低应变反射波法在相似材料模型裂隙带探测中试验研究

张二伟，周俊杰，姚 宇

（1.潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103；2.河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引 言

实验室相似材料模拟技术被广泛应用于煤层采掘活动中，特别是采场矿压显现和覆岩运动规律及破裂变形研究。目前，针对矿井覆岩运动研究采用的主要是二维相似材料模型的研究方式，在具有一定长、宽、高（长和高远大于宽）的试验台上，将配比好的相似材料按照一定比例摊铺，自然风干后形成测试模型。在相似材料模拟采掘活动的覆岩破坏观测中，常采用的高精度摄像、应力应变片监测和高精度测量装置观测等手段和方法，对覆岩位置不同位置的位移量进行监测。为更好圈定破坏变形的范围和位置，此次采用低应变反射波法进行探测，通过反演分析圈定出相似材料模拟模型破坏变形区域和范围。

1 覆岩运动相似材料模拟模型

采用相似性原理对山西省余吾煤矿3号煤开采情况进行二维模拟，试验台4 000 mm×2 800 mm×300 mm（长×宽×高），3号煤平均厚6.10 m，煤层水平顶底板岩性分别为泥岩、粉砂岩等岩层，岩体力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

依据相似材料特性，采用砂子、石膏、煤灰、水泥和水为原材料，按照不同岩性的变化进行配比，得到相似常数，见表2。

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

2 低应变测桩技术方法

2.1 测试原理

反射波法测桩原理如图1所示，用橡胶锤激励桩头，产生的应力波将沿着桩身向下传播，在传播过程中，如遇到波阻抗界面，将产生反射和透射。弹性波反射和透射能量的大小取决于2种介质波阻抗的大小，最终结合振幅大小、波速高低、反射波到达时间等，对模型内部结构缺陷位置、特征等作出判断。

图1 反射波检测基桩完整性示意Fig.1 Integrity schematic diagram of reflected wave detection pile

2.2 测试布置

相似材料模型弹性波速速度测试如图2所示。

图2 相似材料模型弹性波速速度测试Fig.2 Test of elastic wave velocity of similar material model

在模型的顶部布置锤击点和波速度接收点，采用自激自收方式，点间距布置为5 cm，在异常点处加密方式进行测量。在上覆压力和作用力下，模型覆岩相似材料岩体会发生相应的变形，通过模型顶部不同测量位置处弹性波场的激发与接收，分析弹性波速度和振幅的变化，反演得到模型中不同位置的变化。

3 探测结果分析

分别对制作好的相似材料模型采用拟动态观测方式，采掘前和开挖形成一定规模采空区引起覆岩发生变形后进行多次多点弹性波测量，通过对比覆岩运动形成材料层的剥离、裂隙带的位置，分析和评价覆岩运动影响位置。

实验采用北京智博联有限公司生产的基桩动测设备ZBL-P810系统，传感器精度83 um。按照图3所示工程布置方式，对相似材料模型的顶部以5 cm为间隔进行弹性波波形、波速度采集工作。

3.1 完整模型探测结果

首先对模型区内未发生采掘活动时进行探测，收集图3中A（左侧）、B（中间）和C（右侧）处数据，得到反射波的波形变化，如图4所示。

图3 模型顶面测量点工程布置Fig.3 Engineering layout of measuring points on top of model

图4 未采掘时相似材料模型反射波探测成果Fig.4 The reflected wave detection results of similar material model before mining and excavation

从比图中各点位置处的波形可以看出，总体波形形态基本一致，底部能量最强，反射波明显，波形振幅最大，说明模型内相似材料物质较为均匀，各层之间基本无反射，只在底部存在强反射波形。

3.2 采掘后模型探测结果

随着开挖的不断进行，相似材料覆岩运动特征发生明显变化，如图5所示。当采掘至260 m（图5a），发生空顶现象，垮落带高度稳定在38 m左右，裂隙带高度发育在100 m左右；采掘至300 m（图5b），垮落带高度稳定在38 m左右，裂隙带发育高度稳定在105 m左右，两侧垮落高度、裂隙带发育基本一致。

图5 不同开挖步长的覆岩运动局部变形特征Fig.5 Local deformation characteristics of overlying rock movement with different excavation velocity

以采掘300 m为研究对象，按照上述探测测量布置方式进行相同方法的探测和测试，得到的相似材料模型的A、B、C处的波形特征，如图6所示。

图6（a）整体波形受顶部裂隙的影响，波形振幅变弱，底部反射波形明显。大约在距离顶部0.18 m和0.4 m处反射波形有变化，认为结构有一定的破坏，破坏带特征明显，推测在0.18 m和0.4 m处结构中存在裂隙。

图6（b）整体波形受顶部裂隙的影响，波形振幅变弱，底部反射波形明显。大约在距离顶部0.5 m、1.15 m处反射波形有变化，破坏带特征明显，推测在0.5 m、1.15 m处结构中存在裂隙，在1.15 m处存在大的裂缝。

图6（c）整体波形受中间裂隙的影响，呈一定的周期震荡，反射波形振幅递减，底部反射波形明显。大约在距离顶部0.5、0.8、1.1 m处反射波形有变化，破坏带特征明显，推测在0.5、0.8、1.1 m处结构存在裂隙。

图6 采掘300 m相似材料模型反射波探测成果Fig.6 The reflected wave detection results of similar material model when the mining length was 300 m

3.3 采掘前后综合成果

依据相似材料模拟结果，统计模型破坏的测量数据，见表3，并绘制开挖300 m厚模型裂隙深度分布图，如图7所示。依据相似材料模型动态监测结果可以看到，相似材料模型中各种结构基本清晰，各探测结果中存在着明显的反射波组变化。

图7 相似材料模型开采300 m探测解释裂隙深度分布Fig.7 Fracture depth distribution diagram detected and interpreted in similar material model when the mining length was 300 m

表3 覆岩运动稳定后探测解释结果Table 3 Detection interpretation results when overlying rock movement was stable

4 结 语

相似材料覆岩运动破坏裂隙带位置可通过低应变反射波法进行探测。试验测试结果、解释结果和实物测量结果基本吻合，表明低应变反射波法可用于相似材料模型裂隙带的探测。