基于超聲波檢測的巖體裂隙及注漿影響的試驗研究

許延春，謝小鋒，李昆奇，劉世奇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心(北京)，北京 100083)

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基于超聲波檢測的巖體裂隙及注漿影響的試驗研究

許延春1，2，謝小鋒1，2，李昆奇1，2，劉世奇1，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心(北京)，北京 100083)

[摘要]基于超聲波檢測速度快、對試樣尺寸和形狀要求低并且可以反映巖石強度的特點，通過室內(nèi)試驗?zāi)M巖體裂隙及注漿過程，應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)測定巖體在不同裂隙寬度下聲波傳播速度，并對比分析了巖體注漿前后、干式狀態(tài)及濕式狀態(tài)的波速變化規(guī)律。結(jié)果表明：不同巖性的巖石波速差異較大，同一巖性的巖石，其波速也不盡相同，灰?guī)r中波速相對最高，其次是砂巖，泥巖中波速相對最低；各類巖性的巖石縱波波速均隨著裂隙寬度的增大而減??；在同一裂隙寬度下，隨著含水量增加，波速增大；注漿后與未注漿時相比，波速也明顯增大。通過本試驗不僅認(rèn)識了巖體裂隙及注漿的波速變化規(guī)律，同時試驗也證實了利用超聲波測試巖石內(nèi)部聲波速度是評價裂隙巖體注漿加固效果的一種有效手段。

[關(guān)鍵詞]超聲波檢測；巖體裂隙；注漿加固；縱波波速

幾乎所有的原巖體中都存在一定程度的裂隙，裂隙是由于地質(zhì)作用而形成的不連續(xù)面，這些弱面在很大程度上影響并控制著原巖體的強度特征和滲流特性。底板注漿加固及含水層改造能有效改善裂隙巖體的阻隔水性能，被廣泛應(yīng)用于防治底板承壓含水層突水。然而巖體注漿加固是一個受多因素影響的復(fù)雜過程，國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量研究工作。許延春、李振華等總結(jié)了近年來回采工作面底板注漿加固防治水關(guān)鍵技術(shù)[1-3]；許延春建立了注漿加固工作面底板突水“孔隙—裂隙升降型”力學(xué)模型[4]；Hideki Shimade研究了注漿材料的作用機理[5]；葛家良、楊米加等進行了巖體注漿模擬試驗研究[6-7]；楊鑫、顏峰、吳基文等分析了承壓水上開采底板注漿效果的影響因素及綜合檢驗技術(shù)[8-10]?？梢钥吹?，注漿加固效果是巖體、注漿材料和注漿工藝等多種因素綜合作用的結(jié)果，其檢測評價方法主要有物探法(包括直流電法、瞬變電磁法、無線電波透視法、聲波測試法)、鉆探法、RPT法、PST綜合法[11]等，其中利用超聲波檢測技術(shù)評價巖體注漿加固效果是一種有效而實用的手段。它測量的是原巖體在注漿前后不同狀態(tài)下其內(nèi)部聲波速度的變化規(guī)律，據(jù)此推測原巖體相關(guān)的物理性能，并根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式計算出縱波橫波衰減系數(shù)、等價彈性模量及巖石單軸抗壓強度等力學(xué)參數(shù)。由于是在現(xiàn)場大范圍內(nèi)進行的測量，其結(jié)果更接近于工程實際情況，更加準(zhǔn)確可靠，既可以為室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，又可以為現(xiàn)場注漿參數(shù)的選擇及注漿方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。但由于現(xiàn)場地質(zhì)采礦條件所限，注漿加固效果檢測往往工程量大，耗時耗力，因此本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M巖體裂隙及注漿過程，預(yù)制4種寬度(0mm，2mm，3mm，5mm)的裂隙，應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)對不同巖性的試樣在注漿前、注漿后干式狀態(tài)、注漿后濕式狀態(tài)3種條件下的巖體內(nèi)部聲波傳播速度進行測定，并對比分析了不同情況下波速變化規(guī)律，從而判斷注漿加固效果。試驗結(jié)果對巖體質(zhì)量評定具有重要指導(dǎo)意義，同時可為現(xiàn)場工程實踐中利用超聲波“一發(fā)雙收法”分析巖體注漿加固效果提供借鑒。

