低應(yīng)變反射波法在相似材料模型裂隙帶探測中試驗研究

張二偉，周俊杰，姚 宇

（1.潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103；2.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

實驗室相似材料模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煤層采掘活動中，特別是采場礦壓顯現(xiàn)和覆巖運(yùn)動規(guī)律及破裂變形研究。目前，針對礦井覆巖運(yùn)動研究采用的主要是二維相似材料模型的研究方式，在具有一定長、寬、高（長和高遠(yuǎn)大于寬）的試驗臺上，將配比好的相似材料按照一定比例攤鋪，自然風(fēng)干后形成測試模型。在相似材料模擬采掘活動的覆巖破壞觀測中，常采用的高精度攝像、應(yīng)力應(yīng)變片監(jiān)測和高精度測量裝置觀測等手段和方法，對覆巖位置不同位置的位移量進(jìn)行監(jiān)測。為更好圈定破壞變形的范圍和位置，此次采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行探測，通過反演分析圈定出相似材料模擬模型破壞變形區(qū)域和范圍。

1 覆巖運(yùn)動相似材料模擬模型

采用相似性原理對山西省余吾煤礦3號煤開采情況進(jìn)行二維模擬，試驗臺4 000 mm×2 800 mm×300 mm（長×寬×高），3號煤平均厚6.10 m，煤層水平頂?shù)装鍘r性分別為泥巖、粉砂巖等巖層，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

依據(jù)相似材料特性，采用砂子、石膏、煤灰、水泥和水為原材料，按照不同巖性的變化進(jìn)行配比，得到相似常數(shù)，見表2。

表2 模型尺寸及相似常數(shù)Table 2 Size and similarity constant of model

2 低應(yīng)變測樁技術(shù)方法

2.1 測試原理

反射波法測樁原理如圖1所示，用橡膠錘激勵樁頭，產(chǎn)生的應(yīng)力波將沿著樁身向下傳播，在傳播過程中，如遇到波阻抗界面，將產(chǎn)生反射和透射。彈性波反射和透射能量的大小取決于2種介質(zhì)波阻抗的大小，最終結(jié)合振幅大小、波速高低、反射波到達(dá)時間等，對模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷位置、特征等作出判斷。

圖1 反射波檢測基樁完整性示意Fig.1 Integrity schematic diagram of reflected wave detection pile

2.2 測試布置

相似材料模型彈性波速速度測試如圖2所示。

圖2 相似材料模型彈性波速速度測試Fig.2 Test of elastic wave velocity of similar material model

在模型的頂部布置錘擊點和波速度接收點，采用自激自收方式，點間距布置為5 cm，在異常點處加密方式進(jìn)行測量。在上覆壓力和作用力下，模型覆巖相似材料巖體會發(fā)生相應(yīng)的變形，通過模型頂部不同測量位置處彈性波場的激發(fā)與接收，分析彈性波速度和振幅的變化，反演得到模型中不同位置的變化。

3 探測結(jié)果分析

分別對制作好的相似材料模型采用擬動態(tài)觀測方式，采掘前和開挖形成一定規(guī)模采空區(qū)引起覆巖發(fā)生變形后進(jìn)行多次多點彈性波測量，通過對比覆巖運(yùn)動形成材料層的剝離、裂隙帶的位置，分析和評價覆巖運(yùn)動影響位置。

實驗采用北京智博聯(lián)有限公司生產(chǎn)的基樁動測設(shè)備ZBL-P810系統(tǒng)，傳感器精度83 um。按照圖3所示工程布置方式，對相似材料模型的頂部以5 cm為間隔進(jìn)行彈性波波形、波速度采集工作。

3.1 完整模型探測結(jié)果

首先對模型區(qū)內(nèi)未發(fā)生采掘活動時進(jìn)行探測，收集圖3中A（左側(cè)）、B（中間）和C（右側(cè)）處數(shù)據(jù)，得到反射波的波形變化，如圖4所示。

圖3 模型頂面測量點工程布置Fig.3 Engineering layout of measuring points on top of model

圖4 未采掘時相似材料模型反射波探測成果Fig.4 The reflected wave detection results of similar material model before mining and excavation

從比圖中各點位置處的波形可以看出，總體波形形態(tài)基本一致，底部能量最強(qiáng)，反射波明顯，波形振幅最大，說明模型內(nèi)相似材料物質(zhì)較為均勻，各層之間基本無反射，只在底部存在強(qiáng)反射波形。

3.2 采掘后模型探測結(jié)果

隨著開挖的不斷進(jìn)行，相似材料覆巖運(yùn)動特征發(fā)生明顯變化，如圖5所示。當(dāng)采掘至260 m（圖5a），發(fā)生空頂現(xiàn)象，垮落帶高度穩(wěn)定在38 m左右，裂隙帶高度發(fā)育在100 m左右；采掘至300 m（圖5b），垮落帶高度穩(wěn)定在38 m左右，裂隙帶發(fā)育高度穩(wěn)定在105 m左右，兩側(cè)垮落高度、裂隙帶發(fā)育基本一致。

圖5 不同開挖步長的覆巖運(yùn)動局部變形特征Fig.5 Local deformation characteristics of overlying rock movement with different excavation velocity

以采掘300 m為研究對象，按照上述探測測量布置方式進(jìn)行相同方法的探測和測試，得到的相似材料模型的A、B、C處的波形特征，如圖6所示。

圖6（a）整體波形受頂部裂隙的影響，波形振幅變?nèi)?，底部反射波形明顯。大約在距離頂部0.18 m和0.4 m處反射波形有變化，認(rèn)為結(jié)構(gòu)有一定的破壞，破壞帶特征明顯，推測在0.18 m和0.4 m處結(jié)構(gòu)中存在裂隙。

圖6（b）整體波形受頂部裂隙的影響，波形振幅變?nèi)?，底部反射波形明顯。大約在距離頂部0.5 m、1.15 m處反射波形有變化，破壞帶特征明顯，推測在0.5 m、1.15 m處結(jié)構(gòu)中存在裂隙，在1.15 m處存在大的裂縫。

圖6（c）整體波形受中間裂隙的影響，呈一定的周期震蕩，反射波形振幅遞減，底部反射波形明顯。大約在距離頂部0.5、0.8、1.1 m處反射波形有變化，破壞帶特征明顯，推測在0.5、0.8、1.1 m處結(jié)構(gòu)存在裂隙。

圖6 采掘300 m相似材料模型反射波探測成果Fig.6 The reflected wave detection results of similar material model when the mining length was 300 m

3.3 采掘前后綜合成果

依據(jù)相似材料模擬結(jié)果，統(tǒng)計模型破壞的測量數(shù)據(jù)，見表3，并繪制開挖300 m厚模型裂隙深度分布圖，如圖7所示。依據(jù)相似材料模型動態(tài)監(jiān)測結(jié)果可以看到，相似材料模型中各種結(jié)構(gòu)基本清晰，各探測結(jié)果中存在著明顯的反射波組變化。

圖7 相似材料模型開采300 m探測解釋裂隙深度分布Fig.7 Fracture depth distribution diagram detected and interpreted in similar material model when the mining length was 300 m

表3 覆巖運(yùn)動穩(wěn)定后探測解釋結(jié)果Table 3 Detection interpretation results when overlying rock movement was stable

4 結(jié) 語

相似材料覆巖運(yùn)動破壞裂隙帶位置可通過低應(yīng)變反射波法進(jìn)行探測。試驗測試結(jié)果、解釋結(jié)果和實物測量結(jié)果基本吻合，表明低應(yīng)變反射波法可用于相似材料模型裂隙帶的探測。