緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動(dòng)圈聲波測(cè)孔布置研究

緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動(dòng)圈聲波測(cè)孔布置研究

圍巖松樹(shù)圈的范圍是對(duì)道路圍巖穩(wěn)定性的評(píng)估，以及道路邊坡的保護(hù)工程的重要依據(jù)。確定圍巖松動(dòng)圈的方法有聲波法、地震波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、滲透法、地質(zhì)雷達(dá)法,但最常用的仍是聲波測(cè)試法。聲波測(cè)試方法的單孔測(cè)試法測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單,易于操作,可減少鉆孔工作量,在巖石地下工程松動(dòng)圈測(cè)試中被廣泛應(yīng)用。緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)由于存在軟弱夾層和節(jié)理面,與均質(zhì)巖體相比,其力學(xué)特性、塑性區(qū)和剪裂區(qū)分布特征等有很大差別,會(huì)使得緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)中圍巖松動(dòng)圈的形態(tài)和范圍與常規(guī)均質(zhì)巖體中巷道松動(dòng)圈有很大差別,若繼續(xù)沿用常規(guī)測(cè)孔布置方式,則可能使聲波測(cè)試獲得的縱波波速vp與孔深L曲線(xiàn)出現(xiàn)無(wú)序變化,不利于結(jié)果分析,甚至無(wú)法確定松動(dòng)圈的范圍,從而影響圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。目前,人們對(duì)于該類(lèi)礦(巖)體中采礦工藝和工程穩(wěn)定性研究較多,而對(duì)松動(dòng)圈聲波的研究較少。1松傾斜層中聲波測(cè)量孔的理論依據(jù)1.1改性巖體彈性模量的正交試驗(yàn)若視巖體為彈性體,則可由單元體的運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)出縱波計(jì)算公式:其中:vp為縱波波速;E為巖體彈性模量;ν為泊松比;ρ為巖體密度。從式(1)可以看出,聲波波速與介質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān),這也是聲波探測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。層狀巖體屬于橫觀各項(xiàng)同性介質(zhì),根據(jù)Lekhnilski橫觀各向同性介質(zhì)的理論可知,其彈性模量滿(mǎn)足下列方程:式中:Eθ為與巖層方向成角度θ的彈性模量;Eh為平行層面方向的彈性模量;Ev為垂直層面方向的彈性模量;Gv為垂直層面方向的剪切模量;νh為平行層面方向的泊松比。由式(2)可知,巖體的彈性模量在平行于層理面方向最大,在垂直于層理面方向最小,且隨著層理面傾角增大而減小,如圖1中的曲線(xiàn)1所示。但式(2)僅僅考慮了各向異性,沒(méi)有考慮層面的影響。曾紀(jì)全等的研究表明,層狀巖體彈性模量的最小值出現(xiàn)在傾角為40?~60?時(shí),如圖1中的曲線(xiàn)2所示。所以,曲線(xiàn)1只是1種特殊情況。1.2層間填充物對(duì)波速變化的影響層狀巖體層理結(jié)構(gòu)面及其層間充填物導(dǎo)致巖體聲阻抗存在差異,使得聲波在其中的傳播具有很大的方向性。當(dāng)超聲波縱波以角度α橫穿層理結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑r(shí),產(chǎn)生了反射和折射,且層理結(jié)構(gòu)面的橫向?qū)Рê涂v向阻波作用增加了縱波在巖體內(nèi)的傳播時(shí)間,波速衰減較快;層數(shù)愈多,衰減速度越快。層間充填物的存在也加劇了聲波的反射和折射,加速了波速的衰減。a.當(dāng)α=0?時(shí),聲波平行于層理結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑?波速變化只受該巖層巖性控制。若沿巖層內(nèi)布置聲波測(cè)孔,則聲波測(cè)試的結(jié)果反映了圍巖在該層巖體區(qū)域內(nèi)松動(dòng)范圍,能夠取得理想測(cè)試結(jié)果。b.當(dāng)α=90?時(shí),聲波垂直于層理結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑?層理面及層間充填物對(duì)波速變化產(chǎn)生較大的不良影響,但從整體上來(lái)看,這種不良影響對(duì)波速變化的影響有周期性,比較容易識(shí)別。c.對(duì)于其他角度,聲波測(cè)孔受層理面和層間充填物的不良影響較大,結(jié)合層狀巖體力學(xué)特性可知,這些角度的測(cè)孔布置并不可取。1.3巷道斷面形狀及圍巖塑性區(qū)分析層狀巖體由于其巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng),使其塑性區(qū)分布與常規(guī)均質(zhì)巖體有很大差別,而分析層狀巖體塑性區(qū)和剪裂區(qū)分布特征對(duì)于聲波測(cè)孔布置具有重要意義。若巷道斷面形狀不是圓形,則其塑性區(qū)和剪裂區(qū)很難利用解析法求解。初始地應(yīng)力場(chǎng)及其二次應(yīng)力場(chǎng)分布復(fù)雜,開(kāi)挖存在偏壓力拱效應(yīng),往往會(huì)形成獨(dú)特的剪裂區(qū)。采用離散元程序?qū)弮A薄層弱結(jié)構(gòu)中巷道開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬,斷面形狀采用該類(lèi)巖體中典型巷道斷面形狀,圍巖塑性區(qū)和剪裂區(qū)分布如圖2所示。從圖2可知,巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)基本呈倒扇形,由于底板暴露面積大于頂板暴露面積,導(dǎo)致塑性區(qū)范圍大于頂板范圍。