1巖體聲波測試技術(shù)

大量的理論分析和現(xiàn)場實踐證明，巖石本身具有力、聲、電、磁、熱等物理性質(zhì)。巖石內(nèi)部聲波傳播速度綜合反映了巖石本身的各種物理力學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，巖石內(nèi)部聲波傳播速度的影響因素有很多，內(nèi)部因素主要有巖石本身的巖性、密度、孔隙率等，外部因素主要有巖石含水率、溫度條件等[12-13]。此外，試樣的制作及試樣尺寸對測量結(jié)果也有一定影響。

巖體聲波測試技術(shù)是研究縱波和橫波在巖體內(nèi)部的傳播速度及規(guī)律，據(jù)此推斷巖體相關(guān)的物理力學(xué)狀態(tài)，為評價工程巖體質(zhì)量提供基礎(chǔ)。一般來說，巖體中由于裂隙和結(jié)構(gòu)面的存在，并不能看作是理想的均勻介質(zhì)，但從工程角度考慮，當(dāng)超聲波波長遠(yuǎn)小于所測量原巖體的空間尺寸時，可以將巖體視為連續(xù)的各向同性線彈性材料，其內(nèi)部縱波波速Vp和橫波波速Vs與介質(zhì)性質(zhì)存在如下關(guān)系[14]：

(1)

(2)

式中，E為介質(zhì)彈性模量；μ為介質(zhì)泊松比；ρ為介質(zhì)密度。

將上述兩式相除得：

(3)

對于大多數(shù)巖體而言，μ值在0.25左右，代入上式得：Vp≈1.73Vs。由此可見，縱波比橫波傳播速度快，容易測量。孟召平等研究表明[15-16]，縱波波速比橫波波速能更好地反映介質(zhì)的力學(xué)特性，因此測試巖體中縱波波速更簡單適用，且具有測試精度高、試驗費用低、對試樣無損傷等優(yōu)點，在室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實踐中已被廣泛應(yīng)用。

2試驗過程

2.1試樣制作與試驗設(shè)備

試驗巖石樣品取自趙固二礦煤層底板不同位置的鉆孔，砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、灰?guī)r各若干。選取具有代表性的試樣在室內(nèi)進行加工，根據(jù)試驗要求將其鉆取和切割成直徑50mm，高100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，將兩底面打磨光滑，使其相互平行并且垂直于圓柱體軸線。

基于上述分析，本試驗采用ZBL-U520型超聲波檢測儀對巖石內(nèi)部縱波波速進行測定。如圖1所示，采用對測方式，超聲波通過試樣時，儀器屏幕上顯示接收到的聲波波形，根據(jù)波形判讀得到縱波在試樣中的走時T，而收發(fā)換能器間距(即所測試試樣的長度)L可通過游標(biāo)卡尺精確測量，由此求得縱波在試樣中的傳播速度為Vp=L/T。

圖1　超聲波檢測示意

2.2試驗步驟

試驗主要研究不同寬度的裂隙巖體在注漿前后其內(nèi)部縱波波速變化規(guī)律，其中預(yù)制裂隙寬度設(shè)置4個水平，分別為0mm(即完整狀態(tài))，2mm，3mm，5mm。試驗在未注漿狀態(tài)、注漿后干式狀態(tài)、注漿后濕式狀態(tài)3種條件下分別測量各試樣聲參量。

(1)未注漿狀態(tài)測量保持試樣完整，在兩端面均勻涂抹一薄層凡士林，將發(fā)射換能器和接收換能器緊貼兩端面，成對穿狀(圖2)，測量并記錄數(shù)據(jù)。

