矿山岩体探测技术.pdf

2矿山岩体探测技术【知识目标】ffl 了解矿山岩体测试的常规方法ffl 了解岩体综合地球物理探测技术ffl掌握岩体声波探测的基本原理及其常规应用ffl掌握围岩移动破坏探测的常用方法3矿山岩体测试技术矿山地下工程，无论是井巷的开挖还是煤层的开采，必然 会造成周围岩体的变形和破坏，而围岩应力、变形和破坏都 是地层开挖前原岩应力发展的延续，矿山岩体力学的研究离 不开地应力的量测，而对于每个具体的地下工程，矿山岩层 移动与变形的监测不仅能为施工设计提供最直接的依据，而 且可以对其他理论计算值进行验证。岩体所表现出来的力学 性质与其周围的地质环境密切相关，其中水是最重要的因素，因此，岩体渗透性的量测具有重要的工程现实意义。相似模拟实验作为一种实验室模型方法，在某些方面具 有现场测试无可比拟的优越性。4岩体探测概述岩体探测是近十几年才逐渐发展起来的一门现场实验测量 学科，是地球物理技术在岩体工程中的具体应用。本章所介 绍的地球物理探测技术是近几年对围岩移动和破坏探测研究 中具有明显效果的一些方法。目前，新的探测技术和数据处 理技术的进一步开发与应用，使探测精度大幅度提高。可以 预言随着科学技术的发展与完善，岩体探测技术在岩体工程 中将会发挥越来超重要的作用。岩体探测是建立在岩体地球物理场测量基础之上，指在 较大的范围内对反映岩体结构状态的物理场参量进行的测量，如电阻率、弹性波速度、电磁波衰减系数等。它所取得的物 理量值是岩体某一体积的综合量值。一岩体声波探测技术n-1基本概念日常生活中常常见到根据敲击声音鉴别物体真假和优劣的 例子。铁道工人用小锤敲击火车轮轴上的部件，可以判断有无 隐患；煤矿工人用”敲帮问顶的办法，也可以估计巷道、采场 岩体的稳固程度。近代科学技术的发展使声波探测技术术成为 一门专门的检测技术，如机械零件、碎桩、坝基的超声波无损 探伤。在矿山岩体工程中，声波探测也是一种重要的探测手段。声波是指频率在20-20000HZ范围内的振动波,低于20Hz称 为次声波，高于20000Hz称为超声波，目前所讨论的声波测试，声波频率范围既包括声波又包括超声波。一岩体声波探测技术-I-1基本概念根据声源的不同，岩体声波探测可分为主动测试与被动测 试两种方法。在主动测试中，声波由人工激发，如波速测定；在被动测试中，声波是岩体遭受自然界或其它力的作用时.在 变形或破裂过程中，由岩体自身产生，如声发射。声波频率高，波长短，因而分辨率很高，对于岩石的若干 微观结构也能有反映，但由于岩石对高频声波的吸收、衰减和 散射比较严重，存在探测范围小的缺点。虽然如此，声波探测 具有分辨率高、简便、快速、经济.便于重复测试，并且对岩 体是无损检测等突出的优点，已成为工程地质及地下工程中的 一种重要测试手段。7一岩体声波探测技术1基本概念目前岩体声波探测主要解决的问题有：岩体的工程地 质分类；确定围岩松动圈的范围，为合理设计锚杆长度、喷浆或衬砌厚度提供依据；测定岩体物理力学参数，包括 动弹性模量、泊松比、单轴抗压强度及密度等工程注浆效 果检测；煤柱、岩柱稳定性评价；混凝土探伤及强度检测;冻结法凿井时，冻结壁厚度的检测；断层、裂隙及溶洞等 地质异常的研究；地应力测试；冲击地压、煤与瓦斯的突 出及地震灾害的预报等。