基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究

许延春，谢小锋，李昆奇，刘世奇

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京)，北京 100083)



基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究

许延春1，2，谢小锋1，2，李昆奇1，2，刘世奇1，2

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京)，北京 100083)

[摘要]基于超声波检测速度快、对试样尺寸和形状要求低并且可以反映岩石强度的特点，通过室内试验模拟岩体裂隙及注浆过程，应用超声波检测技术测定岩体在不同裂隙宽度下声波传播速度，并对比分析了岩体注浆前后、干式状态及湿式状态的波速变化规律。结果表明：不同岩性的岩石波速差异较大，同一岩性的岩石，其波速也不尽相同，灰岩中波速相对最高，其次是砂岩，泥岩中波速相对最低；各类岩性的岩石纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小；在同一裂隙宽度下，随着含水量增加，波速增大；注浆后与未注浆时相比，波速也明显增大。通过本试验不仅认识了岩体裂隙及注浆的波速变化规律，同时试验也证实了利用超声波测试岩石内部声波速度是评价裂隙岩体注浆加固效果的一种有效手段。

[关键词]超声波检测；岩体裂隙；注浆加固；纵波波速

几乎所有的原岩体中都存在一定程度的裂隙，裂隙是由于地质作用而形成的不连续面，这些弱面在很大程度上影响并控制着原岩体的强度特征和渗流特性。底板注浆加固及含水层改造能有效改善裂隙岩体的阻隔水性能，被广泛应用于防治底板承压含水层突水。然而岩体注浆加固是一个受多因素影响的复杂过程，国内外学者对此做了大量研究工作。许延春、李振华等总结了近年来回采工作面底板注浆加固防治水关键技术[1-3]；许延春建立了注浆加固工作面底板突水“孔隙—裂隙升降型”力学模型[4]；Hideki Shimade研究了注浆材料的作用机理[5]；葛家良、杨米加等进行了岩体注浆模拟试验研究[6-7]；杨鑫、颜峰、吴基文等分析了承压水上开采底板注浆效果的影响因素及综合检验技术[8-10]。可以看到，注浆加固效果是岩体、注浆材料和注浆工艺等多种因素综合作用的结果，其检测评价方法主要有物探法(包括直流电法、瞬变电磁法、无线电波透视法、声波测试法)、钻探法、RPT法、PST综合法[11]等，其中利用超声波检测技术评价岩体注浆加固效果是一种有效而实用的手段。它测量的是原岩体在注浆前后不同状态下其内部声波速度的变化规律，据此推测原岩体相关的物理性能，并根据相关经验公式计算出纵波横波衰减系数、等价弹性模量及岩石单轴抗压强度等力学参数。由于是在现场大范围内进行的测量，其结果更接近于工程实际情况，更加准确可靠，既可以为室内试验及数值模拟研究提供数据基础，又可以为现场注浆参数的选择及注浆方案的优化提供科学依据。但由于现场地质采矿条件所限，注浆加固效果检测往往工程量大，耗时耗力，因此本文通过室内试验模拟岩体裂隙及注浆过程，预制4种宽度(0mm，2mm，3mm，5mm)的裂隙，应用超声波检测技术对不同岩性的试样在注浆前、注浆后干式状态、注浆后湿式状态3种条件下的岩体内部声波传播速度进行测定，并对比分析了不同情况下波速变化规律，从而判断注浆加固效果。试验结果对岩体质量评定具有重要指导意义，同时可为现场工程实践中利用超声波“一发双收法”分析岩体注浆加固效果提供借鉴。

1岩体声波测试技术

大量的理论分析和现场实践证明，岩石本身具有力、声、电、磁、热等物理性质。岩石内部声波传播速度综合反映了岩石本身的各种物理力学性质。研究发现，岩石内部声波传播速度的影响因素有很多，内部因素主要有岩石本身的岩性、密度、孔隙率等，外部因素主要有岩石含水率、温度条件等[12-13]。此外，试样的制作及试样尺寸对测量结果也有一定影响。