圖2　未注漿狀態(tài)測試

(2)注漿后干式狀態(tài)測量將各巖樣垂直軸線等分切割成兩段，每段高50mm，在兩段巖樣之間邊緣處分別加不同厚度(2mm，3mm，5mm)墊片，用玻璃膠將墊片與巖樣粘合，以表示固定寬度的裂隙。結(jié)合趙固二礦實際情況，注漿材料按水泥∶黏土=1∶3的比例，加入適量水配制漿液。用漿液將兩段巖樣之間裂隙充填滿，稍干后用防水膠帶沿四周封住裂隙部位，防止?jié){液漏出(圖3)。各試樣在每種裂隙寬度條件下，分別測試3次，取平均值。

圖3　注漿示意

(3)注漿后濕式狀態(tài)測量在上述干式狀態(tài)下的各次試驗測試完成后，將各對應(yīng)試樣放入盛滿水的水槽中，靜置一段時間，在水中測試各試樣聲參量，即濕式狀態(tài)，見圖4。

圖4　濕式狀態(tài)測試

測試結(jié)果見表1。

3試驗結(jié)果及分析

由表1可知，在試樣完整狀態(tài)下，灰?guī)r中縱波波速相對最高，為5.9～6.2km/s；其次是砂巖，波速為3.0～3.9km/s，且細(xì)砂巖波速高于粗砂巖波速；泥巖中縱波波速相對最低，為1.8～2.2km/s；而砂質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖，由于受到所含礦物成分的影響，其波速介于砂巖和泥巖之間，為2.5～3.1km/s，且鋁質(zhì)泥巖波速高于砂質(zhì)泥巖波速。一般來說，巖石的密度由泥巖到砂巖到灰?guī)r逐漸增大，試驗結(jié)果表明，巖石縱波波速與其密度呈非線性正相關(guān)關(guān)系，具體規(guī)律有待進一步研究。

表1　各類型巖樣縱波波速　km/s

整體對比各類型巖石測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：不同巖性的巖石縱波波速有很大差異，且相互之間存在一定范圍的交叉；而即使是同一巖性的巖石，由于取樣地點的不同，巖石受本身賦存環(huán)境的影響，其內(nèi)部縱波波速也不完全相同。

3.1注漿前后波速對比分析

為了更直觀地對比在未注漿狀態(tài)、注漿后干式狀態(tài)、注漿后濕式狀態(tài)3種條件下，各類型巖石縱波波速與裂隙寬度的關(guān)系，根據(jù)表1作出圖5。

圖5　各類型巖石縱波波速與裂隙寬度的關(guān)系曲線

由圖5可知，在試驗3種條件下，各種巖性的巖石，其縱波波速均隨著裂隙寬度的增大而減小，說明由于裂隙的存在，聲波在不同介質(zhì)間傳播，傳播過程中能量損耗增大，波速降低。在同一裂隙寬度情況下，注漿后與未注漿相比，波速有明顯提高，但均低于初始完整狀態(tài)下的波速，說明注漿能有效提高裂隙巖體連續(xù)性，改善其整體力學(xué)性能。

在裂隙寬度最大(5mm)時，未注漿狀態(tài)下，灰?guī)r中波速由初始值6.152km/s降低至4.037km/s，降低了34%；砂巖中波速由初始值3.757km/s降低至1.237km/s，降低了67%；泥巖中波速由初始值2.074km/s降低至0.686km/s，降低了67%。而注漿后與注漿前相比，灰?guī)r中波速提高至5.502km/s，提高了36%；砂巖中波速提高至2.638km/s，提高了113%；泥巖中波速提高至1.136km/s，提高了66%。由此可見，裂隙對砂巖和泥巖中波速的影響幅度最大，而注漿過程對砂巖和泥巖的改善效果也最明顯，這主要是因為灰?guī)r中波速初始值最大，而砂巖和泥巖中波速初始值相對較小所致。

