低應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 余吾煤業有限公司，山西 長治 046103；2.河北工程大學 地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

實驗室相似材料模擬技術被廣泛應用于煤層采掘活動中，特別是采場礦壓顯現和覆巖運動規律及破裂變形研究。目前，針對礦井覆巖運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、應力應變片監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行監測。為更好圈定破壞變形的范圍和位置，此次采用低應變反射波法進行探測，通過反演分析圈定出相似材料模擬模型破壞變形區域和范圍。

1 覆巖運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，煤層水平頂底板巖性分別為泥巖、粉砂巖等巖層，巖體力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

依據相似材料特性，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行配比，得到相似常數，見表2。

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

2 低應變測樁技術方法

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，產生的應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種介質波阻抗的大小，最終結合振幅大小、波速高低、反射波到達時間等，對模型內部結構缺陷位置、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生相應的變形，通過模型頂部不同測量位置處彈性波場的激發與接收，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 探測結果分析

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

實驗采用北京智博聯有限公司生產的基樁動測設備ZBL-P810系統，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為間隔進行彈性波波形、波速度采集工作。

3.1 完整模型探測結果

首先對模型區內未發生采掘活動時進行探測，收集圖3中A（左側）、B（中間）和C（右側）處數據，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，總體波形形態基本一致，底部能量最強，反射波明顯，波形振幅最大，說明模型內相似材料物質較為均勻，各層之間基本無反射，只在底部存在強反射波形。

3.2 采掘后模型探測結果

隨著開挖的不斷進行，相似材料覆巖運動特征發生明顯變化，如圖5所示。當采掘至260 m（圖5a），發生空頂現象，垮落帶高度穩定在38 m左右，裂隙帶高度發育在100 m左右；采掘至300 m（圖5b），垮落帶高度穩定在38 m左右，裂隙帶發育高度穩定在105 m左右，兩側垮落高度、裂隙帶發育基本一致。

圖5 不同開挖步長的覆巖運動局部變形特征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，波形振幅變弱，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，認為結構有一定的破壞，破壞帶特征明顯，推測在0.18 m和0.4 m處結構中存在裂隙。

圖6（b）整體波形受頂部裂隙的影響，波形振幅變弱，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處結構中存在裂隙，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處結構存在裂隙。

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

依據相似材料模擬結果，統計模型破壞的測量數據，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。依據相似材料模型動態監測結果可以看到，相似材料模型中各種結構基本清晰，各探測結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 覆巖運動穩定后探測解釋結果Table 3 Detection interpretation results when overlying rock movement was stable

4 結 語

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