一岩体声波探测技术2无限弹性介质中波的一般规律声波探测法的实质是在被测岩体中，利用声波的传播速度 或振幅的衰减规律取得的数据，再通过计算求出所需的力 学参数。在岩体中进行声波探测时，把岩体视为弹性体，承载信息的是弹性声波。根据固体弹性理论，在不考虑体 力的情况下，均匀、各向同性理想弹性介质中的波动方程 式是：（2+G）gnzde+GV2u=夕坐 6=div。妫体应变aJ|_2+2Gv=0 e=%sin cotc2 打 _v2w=o w=rott/w为旋转量dt2 p一岩体声波探测技术2无限弹性介质中波的一般规律在无限的弹性介质中传播的波，只有纵波和横波。纵波的 波速为Vp,横波的波速为Vs。V(1-)夕(1+)(1 2)V=E2/(1+)一切纵波，不论波长的大小和波形如何，在弹性岩体 内都以疏密发散的形式向前或向后传播，其速度为常数。纵波由压缩力使弹性物体产生体积变形，外力消去后，物 体中质点的振动是一种体积胀缩变化的振动。纵波的频率 较高，主要用在探测浅层岩体，以解决工程问题。10一岩体声波探测技术2无限弹性介质中波的一般规律纵波的特点：传播方向与振动方向一致。传播路径上质点相继振动的结果，在介质中形成相间出现的压缩带与膨胀带。可在气体、液体、固体中传播。传播速度较横波快，但在同一振源的能量中所占比例较 小、仅为振源总能量的7%,所以其振幅较小。11一岩体声波探测技术2无限弹性介质中波的一般规律当岩体存在着一个自由面或在两种岩体之间存在着交界 面时，除纵波和横波外，还能产生表面波。它类似于流体中 的重力表面波，其作用随深度很快衰减，且传播速度小于岩 体内的纵波和横波的速度。一般表面波速度是横波速度的 0.9194倍。面波所占能量占总能量67%,故在岩体表面上的 面波是最强的优势波。表面波的能量主要分布在表面附近，集中在1个波长的 深度内，在与表面平行的方向上，随着远离震源，其能量衰 减与距离的一次方成反比。纵、横波的能量衰减与距离的二 次方成反比。目前，在声波探测技术中面波是一种干扰波。一岩体声波探测技术3声波探测的传播方式声波在介 质中传播有以 下方式：直达 波、绕射波、反射波、透射 波、滑行波和 折射波。仁)(0图5.L5 声波传播方式(a)直达波；(b)绕射波；(c)反射波；(a)透射波；S)滑行波；(f.)折射波13一岩体声波探测技术4声波探测应用的参量声波穿过岩体时，有三个方面的参数将因岩体力学性质、结构状态的不同而发生变因而这些指标可作为声波探测岩体 的参量。这三个参量是：声速。即声波在岩体中传播的速度、包括纵波速度耳和横 波速度Vs。声幅。即声波的能量或强度，在观测仪表上表现为声波波 形的振幅大小。频谱。任何一个非正弦的振动波，都可以分解成不同频率、不同振幅、不同相位的许多正弦波。这些不同频率、不同振 幅的正弦波构成频谱，振幅（能量）最大的频率为主频。一岩体声波探测技术4声波探测应用的参量一般说来，坚硬、致密、完整的岩体，声波在其中传播 时，速度较快，声能(振幅)衰 减较小，频谱成分变化较小，因而总的波形变化不大，如右 图所示；反之，软弱、破碎 岩体，声速较低，声幅衰减较 大，频谱中高频成分被严重吸 收，波形变化较大，表现为周 期拉长，如右图(b)所示。图5.1.7不同岩体的声学特性(aJ完整岩体；(b)非完整岩体15一岩体声波探测技术5声速与岩体力学性质及结构状态的关系岩体类型岩性不同，其声 波速度随之变化。