它條件的限制，圍巖裂隙發(fā)育程度相對較小，為提高分辨率，增大異常效果，對電阻率進行比值計算，即用不同開挖進度下的電阻率比上背景值得到異常系數(shù)，比值大于1或小于1均為異常[5]。同時比值法也避免了背景電阻率不均一性的干擾。

圖3為巷道開挖過程中斷面電阻率比值剖面，其中①②③④依次分別為開挖15cm的電阻率與背景的比值，開挖35cm的電阻率與背景的比值，開挖55cm的電阻率與背景的比值，開挖65cm的電阻率與背景的比值。由圖3可以看出在巷道周圍顏色變化較明顯，異常系數(shù)范圍為1.2-1.6，這說明在巷道周圍電阻率值變化較大，圍巖裂隙發(fā)育明顯，且越靠近巷道變形破碎越嚴重。

①-④反映的變化規(guī)律相似，最大的區(qū)別在于色標范圍的變化。即隨著巷道開挖進度的加大，電阻率值在增大，電阻率異常范圍也在擴大。顯而易見，①-③的異常區(qū)逐漸增大，從而說明圍巖松動圈的厚度也越來越大。由③④的對比發(fā)現(xiàn)開挖55cm和65cm的色標范圍一致，即電阻率不再變化，說明開挖55cm后圍巖松動圈不再擴大，從而表明圍巖變形破碎程度及變形范圍隨巷道開挖逐漸加大，但局限于一定的厚度，這是由于位于采空區(qū)中部的覆巖逐漸被壓實，從而形成了壓實穩(wěn)定區(qū)[6-10]。

由上述可知，隨著巷道的開挖，電阻率增速越來越大，電阻率越來越高，一定范圍后不再變化。根據(jù)圖件可看出裂隙發(fā)育位置為巷道上方5-11cm，可大致確定巷道松動圈位置為開挖斷面上方6cm范圍內(nèi)，厚度達到了5cm。

2.3 光纖測試成果對比驗證

1號和2號光纖測線位于巷道斜上方34°，1號距離巷道最前方40cm，2號距離巷道最前方20cm。光纖從應變的角度對圍巖在開挖過程中的變化進行直接的監(jiān)測，更加直觀的提供對比驗證。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到了1號和2號光纖所在位置的應變圖。由圖4（a）和（b）可以看出：巷道在掘進前期變形比較小，總體表現(xiàn)在巷道開挖位置為拉伸狀態(tài)，說明有細小裂隙開始發(fā)育。隨著開挖的進行，應變逐漸增大，最大可以達到55με（應變單位）。當開挖到40cm時，應變達到一個臨界狀態(tài)，繼續(xù)開挖后應變已經(jīng)不再變化，說明此時圍巖經(jīng)過應力重分布，已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。光纖的應變分析正好解釋了圍巖的變形，與上面電阻率法解釋的圍巖變形相吻合，同時也發(fā)現(xiàn)電阻率法可以推斷出圍巖軟動圈的高度，更具有優(yōu)勢性。

3 結(jié)束語

通過實驗分析發(fā)現(xiàn)隨著巷道的開挖，圍巖電阻率逐漸增大，變形破碎加劇，越靠近巷道，破壞效果越明顯，破碎達到一定厚度后不再變化，便形成松動圈。電阻率法可以很好的監(jiān)測巷道在開挖過程中圍巖的變化情況以及裂隙發(fā)育情況。巷道從開挖起，一直到受力平衡和體系穩(wěn)定，或者到結(jié)構(gòu)受損，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是在變動，支護和襯砌的內(nèi)力和外形也在變動之中。在實際工程中只要電阻率監(jiān)測結(jié)果顯示異常區(qū)，就需要在相應位置進行支護。但是，該方法也有缺陷，它無法解決多解性問題，只能根據(jù)反演、擬合的不斷逼近，縮小誤差范圍，可是在大型工程的檢驗方面，它仍是排除干擾問題，縮小問題范圍的快捷有效方法，可以大大縮短工期，減少財力損失?？偠灾?，電阻率法是確定松動圈范圍，判斷圍巖襯砌是否穩(wěn)定，指導巷道開挖過程中各種問題的有效方法，在某些程度上，輔助其他方法，如鉆探等，可以對問題進行根本的解決。

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作者簡介：許華麗（1991-），女，碩士研究生，研究方向：地質(zhì)工程與地球物理勘探。