巷道左側(cè)塑性區(qū)分布范圍遠(yuǎn)大于右側(cè)塑性區(qū)分布范圍,有明顯的巖層結(jié)構(gòu)效應(yīng)。剪裂區(qū)主要分布在頂?shù)装?范圍為塑性區(qū)的1.5~2.0倍。頂板剪裂區(qū)偏壓拱效應(yīng)較明顯,底板剪裂區(qū)基本以底板中線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)分布,偏壓拱效應(yīng)并不顯著。緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)塑性區(qū)和剪裂區(qū)分布特點(diǎn)對(duì)于其松動(dòng)圈測(cè)試的聲波測(cè)孔布置方式和布置深度起很重要的控制作用。2上分層開(kāi)采影響范圍內(nèi)聲波測(cè)孔控制對(duì)緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)聲波測(cè)孔布置的理論依據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)中松動(dòng)圈聲波測(cè)試測(cè)孔布置應(yīng)遵循3項(xiàng)基本原則。a.巷道兩幫測(cè)孔順層布置。在一般情況下,在斷面內(nèi)邊墻高度范圍內(nèi),至少布置2排測(cè)孔,也可根據(jù)工程復(fù)雜情況適當(dāng)增加測(cè)孔。施工中需采取一些校準(zhǔn)措施,以嚴(yán)格控制測(cè)孔的傾斜度。b.頂?shù)装鍦y(cè)孔垂直于巖層布置。在條件許可時(shí),可以頂?shù)装逯芯€(xiàn)測(cè)孔為對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)布置2排測(cè)孔。c.在塑性區(qū)和剪裂區(qū)較大部位加大聲波測(cè)孔控制深度。對(duì)于緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)的頂?shù)装搴拖锏老律綆r層內(nèi)聲波測(cè)孔,可適當(dāng)加大控制深度。若上山巖層受相鄰工程結(jié)構(gòu)布置影響較大,則上山巖層內(nèi)聲波測(cè)孔也應(yīng)適當(dāng)加大控制深度。至于具體深度,依工程實(shí)際而定。3工程實(shí)踐3.1采場(chǎng)充填采礦法某石膏礦床產(chǎn)于第3紀(jì)斷陷盆地,屬于內(nèi)陸湖相沉積礦床。7號(hào)礦體為主礦體,呈緩傾斜薄層狀產(chǎn)出,層理結(jié)構(gòu)特別發(fā)育。巖層傾角約為16?,則層厚多為20~80cm,以厚度25cm居多,巖層內(nèi)有平均0.5條/cm的平行微節(jié)理,層與層之間具有沉積形成的弱軟夾層。軟弱夾層通常由泥巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、巖屑等構(gòu)成。自建礦以來(lái),該礦一直采用沿礦體走向的巷道式采礦法進(jìn)行采礦,由于采場(chǎng)巷道與運(yùn)輸巷道斷面尺寸較大,頂板巖層易于離層斷裂冒落。為了確定緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)中巷道圍巖的支護(hù)參數(shù),需對(duì)礦山的松動(dòng)圈聲波進(jìn)行測(cè)試。3.2巷道底板、壁內(nèi)vp-l曲線(xiàn)特征依據(jù)緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動(dòng)圈聲波測(cè)試測(cè)孔布置理論和原則,工程中采用改進(jìn)的聲波測(cè)孔布置方式,如圖3所示。本次聲波測(cè)試采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RSM-SY5超聲波非金屬聲波測(cè)試儀,用單孔一發(fā)雙收測(cè)試法,實(shí)測(cè)孔深為3.0~4.0m,孔徑為50mm,孔內(nèi)注滿(mǎn)水。測(cè)試時(shí),將探頭1次送到孔底,由里往外逐點(diǎn)(每次往外抽出200mm測(cè)1點(diǎn))進(jìn)行測(cè)量,并不斷往孔內(nèi)注水,以保證傳感器與孔壁巖體良好耦合。這里僅以某巷道的3號(hào)斷面巷道壁左下測(cè)孔和底板測(cè)孔的聲波測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,所得的vp-L曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可看出,采用改進(jìn)后的聲波測(cè)孔布置方式,巷道壁上測(cè)孔的vp-L曲線(xiàn)有明顯的vp升高區(qū),松動(dòng)圈較容易判定(約為2.2m);底板測(cè)孔的vp-L曲線(xiàn)變化出現(xiàn)較有規(guī)律,vp出現(xiàn)間隔性降低現(xiàn)象,反映了結(jié)構(gòu)面層理以及泥質(zhì)夾層的聲阻抗比完整石膏層的聲阻抗大。若將這些異常低的vp省去,則可以較快地判定松動(dòng)范圍(約為1.7m)。整體上看,由于巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng),底板松動(dòng)范圍要比巷道壁松動(dòng)范圍小。3.3端面左下測(cè)孔附件位置的確定為了分析改進(jìn)的聲波測(cè)孔布置方式的合理性,按照傳統(tǒng)的聲波測(cè)孔布置方式,在3號(hào)端面左下測(cè)孔附件位置布置1個(gè)水平測(cè)孔。測(cè)得的vp-L曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知,由于微觀節(jié)理弱面及其層理弱面和厚度不等的泥質(zhì)夾層等不利影響,其vp-L曲線(xiàn)無(wú)序變化,說(shuō)明聲波測(cè)孔布置方式對(duì)聲波測(cè)試數(shù)據(jù)影響較大,較難確定松動(dòng)圈范圍。4動(dòng)圈聲波測(cè)試測(cè)孔布置a.從層狀巖體的力學(xué)特性、聲波在層狀巖體中傳播規(guī)律、圍巖塑性區(qū)和剪裂區(qū)分布特征這3個(gè)方面,研究了緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動(dòng)圈聲波測(cè)試測(cè)孔布置的理論依據(jù)。