含孔洞红砂岩超声波传播特性研究*

2021-10-12饶昱贝刘祖文洪溢都

采矿技术 2021年5期

饶昱贝，刘祖文，洪溢都

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州市 341099；2.江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州市 341099；3.中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所，福建泉州市 362216)

0 引言

随着矿产资源开采力度和开采深度的增加，岩土工程问题也随之而来。已有研究表明，岩体在自然条件下，内部存在各种宏观缺陷（孔洞、裂隙），缺陷的几何尺寸、形状、分布等对岩土体的失稳破坏有重大影响，故探究含孔洞岩体结构特征对评价岩土工程结构稳定性具有重要的实际工程价值[1-4]。

超声波与岩土体相互作用时，通过分析波速、振幅、衰减系数及主频等声学参数的变化，可反演得到岩土体的物理力学参数及结构表征，进而解决各种岩土工程问题[5]。R.Agersborg等[6]研究提出，小孔隙对纵波速度的影响要大于横波速度，而岩石矿物成分、孔隙类型和纹理均影响地震波的速度，其中孔隙度和纹理对波速起主要影响作用。M.Kumar等[7]发现当波长远大于孔洞尺寸时，只要考虑孔洞形状对波速的影响，孔洞大小的影响可以忽略。G.T.Baechle等[8]研究发现，速度和小孔隙之间的相关性较好，与大孔隙的相关性较差。曹均等[9]通过对孔洞缝密度、孔洞材料等因素进行分析，指出孔洞缝密度变化时，地震波的动力学特征参数比运动学参数变化更敏感。李琼等[10]分析认为缝洞系统中单缝洞大小、形状对声学参数有显著的影响，随着孔洞缝密度的增加，振幅、主频等动力学参数的变化幅度均比波速高两个数量级。刘向君等[11]探究了不同孔洞密度模型的声学参数之间的关系，发现当孔洞密度上升时，超声波波速、振幅都变小，且振幅变化幅度远远大于波速变化幅度。

已有学者在超声波传播特性与岩体自身物理性质方面做了大量的研究工作，但是目前关于超声波传播特性的研究大多集中于完整原岩及混凝土试样中，但自然条件下岩体内部存在各种宏观缺陷，对含孔洞缺陷岩样的超声波特性分析还有待于进一步研究。本文采用原状红砂岩岩样建立含不同孔洞尺寸、孔洞角度岩样试件，分析了单孔洞下尺寸、角度单因素变量对超声波传播规律的影响，对评价岩体工程稳定性具有重大的实际价值。

1 试验方法

1.1 试验材料和设备

为了真实反映深部地下工程中含孔洞岩体的结构特征，研究含孔洞红砂岩的超声波响应特性，本试验试样全部采用赣南地区地下砂岩原状试样，将试验试件制作成径高尺寸为50 mm×100 mm的圆柱形标准试件。

本次试验采用 HS-YS2A型岩石声波测试系统，主要包含超声波发射装置、接收装置和数据采集器等。

1.2 模型与试验方案

选择直径5，10，15，20 mm的钻头对不同尺寸试件进行打孔，孔洞分布在试样侧面中心位置，共钻取4组试样，分别命名为a（5 mm）、b（10 mm）、c（15 mm）、d（20 mm）组。选择10 mm的钻头对试件进行不同角度的打孔，孔洞形状为椭圆形，椭圆形长轴为20 mm，短轴为10 mm，共钻取5组试样，分别命名为 e（0）、f（30°）、g（45°）、h（60°）、i（90°）组。试样共9组，每组均为3个岩样，共加工27个圆柱形岩样。

主要研究红砂岩中的孔洞尺寸和孔洞角度对超声波传播规律的影响。在常温常压条件下，选用频率为100 kHz换能器，对干燥后的27个红砂岩岩样在打孔前后分别进行超声波测试。用超声检测仪记录下不同孔洞尺寸岩样的波速、波形。

1.3 试验过程与数据处理

试验过程中由发射装置输出电脉冲，接收装置探头将接收的微量讯号放大至显示屏上，模数转换后在屏幕上显示出波形，同时可直接测得从发射到接收的时间间隔t。换能器（声波测试探头）由发射换能器和接收换能器组成，其主要功能是进行电能和声能的信号转换，即将声波仪输出的电脉冲转变为声波能，或将声波能转变为电讯号输入到接收装置。为了使换能器很好地与测试材料耦合，在测体上进行声波测试时，一般用耦合剂将换能器端面紧贴于测试材料，本次试验中用凡士林作为耦合剂。由已知的测试材料距离L，计算出超声波在测试材料中传播的波速V，即V＝L/t。试验原理如图1所示。

