緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動圈聲波測孔布置研究

緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動圈聲波測孔布置研究

圍巖松樹圈的范圍是對道路圍巖穩(wěn)定性的評估，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試法。聲波測試方法的單孔測試法測試過程簡單,易于操作,可減少鉆孔工作量,在巖石地下工程松動圈測試中被廣泛應(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,會使得緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)中圍巖松動圈的形態(tài)和范圍與常規(guī)均質(zhì)巖體中巷道松動圈有很大差別,若繼續(xù)沿用常規(guī)測孔布置方式,則可能使聲波測試獲得的縱波波速vp與孔深L曲線出現(xiàn)無序變化,不利于結(jié)果分析,甚至無法確定松動圈的范圍,從而影響圍巖穩(wěn)定性評價(jià)和支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。目前,人們對于該類礦(巖)體中采礦工藝和工程穩(wěn)定性研究較多,而對松動圈聲波的研究較少。1松傾斜層中聲波測量孔的理論依據(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1所示。但式(2)僅僅考慮了各向異性,沒有考慮層面的影響。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2所示。所以,曲線1只是1種特殊情況。1.2層間填充物對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)布置聲波測孔,則聲波測試的結(jié)果反映了圍巖在該層巖體區(qū)域內(nèi)松動范圍,能夠取得理想測試結(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波速變化產(chǎn)生較大的不良影響,但從整體上來看,這種不良影響對波速變化的影響有周期性,比較容易識別。c.對于其他角度,聲波測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)分布特征對于聲波測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)力場及其二次應(yīng)力場分布復(fù)雜,開挖存在偏壓力拱效應(yīng),往往會形成獨(dú)特的剪裂區(qū)。采用離散元程序?qū)弮A薄層弱結(jié)構(gòu)中巷道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬,斷面形狀采用該類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)基本以底板中線呈對稱分布,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)對于其松動圈測試的聲波測孔布置方式和布置深度起很重要的控制作用。2上分層開采影響范圍內(nèi)聲波測孔控制對緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)聲波測孔布置的理論依據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)中松動圈聲波測試測孔布置應(yīng)遵循3項(xiàng)基本原則。a.巷道兩幫測孔順層布置。在一般情況下,在斷面內(nèi)邊墻高度范圍內(nèi),至少布置2排測孔,也可根據(jù)工程復(fù)雜情況適當(dāng)增加測孔。施工中需采取一些校準(zhǔn)措施,以嚴(yán)格控制測孔的傾斜度。b.頂?shù)装鍦y孔垂直于巖層布置。在條件許可時(shí),可以頂?shù)装逯芯€測孔為對稱軸對稱布置2排測孔。c.在塑性區(qū)和剪裂區(qū)較大部位加大聲波測孔控制深度。對于緩傾薄層弱結(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)頁巖、巖屑等構(gòu)成。自建礦以來,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),需對礦山的松動圈聲波進(jìn)行測試。3.2巷道底板、壁內(nèi)vp-l曲線特征依據(jù)緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動圈聲波測試測孔布置理論和原則,工程中采用改進(jìn)的聲波測孔布置方式,如圖3所示。本次聲波測試采用中國科學(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試儀,用單孔一發(fā)雙收測試法,實(shí)測孔深為3.0~4.0m,孔徑為50mm,孔內(nèi)注滿水。測試時(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1點(diǎn))進(jìn)行測量,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號斷面巷道壁左下測孔和底板測孔的聲波測試結(jié)果進(jìn)行分析,所得的vp-L曲線如圖4所示。由圖4可看出,采用改進(jìn)后的聲波測孔布置方式,巷道壁上測孔的vp-L曲線有明顯的vp升高區(qū),松動圈較容易判定(約為2.2m);底板測孔的vp-L曲線變化出現(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),底板松動范圍要比巷道壁松動范圍小。3.3端面左下測孔附件位置的確定為了分析改進(jìn)的聲波測孔布置方式的合理性,按照傳統(tǒng)的聲波測孔布置方式,在3號端面左下測孔附件位置布置1個(gè)水平測孔。測得的vp-L曲線如圖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曲線無序變化,說明聲波測孔布置方式對聲波測試數(shù)據(jù)影響較大,較難確定松動圈范圍。4動圈聲波測試測孔布置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)松動圈聲波測試測孔布置的理論依據(jù)。