岩体声波测试技术是研究纵波和横波在岩体内部的传播速度及规律，据此推断岩体相关的物理力学状态，为评价工程岩体质量提供基础。一般来说，岩体中由于裂隙和结构面的存在，并不能看作是理想的均匀介质，但从工程角度考虑，当超声波波长远小于所测量原岩体的空间尺寸时，可以将岩体视为连续的各向同性线弹性材料，其内部纵波波速Vp和横波波速Vs与介质性质存在如下关系[14]：

(1)

(2)

式中，E为介质弹性模量；μ为介质泊松比；ρ为介质密度。

将上述两式相除得：

(3)

对于大多数岩体而言，μ值在0.25左右，代入上式得：Vp≈1.73Vs。由此可见，纵波比横波传播速度快，容易测量。孟召平等研究表明[15-16]，纵波波速比横波波速能更好地反映介质的力学特性，因此测试岩体中纵波波速更简单适用，且具有测试精度高、试验费用低、对试样无损伤等优点，在室内试验和现场实践中已被广泛应用。

2试验过程

2.1试样制作与试验设备

试验岩石样品取自赵固二矿煤层底板不同位置的钻孔，砂岩、泥岩、砂质泥岩、铝质泥岩、灰岩各若干。选取具有代表性的试样在室内进行加工，根据试验要求将其钻取和切割成直径50mm，高100mm的标准圆柱体试样，将两底面打磨光滑，使其相互平行并且垂直于圆柱体轴线。

基于上述分析，本试验采用ZBL-U520型超声波检测仪对岩石内部纵波波速进行测定。如图1所示，采用对测方式，超声波通过试样时，仪器屏幕上显示接收到的声波波形，根据波形判读得到纵波在试样中的走时T，而收发换能器间距(即所测试试样的长度)L可通过游标卡尺精确测量，由此求得纵波在试样中的传播速度为Vp=L/T。

图1　超声波检测示意

2.2试验步骤

试验主要研究不同宽度的裂隙岩体在注浆前后其内部纵波波速变化规律，其中预制裂隙宽度设置4个水平，分别为0mm(即完整状态)，2mm，3mm，5mm。试验在未注浆状态、注浆后干式状态、注浆后湿式状态3种条件下分别测量各试样声参量。

(1)未注浆状态测量保持试样完整，在两端面均匀涂抹一薄层凡士林，将发射换能器和接收换能器紧贴两端面，成对穿状(图2)，测量并记录数据。

图2　未注浆状态测试

(2)注浆后干式状态测量将各岩样垂直轴线等分切割成两段，每段高50mm，在两段岩样之间边缘处分别加不同厚度(2mm，3mm，5mm)垫片，用玻璃胶将垫片与岩样粘合，以表示固定宽度的裂隙。结合赵固二矿实际情况，注浆材料按水泥∶黏土=1∶3的比例，加入适量水配制浆液。用浆液将两段岩样之间裂隙充填满，稍干后用防水胶带沿四周封住裂隙部位，防止浆液漏出(图3)。各试样在每种裂隙宽度条件下，分别测试3次，取平均值。

图3　注浆示意

(3)注浆后湿式状态测量在上述干式状态下的各次试验测试完成后，将各对应试样放入盛满水的水槽中，静置一段时间，在水中测试各试样声参量，即湿式状态，见图4。

图4　湿式状态测试

测试结果见表1。

3试验结果及分析

由表1可知，在试样完整状态下，灰岩中纵波波速相对最高，为5.9～6.2km/s；其次是砂岩，波速为3.0～3.9km/s，且细砂岩波速高于粗砂岩波速；泥岩中纵波波速相对最低，为1.8～2.2km/s；而砂质泥岩和铝质泥岩，由于受到所含矿物成分的影响，其波速介于砂岩和泥岩之间，为2.5～3.1km/s，且铝质泥岩波速高于砂质泥岩波速。一般来说，岩石的密度由泥岩到砂岩到灰岩逐渐增大，试验结果表明，岩石纵波波速与其密度呈非线性正相关关系，具体规律有待进一步研究。