图1 试验原理

2 超声波响应特性分析

2.1 不同孔洞尺寸岩样超声波响应特性分析

采用HS-YS2A型岩石声波参数测试仪对打磨加工好的岩样进行超声波测试，采集测试频率下100 kHz的纵波波速、声波首波幅值，并计算衰减系数。

当岩样完整时，超声波波速变化幅度不大；当岩样打孔后，由于孔洞中存在空气介质，岩样整体处于非均质状态，波速略微下降；随着孔洞尺寸的增大，超声波波速变化幅度较小，规律并不明显，孔洞尺寸对波速几乎无明显作用。说明孔洞会导致超声波波速减小，但是孔洞尺寸的变化不会导致首波速度的改变。首波速度只通过最早抵达的那条路径计算，即使岩样中心传播路径被截断，但孔洞两边的路径仍按原路径正常传播，首波到达时间与完整岩样时基本保持一致。

取每组岩样试验的平均值，得到首波幅值差值变化规律如图2所示。随着孔洞尺寸的增加，打孔前后首波幅值的衰减量呈线性增大趋势。当孔洞尺寸为5 mm时，幅值下降了73 mV；当孔洞尺寸为10 mm时，幅值下降了95 mV；当孔洞尺寸为15 mm时，幅值下降了125 mV；当孔洞尺寸为20 mm时，幅值下降了 142 mV。对其变化规律采用一次函数进行拟合，首波波幅差值与孔洞尺寸的线性关系表达式为：y＝4.74x+49.5。

图2 不同孔洞尺寸岩样打孔前后首波幅值差值

当超声波穿过含孔洞、裂隙等缺陷岩体时，会发生绕射、散射、反射等现象，这是由于孔洞对声波的反射或吸收，超声波衰减比完整岩样大，即接收信号的波幅下降。所以可以通过接收波幅的上升或下降，推断缺陷的存在和岩石内部的损伤情况。在实际岩土工程中，可以通过首波波幅的变化情况来判断岩石缺陷情况，因为首波能够真实反映岩石内部情况，而后续抵达的声波是一次声波和二次声波的组合，不能真实反映岩石缺陷情况。

根据首波幅值计算衰减系数，可知孔洞尺寸的变化对衰减系数有显著影响。当孔洞尺寸为 5～20 mm时，随着孔洞尺寸的加大，衰减系数整体呈线性上升的趋势。这是由于岩体内孔洞的存在，孔洞内空气和岩体不同，介质间声阻抗不同，即声波传播至孔洞界面时，超声波在孔洞界面产生反射、散射现象，导致超声波能量衰减。随着孔洞尺寸的增大，影响超声波传播的孔洞体积也不断增加，岩石声波能量衰减增多，导致衰减系数逐渐上升。

2.2 不同孔洞角度岩样超声波响应特性分析

当孔洞角度为 0～90°时，随着孔洞角度的增加，打孔前后纵波波速衰减量的变化规律并不明显。取每组岩样试验的平均值，得到首波幅值差值变化规律如图3所示，随着孔洞角度的增加，打孔前后首波幅值的衰减量呈线性增大趋势。当孔洞角度为0时，幅值下降了105 mV；当孔洞角度为30°时，幅值下降了114 mV；当孔洞角度为45°时，幅值下降了125 mV；当孔洞角度为60°时，幅值下降了128 mV；当孔洞角度为90°时，幅值下降了141 mV。波幅差值与孔洞角度之间呈线性关系，对其变化规律采用一次函数进行拟合，波幅差值与孔洞角度的线性关系表达式为：y＝0.407x+104.3。

图3 不同孔洞角度岩样打孔前后首波幅值差值

根据首波幅值计算衰减系数，可知椭圆孔洞角度的改变对岩样超声波衰减系数也有较大影响。当孔洞角度在0～90°范围内时，衰减系数差值与孔洞角度之间呈线性正比关系。随着孔洞角度的增加，垂直于超声波传播方向上的孔洞面积增加，超声波在遇到孔洞后发生的反射、绕射、散射增强，使得超声波在岩样中的传播时间增加，能量在岩样中的衰减越多，衰减系数随之增大。

对比各声学参数变化规律表明，岩样打孔后超声波首波幅值的变化规律比波速的变化规律明显，即不同孔洞尺寸和角度岩样对首波幅值和衰减系数的影响比对速度的影响要大，且岩样打孔前后超声波幅值、衰减系数的差值变化趋势相同。