3.2干式濕式狀態(tài)波速對比分析

從圖5中注漿后干式與濕式狀態(tài)的對比可知，各種巖性的巖石，其濕式狀態(tài)波速均略高于對應(yīng)的干式狀態(tài)波速。在試樣完整狀態(tài)下，干式波速和濕式波速差異不大；在有裂隙試件干式未注漿時，與同一試件裂隙注漿后濕式狀態(tài)相比，波速相差幅度很大。說明水的存在嚴(yán)重影響著巖石內(nèi)部聲波傳播速度，隨著含水量的增加，巖石聲波速度增大。

但是由于巖性不同，巖石本身的礦物成分、風(fēng)化程度等因素有很大差異，不同巖性的巖石中節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)弱面的發(fā)育情況也就不同，使得其具有不同的孔隙率，完全飽和時，巖石中吸附的水量有著明顯不同，這種差異會影響巖石內(nèi)部聲波速度。因此，隨著含水量增加，巖石內(nèi)部聲波速度增大的速率也不完全相同。

水溶液影響巖石聲波速度的重要原因是由于水的存在相當(dāng)于添加潤滑劑，減小了分子間的摩擦力，使分子活動能力加強。另外，水溶液作為液體介質(zhì)，給縱波提供了良好的傳播條件，因此隨著含水量增加，巖石縱波速度增大。

4結(jié)論

(1)試驗對不同裂隙寬度情況下巖體內(nèi)部縱波波速進行了測定，發(fā)現(xiàn)不同巖性的巖石波速相差較大，且相互之間存在小范圍交叉。同一巖性的巖石，由于各種內(nèi)部及外部因素的影響，其波速也存在差異?；?guī)r中波速相對最高，其次是砂巖，泥巖中波速相對最低。

(2)各類巖性的巖石，其縱波波速均隨著裂隙寬度的增大而減小，在同一裂隙寬度情況下，注漿后與未注漿相比，波速有明顯提高。

(3)各類巖性的巖石，其濕式狀態(tài)波速均略高于對應(yīng)的干式狀態(tài)波速，說明含水量對巖石的聲波速度會產(chǎn)生重要影響。隨著含水量增加，巖石聲波速度增大，但增大速率不完全相同。

(4)利用超聲波測試巖石內(nèi)部聲波速度可作為評價巖石質(zhì)量及裂隙巖體注漿加固效果的一種有效手段。

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[責(zé)任編輯：李青]

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 & Safety Engineering School，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2.Engineering Technology Research Center of National Mine Water Disaster Prevention & Controlling (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：Based on the characters of ultrasonic testing，such as high testing speed，low standard ofsample size and shape and rock strength could be reflected，ultrasonic testing was used to test sound wave propagation velocity in different fractures width，then sound wave velocity change rule in three different states were compared and analyzed，which included before and after grouting of rock mass，dry and wet situation.The results showed that sonic velocity was different in different rock，sonic velocity was also different in the same rock，the highest was limestone，and the second was sandstone，the last was mudstone.Longitudinal wave velocity of all kinds of rocks decreased with fractures width increased，sonic velocity increased with moisture increased under the same fracture width，sonic velocity increased obviously after grouting.The experiment showed that ultrasonic testing was a useful method，which evaluated grouting effect of fractured rock effectively at the same time.

Key words：ultrasonic testing；rock mass fracture；grouting reinforcement；longitudinal wave velocity

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(51504095)

[作者簡介]許延春(1963-)，男，河北唐山人，教授，博士生導(dǎo)師，從事特殊采煤的研究與教學(xué)工作。

[中圖分類號]TD265.3 3

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0060-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.017

[引用格式]許延春，謝小鋒，李昆奇，等.基于超聲波檢測的巖體裂隙及注漿影響的試驗研究[J].煤礦開采，2016，21(2)：60-63.