表1　各类型岩样纵波波速　km/s

整体对比各类型岩石测试结果可以发现：不同岩性的岩石纵波波速有很大差异，且相互之间存在一定范围的交叉；而即使是同一岩性的岩石，由于取样地点的不同，岩石受本身赋存环境的影响，其内部纵波波速也不完全相同。

3.1注浆前后波速对比分析

为了更直观地对比在未注浆状态、注浆后干式状态、注浆后湿式状态3种条件下，各类型岩石纵波波速与裂隙宽度的关系，根据表1作出图5。

图5　各类型岩石纵波波速与裂隙宽度的关系曲线

由图5可知，在试验3种条件下，各种岩性的岩石，其纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小，说明由于裂隙的存在，声波在不同介质间传播，传播过程中能量损耗增大，波速降低。在同一裂隙宽度情况下，注浆后与未注浆相比，波速有明显提高，但均低于初始完整状态下的波速，说明注浆能有效提高裂隙岩体连续性，改善其整体力学性能。

在裂隙宽度最大(5mm)时，未注浆状态下，灰岩中波速由初始值6.152km/s降低至4.037km/s，降低了34%；砂岩中波速由初始值3.757km/s降低至1.237km/s，降低了67%；泥岩中波速由初始值2.074km/s降低至0.686km/s，降低了67%。而注浆后与注浆前相比，灰岩中波速提高至5.502km/s，提高了36%；砂岩中波速提高至2.638km/s，提高了113%；泥岩中波速提高至1.136km/s，提高了66%。由此可见，裂隙对砂岩和泥岩中波速的影响幅度最大，而注浆过程对砂岩和泥岩的改善效果也最明显，这主要是因为灰岩中波速初始值最大，而砂岩和泥岩中波速初始值相对较小所致。

3.2干式湿式状态波速对比分析

从图5中注浆后干式与湿式状态的对比可知，各种岩性的岩石，其湿式状态波速均略高于对应的干式状态波速。在试样完整状态下，干式波速和湿式波速差异不大；在有裂隙试件干式未注浆时，与同一试件裂隙注浆后湿式状态相比，波速相差幅度很大。说明水的存在严重影响着岩石内部声波传播速度，随着含水量的增加，岩石声波速度增大。

但是由于岩性不同，岩石本身的矿物成分、风化程度等因素有很大差异，不同岩性的岩石中节理裂隙、结构弱面的发育情况也就不同，使得其具有不同的孔隙率，完全饱和时，岩石中吸附的水量有着明显不同，这种差异会影响岩石内部声波速度。因此，随着含水量增加，岩石内部声波速度增大的速率也不完全相同。

水溶液影响岩石声波速度的重要原因是由于水的存在相当于添加润滑剂，减小了分子间的摩擦力，使分子活动能力加强。另外，水溶液作为液体介质，给纵波提供了良好的传播条件，因此随着含水量增加，岩石纵波速度增大。

4结论

(1)试验对不同裂隙宽度情况下岩体内部纵波波速进行了测定，发现不同岩性的岩石波速相差较大，且相互之间存在小范围交叉。同一岩性的岩石，由于各种内部及外部因素的影响，其波速也存在差异。灰岩中波速相对最高，其次是砂岩，泥岩中波速相对最低。

(2)各类岩性的岩石，其纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小，在同一裂隙宽度情况下，注浆后与未注浆相比，波速有明显提高。

(3)各类岩性的岩石，其湿式状态波速均略高于对应的干式状态波速，说明含水量对岩石的声波速度会产生重要影响。随着含水量增加，岩石声波速度增大，但增大速率不完全相同。

(4)利用超声波测试岩石内部声波速度可作为评价岩石质量及裂隙岩体注浆加固效果的一种有效手段。

[参考文献]

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[责任编辑：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

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51504095)

[作者简介]许延春(1963-)，男，河北唐山人，教授，博士生导师，从事特殊采煤的研究与教学工作。

[中图分类号]TD265.3 3

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0060-04

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

[引用格式]许延春，谢小锋，李昆奇，等.基于超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验研究[J].煤矿开采，2016，21(2)：60-63.