根 据统计结果，右图表 示不同类型岩石的声 速回归曲线。%/(km/s)图5.1.8 岩石类型与声速的关系冲积层粘土等；砂页岩；灰岩、白云岩;花岗岩、变质岩：盐岩、硬石膏16一岩体声波探测技术5声速与岩体力学性质及结构状态的关系弹性模量若测得Vp、Vs及 P,便可算出动弹性 模量均、动泊松比/。实际上，由于 密度的微小增加，引起岩体孔隙减小,导致动弹模上升，声速反随之加大。1r 一岩体声波探测技术5声速与岩体力学性质及结构状态的关系岩体抗压强度根据实测资料，声速与抗压强度近似成指数函数关系，抗压 强度高的岩体，声速高。(4)岩石孔隙率随着岩石孔隙率的增大，声速明显降低，波的能量也急剧衰 减，这种情况在沉积岩中尤为突出。根据等人的研究，声速v 与孔隙率之间的存在如下关系。1 n-n-1-V vf vr力为裂隙中饱和液体的波速，匕为岩石骨架的波速。一岩体声波探测技术5声速与岩体力学性质及结构状态的关系岩石胶结程度一般情况，年代较老的岩石，胶结程度较好，声速较高;而年代较新的岩石胶结程度较差，声速较低。(6)结构面岩体结构面多，节理、裂隙、层理、夹层、断层发育，风化严重，孔隙率大，岩体完整性不好，则声速偏低；反之,声速高。M 一岩体声波探测技术5声速与岩体力学性质及结构状态的关系岩体应力1）当应力较小时，声速随应力的增大而升高，可升高40%;2）平行加压方向比垂直加压方向声速升高得多；3）不同岩性，应力与声速关系不同。温度：各种岩石随温度的升高，其声速都有不同程度的降 低，当温度高时尤其明显。当温度由正到负，在0以下继续 降低时，声速急剧增大，特别是湿度大的岩石更加明显。这是 因为温度降到-5-8后，充填于岩石孔隙中的水由液态变成固 态（冰），声速由500骤增到36004300m/s左右。这一现象在冻结 法凿井施工中，可利用声速来判别冻结壁的形成与厚度。手端 一岩体声波探测技术6声波振幅特征与岩体特性的关系声波在岩体中的传播特征，除速度随岩体的特征不同而异 以外，还表现在振幅的变化上。振幅的衰减，主要取决于波在 传播过程中的几何扩散（随距离增大而衰减）与岩体对声波的吸 收作用，吸收作用与岩性、岩体结构、声波的类型及频率有关,可用吸收系数Q来表示。声波振幅项要增加一个与吸收作用有 关的因子e-味其中X为传播距离。岩体的吸收系数及频谱的变化，基本上反映了岩体结构及 物理力学性质。分桥这些参数，可以获得比单纯用声速反映岩 体结构状态更为有效的资料。这也是声波探测又一个重要的理 论基础。字端 一岩体声波探测技术7声波的激发方式爆炸用炸药或雷管作震源（小药量）。其持点是：频率较低，约为10100Hz;能量较大，作用距离较远.达数十米；分辨能力较差；单次激发。后端 一岩体声波探测技术7声波的激发方式锤击使用810kg的铁锤，人工锤击岩体。其持点是：频率约为1001000Hz;作用距离几米到数十米；分辨能力较爆炸震源强；单次激发。1M 岩体声波探测技术7声波的激发方式电火花源在空气或水中进行高压放电，使局部升温膨胀，产生振动，可 用于岩面或钻孔。其持点是：频率较高，约为1300kHz;瞬间放电功率达lOOOkw以上，形成冲击波，作用距离达几 十米；分辨能力较高；单次激发。半端 一岩体声波探测技术7声波的激发方式(4)电声换能器压电晶体不仅可以作为振源发出声波，还可以作为探测器 接收声波，它接收声波以后，转换成相应的电压，经过声波仪 接收机加以放大并显示出波形，可以测量声波在介质中的旅行 时间，计算波速。