基于超聲波的圍巖松動(dòng)圈實(shí)時(shí)監測系統設計

摘要：實(shí)時(shí)地掌握圍巖松動(dòng)圈的范圍對礦藏的安全生產(chǎn)具有重要的意義。利用超聲波探測的靈活性和準確性，本文提出了一種基于超聲波的圍巖松動(dòng)圈監測系統設計方法。此方案利用超聲波在巖體中的傳播速度與巖體的受力狀態(tài)和裂隙程度的關(guān)系來(lái)實(shí)時(shí)地監測圍巖松動(dòng)圈的情況，具有方便、靈活、易于操作等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測；圍巖松動(dòng)圈；巷道支護；嵌入式系統

引言

巷道的安全支護在煤礦安全生產(chǎn)中起到重要的作用，也是煤礦安全生產(chǎn)中的難點(diǎn)。對巷道的安全支護的關(guān)鍵是要實(shí)時(shí)地掌握嗣巖松動(dòng)圈的破碎狀態(tài)。

巷道開(kāi)挖后破壞了原巖的應力平衡狀態(tài)，從而導致：第一，巷道周邊徑向應力下降為零，圍巖強度明顯下降；第二，圍巖中出現應力集中現象。當這種應力超過(guò)圍巖強度之后，在巷道周邊圍巖所形成的破碎帶便是圍巖松動(dòng)圈。其物理狀態(tài)表現為破裂縫的增加及巖體應力水平的降低。松動(dòng)圈測試就是測試開(kāi)巷后新的破壞裂縫及其分布范圍，圍巖中有新破裂縫與沒(méi)有破裂縫的界面位置就是松動(dòng)圈的邊界。參考文獻介紹了基于松動(dòng)圈測試的檢測原理相應的測試方法，包括超聲波探測法、多點(diǎn)位移計量測法和地質(zhì)雷達探測法。參考文獻中根據震波在不同狀態(tài)的巖層中傳播速度的不同這一原理提出了基于震波的圍巖松動(dòng)圈測試方法。

鑒于超聲波測試的簡(jiǎn)單、易于操作和無(wú)損傷等特點(diǎn)，本文提出了一種基于超聲波的圍巖裂隙監測系統。此系統結合成熟的干孔測試方法，可以方便實(shí)時(shí)地檢測到圍巖松動(dòng)圈的信息，為巷道的安全支護及時(shí)提供信息，確保礦藏生產(chǎn)的安全。

1 超聲波檢測圍巖松動(dòng)圈原理

1．1 超聲波在圍巖中的形態(tài)

當超聲波以垂直方向入射巖體時(shí)，會(huì )同時(shí)產(chǎn)生縱波、橫波、表面波。根據聲學(xué)理論，在無(wú)限介質(zhì)中，這三種波的聲速分別是：

式中，Vl、Vs、Vr分別為縱波、橫波、表面波的聲速，E為楊氏模量，ρ為密度，μ為泊松比。通常，在固體中，Vs約為V1的1／2，Vr約為Vs的0．9倍。但是因沿巖體表面方向傳播的縱波、橫波能量很小，而表面波的能量卻高度集中(表面波的能量幾乎全部集中到物體表層一個(gè)波長(cháng)的深度內)，故到達近距離內接收換能器的表面波幅度遠遠大于縱波和橫波。本文中，將通過(guò)采集超聲波在巖石中傳播的表面波信息來(lái)分析圍巖狀態(tài)。

此外，超聲波的傳播速度還與巖體結構構造和應力狀態(tài)有關(guān)，聲波波速隨介質(zhì)裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應力增大、密度增大而增加。巷道開(kāi)挖后，圍巖應力將重新分布處于3個(gè)應力區：應力集中區、原巖應力區和應力降低區。這三個(gè)區的特點(diǎn)：應力降低區(圍巖松動(dòng)圈區)裂隙較多，應力下降，聲速低于正常波速；應力集中區應力較高，裂隙壓實(shí)，聲速高于正常波速；原巖應力區應力接近原始應力狀態(tài)，波速接近正常波速。本文利用超聲波在巷道圍巖一定深度范圍內的傳播速度的變化來(lái)判定圍巖的松動(dòng)范圍。

1．2 超聲波波速測試方案

根據超聲波發(fā)送／接收換能器的個(gè)數來(lái)劃分，目前常用的測速方案主要有單發(fā)單收和單發(fā)雙收方式，如圖1所示。這些發(fā)送／接收換能器都會(huì )按照固定的距離放入預先鉆好的圍巖孔洞。單發(fā)單收方案是通過(guò)計算從發(fā)送端到接收端之間的時(shí)間，再根據兩端之間的距離來(lái)確定測試位置處超聲波在圍巖中的傳播速度。單發(fā)雙收方案是利用發(fā)送端首波經(jīng)過(guò)兩個(gè)接收端的時(shí)間差和兩個(gè)接收端之間的距離來(lái)確定超聲波的傳播速度。

超聲波的傳播速度為：