由压电晶体组成的声波测量元件叫电声换能 器，包括作为振源的发射换能器和作为探测器的接收换能器。一岩体声波探测技术257声波的激发方式喇叭式换能器又叫夹心式换能器，其结构如右图 所示，由圆片形压电晶体叠合在一 起、在每一个晶片的上、下两极间 加一脉冲电压，利用圆片晶体厚度 方向上的变形产生振动：其特点是 单向振动辐射.指向性好，承受功 率大，机械强度高，可用于岩体对 穿测量或平面测量.既可用于发射,也可用于接收。图5 一 2.1喇叭式换能器结构图1.后盖板:2.压电陶隹门.电极片4.法兰盘:5.前盖板；6,螺栓；7.盖26一岩体声波探测技术7声波的激发方式单片弯曲式换能器 其结构如右图所示。将圆片形晶片用环氧 树脂粘于底壳，晶片上、下加交变电压时,一方面厚度方向上发生胀缩变形，另一方 面径向上发生伸缩变形。因下面受底壳限 制，上面为自由面，变形量大，因而产生 弯曲变形，带动底壳一起振动。这种换能 器用于低频声波测量时，其特点是体积较 小、轻便、灵敏度较高，但强度差，不能 承受大功率，因而一般仅用作平面声波测 量的接收换能器。图5.2.2单片弯曲式换能器结构图L锁环上盖;3.压震螺拴4.底壳巧一压电陶篷q端 一岩体声波探测技术7声波的激发方式增压式换能器其结构如下图所示。将多个圆片形晶片平行等间隔排列并垂直 子增压管内壁粘牢。图5.2.3增压式换能器1.前法兰盘;2.玻璃钢咛.增压管；4.压电陶盥;5.电极引线;6.接线柱:7.后法兰盘;8.连结套筒;9.连接件；10.螺栓；11.接电缆q端 一岩体声波探测技术7声波的激发方式增压式换能器各晶片的电极并联连接，晶片两边加交变电压时晶片厚度方向 胀缩的同时，径向发生伸缩变形。增压管是由两个半圆管对接 而成的，中间留有缝隙，当晶片径向伸缩变形时，就带动增压 管发生径向振动。它比单片时的发射、接收效率高若干倍。这 种换能器的特点是轻便，低频换能器的体积也不大，频带较宽。常用于双孔孔间透视。因增压管有缝隙、辐射不均匀，在缝隙 方向上接收到的声波幅度偏低，故不宜做声幅测量用。茎 一岁体声波探测技术7声波的激发方式测井换能器所谓测井换能器，实际上也是一种圆柱状换能器，由圆管状压 电晶体制成。下图为单孔声波测量的换能器结构图，一般均采 用一个发射换能器，两个接收换能器，称为一发双收换能器。图5.27测井换能器结构图1.前法兰盘;2.陶螫环;3一幅声环;4 一玻璃钢密封层;5.中心螺杆浦.加法主盘;7.电缆引线感.发射振子9接收振于对门接收振子R?:一岩体声波探测技术7声波的激发方式测井换能器右端的晶体构成发射换能器，左端的两个晶体构成两个接 收换能器Ri和R2,3个晶体用传声速度较慢的隔声管联接起来。这种换能器适用于在单个钻孔中测量孔壁的声波速度，以了解 孔壁岩石结构状态。测量时，由发射换能器T发出的声波进入孔 壁岩石，其中的滑行波沿孔壁滑行先后到达接收换能器Ri和R2被 接收下来，通过仪器可以测量滑行波从T到达Ri和R2的旅行时间&相 根据Ri和R2间的距离和时间差，可求出声波在Ri和R2间 孔壁岩体中的传播速度。一岩体声波探测技术7声波的激发方式试件测试换能器用于室内试件测试的换能器多为小型的超声波换能器。分承压 式和非承压式两种，前者将换能器装在一个扁圆形的钢制模盆 内，能承受较大压力。可放在压力机加压板与试件之间，在加 载的同时进行声波测量，以研究声学参数与应力的关系，其结 构如下图所示。i 3,图5.2.5承压式试件换能器结构图L保护螺松；2.电境芯线;3.金属垫片;心憬胶垫片；5.电缆6压器螺栓;7.电缆屏蔽层；8.晶片孑9.底壳温端 一岩体声波探测技术-8岩体声波探测仪器声波仪主要由发射系统和接收系统两部分组成，发射系统包括 发射机和发射换能器，接收系统由接收机、接收换能器和用于 数据采集处理用的微机组成。其工作原理是由一声源讯号发生 器（发射机），向压电材料制成的发射换能器发射一电脉冲，激励 晶片振动，产生声波向岩石发射，作为声波探测的声源。声波 在岩石中传播，经由接收换能器接收，把声能转换成微弱的电 讯号送至接收机，通过微机控制进行离散数据采集并存储。图5.2.6声波探测系统简图1、接收机2发射机门，接收换能器M,发射换能器q端 一岩体声波探测技术9声波探测方法换能器与被测岩体（石）的耦合无论现场岩体测试或室内试件测试，换能器与被测岩面接 触时，总不可避免地会有一层空气隙，这就产生了两个界面，一个是换能器与空气，另一个是空气与岩石。声波在两个界面 上将产生反射而损耗能量，而且反射能量大小与界面两边波阻 抗有关，V差别越大，反射能量越大。因空气密度p很小，声波 在空气中传播的速度也较小，仅为3400m/s、所以空气的波阻抗 很小，与换能器及岩石两者相比，波阻抗差别很大，因而声波 从换能器进入空气隙，又从空气隙进入岩体经过两道反射较强 的界面，能量损耗很大。一岩体声波探测技术9声波探测方法换能器与被测岩体（石）的耦合为使能量不被大量反射而损耗，需将空气隙填满某种V与岩 石和换能器差别不大的介质，使声波从换能器耦合到岩体中去，这种介质叫耦合剂。比较方便的耦合剂是黄油和水。一般试件测试和平面测试，常用黄油；孔中测试则灌满水。对于水平或上斜孔，用水做耦合剂时需进行止水，以防水 的流失。7777777)q端 一岩体声波探测技术9声波探测方法 双孔孔间穿透测量如下图所示，一对互相平行的钻孔，孔间距约5U0m,用增压式换能器或圆管 式换能器，一孔发射，一孔接收，置于相 同的深度，测取直达波的旅行时，再根据 孔距计算波速。更换测点时，两孔换能器 同步移动，这样可以测得岩体由浅至深不 同深度上的波速。测量时孔中注满水做耦 合剂。双孔声波对平行于孔轴方向的结构 弱面探测效果比较好。77777777777777777777777770RT二/一岩体声波探测技术r9声波探测方法双孔孔间穿透测量 如下图所示，一对互相平行的钻孔，一孔发射，一孔接收，与同步观测方法不同的是，CT观测方法是一个深度发射，另一孔中不同深度多 点呈扇形接收（接收段），发射点移动，接收段按 一定规律移动。一个孔发射完后，发射与接收互 换，重复进行。接收点的多少和观测次数依据测精度而定。最终依据声波定时对孔间声速进行层 析成像反演，得到孔间声速分布图。根据声速分 布图进行岩体岩性变化、裂隙发育状况、岩体破 碎状况以及注浆效果等的评价。37一岩体声波探测技术9声波探测方法单孔声波测量单孔声波测量如右图所示，孔内充满水做 耦合剂，用圆管式一发双收换能器侧取沿孔壁 滑行的声波到达接收换能器Ri、R2的旅行时匕 相根据Ri、R2间的距离，计算滑行波在Ri 至R2一段孔壁岩体中的波速，用于确定围岩松 动圈，进行岩体分级或求取岩体力学参数。t 一岩体声波探测技术9声波探测方法(4)岩面平面测量在岩面上，用夹心式(喇叭式)换能器或锤击方式激发声波，在接收点用夹心式或单片弯曲式换能器进行接收，测取声波从 发射换能器T到接收换能器R的旅行时或锤击声波经过第一接收 换能器R1到第二接收换能器R2的时差，根据T至R或R1到R2的 距离，计算直达波的速度，此方法主要用于快速确定岩体浅部 结构状况，对垂直岩面的结构弱面比较敏感。图5.3.3 平面声波测量一岩体声波探测技术9声波探测方法岩柱对穿测量在岩柱相对两壁面上，用夹 心式换能器或锤击方式激发声波,用夹心式或弯曲式换能器接收，也可在任意两点间对穿，如右图 所示。测量直达波的定时，计算 波速，此法可以快速、经济地测 试岩体内部的结构情况，用于岩 柱稳定性分区，但要准确地测量 发射与接收点的间距较麻烦。图5.3.4 岩柱对穿声波测量一岩体声波探测技术9声波探测方法(6)环形声波测量环形声波测量如右图所示，沿圆周上8个以上测点，在岩体 表面上用夹心式换能器，或在钻 孔内用圆管式换能器，测取对径 各个方向的声波速度。此法可用 于确定岩体最大主应力方向，因 为在一定范围内岩体波速随应力 的增大而升高。图5.3.5 环形声波测量41一岩体声波探测技术 10声波探测的应用岩体力学参数测定岩体（石）动弹性参数测定。岩体准抗压强度的测算岩体工程地质分类声波岩体分类指标正常岩体的纵波速度岩体纵、横波速比完整性系数及裂隙系数风化系数衰减系数频谱特性二二 一岩体声波探测技术Tio声波探测的应用围岩松动圈的探测测定地下碉室围岩松动圈各部位岩体松动的深度，对于评 价岩体稳定性和进行合理的喷锚设计具有重要意义。声波探测 已成为测定围岩松动圈的重要手段。测量时，在巷道断面选择 几个主要部位，垂直岩壁向围岩内打孔，测量孔内不同深度L 的声波速度耳，作出冷】曲线，根据统计资料得出的正常岩体 波速Vp,划分出三个圈带（如下图）。一岩体声波探测技术 10声波探测的应用围岩松动圈的探测图53N 围岩松动圈及其对应的灯-L典型曲线C.）松动圈的三个圈带m,松动带,n.应力集中带，nr原始应力带）：（匕）”-l典型曲线二厂 一岩体声波探测技术Tio声波探测的应用(4)采场底板破坏深度探测探测采场底板破坏深度对于防治底板奥灰岩溶突水具有重 要意义。采用声波测量方法探测底板时，是在采区外侧的专用 观测桐室中向采场底板打孔，进行单孔或双孔声波测量，见下 图。为了突出采动因素对底板的破坏而排除岩性等原生因素对 声波参数的影响，声波测量是在采动之前就开始的，并以采前 观测结果作为原始对比资料，在采动开始以后不断进行多次观 测，直到采完为止，利用采动前后以及开采过程中资料进行对 比分析。45一岩体声波探测技术10声波探测的应用(4)采场底板破坏深度探测图5.4.4底板声波观测齐布置图采面花观测孔距离/血50 40 jo M io n-10图5.4.5 果场底板不同深度声速随采面 推进实测曲线(深度单位为网 nnw WW；32_一岩体声波探测技术Tio声波探沏的应用(4)采场底板破坏深度探测声速对比法声速CT法声速CT成像法是利用弹性波在不同介质中传播速度的差异,通过井间声波走时的数据采集和计算机数学处理(迭代反演)重建介质速度的二维图像，从而推断井间介质的岩性以及应力 结构状态。47一岩体声波探测技术 10声波探测的应用在冻结法凿井中的应用不同介质的声速不同，即便是同一介质，不同相态情况下,声速也有很大的变化。例如含水冲积层经过冻结后，土的颗粒 被冰粘结在一起，使固相的整体性大大提高，因而含流砂层在 冻结前、后的纵波速度从1600H1/S增大到2800m/s以上，提高了 50%o如果在适当的位置上对冻结前后各土层的声波传播速度 进行测定、比较，可有效地了解冻结壁的冻结状态和扩展情况。48一岩体声波探测技术 10声波探测的应用(6)注浆充填效果检测在许多工程中需要对软弱基础进行加固，如坝基加固、煤 矿井简注浆加固以及井下软弱岩层注浆加固工程等，对注浆充 填加固效果要进行检测，常规方法主要靠钻探，亦即是在被加 固的基础和岩层中重新打钻取岩心，这种方法费工、费时，且 所检测的是一个点，并不能完全代表整体效果。利用声波方法 进行检测可以弥补钻探之不足。具体方法是需要检测的层位施 工互相干行的钻孔，进行声波CT方法观测，最终对孔间岩体波 速成像。一般说来，胶结好的岩体比破碎岩体或胶结较差的岩 体的声速高得多，亦就是说声速的高低反映出岩体注浆后胶结 程度如何，是否达到了设计要求。二二 一岩体声波探测技术p U声发射与微震技术声发射与微震技术是利用岩体受力变形和破坏后本身发射 出的声波和微震，以进行监测工程岩体稳定性的技术方法。岩体是一种非均质材料，内部普遍存在裂隙等结构弱面，在外力作用下，结构弱面（或不连续面）由相对“静止”状态进 入相对“变动”状态，这时岩体中储存的应变能要突然释放，一部分能量以弹性波的形式释放出来，即产生岩石的声发射与 微震现象，其频率约又102104Hz。另外，岩体在超过其强度 极限的应力作用下将产生微破裂，直到破坏，同样会出现声发 射与微震现象。高频声发射，可能与岩石矿物晶体的位错及晶 粒间断裂有关；低频AEMS,则可能与规模大的岩体内部破 坏和不连续面的剪断滑动等原因有关。_二二 一岩体声波探测技术TU声发射与微震技术AE-MS信号具有几个比较明显的特征：信号是随机的，非周期性的；信号频率范围很宽，上限可高达几万赫兹，甚至更高；信号波形不同，能量悬殊较大；振幅随眨离增大迅速衰减。监测方法可分为：一般监测和定位监测。监测仪器有便携式的地音仪（DY-2型地音仪），也有带有完 善记录设备的仪器（DKJ-1-D型地音仪）。51二采矿工程围岩移动破坏探测1水文地质钻孔探测法水文地质钻孔探测法是观测覆岩“两带”（冒落带、裂隙带）高度最常用最可靠的方法。该法是在采空区上方地表布置一定 数量的观测钻孔，在钻进过程中，测定钻至各深度的冲洗液消 耗量，水位变化，或者按不同深度连续进行注水试验，测定各 段注水量变化，取岩心观察新老裂隙发育情况并记录钻进中的 异常现象，综合对比分析确定覆岩“两带”高度。该方法必须 在采前相同位置施工对比钻孔，取得采前的各种资料，与采后 资料对比分桥，否则，采后无论施工多少钻孔，缺少采前对比 资料，所测数据都依据不足。52二采矿工程围岩移动破坏探测1水文地质钻孔探测法观测内容和方法在观测过程中，观测单位时间或单位进尺钻孔冲洗液的漏 矢量。其测定方法有两种：流量测井法。在保持钻孔注满水的情况下，用流量仪测定 钻孔不同深度上的流量值。相邻深度上的流量差即为相应部位 的漏失量。漏矢量大，表明岩体破碎。此法特点是只需一个钻 孔即可测定不同深度漏失量的连续变化曲线。水池冲洗液消耗量观测法。在钻进过程中，观察钻进到不 同深度时地面水池中循环冲洗液的消耗量。53二采矿工程围岩移动破坏探测1水文地质钻孔探测法观测内容和方法钻孔水位的观测。在钻孔冲洗液正常循环过程中以及冲洗 液完全漏失以前，应对钻孔水位变化进行测定，这也是确定裂 隙顶点和岩层破坏特征的主要标志。观测钻孔冲洗液循环中断状况，记录中断时钻孔深度及中 断时间。记录钻进过程中的异常现象，如掉钻、卡钻及钻具振动等 现象。岩心鉴定：准确判断岩层的层位、岩性、产状，描述岩芯 的破碎状况。54二采矿工程围岩移动破坏探测1水文地质钻孔探测法观测钻孔的孔位、孔径、数目及施工时间钻孔数目一般以5个为宜，分别布置在采空区地面沿煤层 走向方向和倾斜方向上。主测线上布置3个孔，其中一孔位于 两条线的交点上。钻孔位置的确定应考虑能否取得冒落带的最 大高度。走向观测线上的观测孔应布置在开采边界内侧附近；倾斜方向上，除采空区中央设一观测孔外，应在回风巷或运输 巷附近布置钻孔。采矿工程围岩移动破坏探测1水文地质钻孔探测法裂隙带顶点、冒落带顶点的确定方法裂隙带顶点位置以流量测井的漏失 量结果或钻孔循环冲洗液的漏失量结果 来判定。若钻孔进入冒落带以前，冲洗液早 已完全漏失，就无法以冲洗液漏失量作 图4.2J冒落带、裂隙带 最大高度计算示意图 L裂隙带起点;2.冒落带起点;3.观测钻孔1 4开采前地去为衡量的标志。应当根据钻进过程中的 异常现象，如掉钻、漏风等，以及岩心 破碎情况来分析判断钻孔的冒落带顶点O采矿工程围岩移动破坏探测56(4)实例1水文地质钻孔探测法二采矿工程围岩移动破坏探测57(4)实例1水文地质钻孔探测法细砂岩.黄褐I 默士色、局部泥质 汆成分编嘉波 冷纹状层理粗砂岩，长石 50%,石英 35%细砂岩，灰:色,硅质皎:结中砂岩，浅灰,石英:6()%氏 石：的盟,含少 量黑云母，裂 隙充铁镭质及 方解石脉泥轮,含粉矿质2.407-4L33.47.8-48.34.5L 1-51 H48.85m 冲洗液不循环5X55m升蛤 卡拈、吸风57.0m终孔采矿工程围岩移动破坏探测58充气控制台2钻孔分段注水法 观测系统及工作原理 钻孔分段注水观测，采用 统如下图。“钻孔双端封堵测漏装置”，观测系五水管,流衰 水压表水-_11_ 11 1注水控制台二采矿工程围岩移动破坏探测59V-2钻孔分段注水法观测系统及工作原理该系统在结构上有两条通路，充气通路和注水通路。由高压 气体瓶、充气控制台和孔内封堵胶囊组成充气通路；由高压水、注水控制台、进水推杆和孔内注水探管组成注水通路。首先通过 充气通路给胶囊充一定压力的气体使其膨胀，将孔内封堵器所在 孔段的两端严密封堵；然后通过注水通路向两胶囊间封堵段恒压 注水，由注水控制台控制水压并读取注水流量。每测定一个孔段 后，将封堵器的胶囊卸压，胶囊收缩复原，便可将封堵器移到下 一个测段，继续进行封孔注水观测，直到测出整个钻孔各段的漏 矢量。根据漏矢量变化情况确定围岩破坏范围。60二采矿工程围岩移动破坏探测2钻孔分段注水法观测方法保证观测系统性能稳定可靠。整个观测系统除注水阀门外不应有任何漏水之处，观测 前后应在孔外进行加压密封检查，并检验装置的各项参数是 否符合调整值，停止加压后胶囊能否保持起胀状态，指示仪 表是否正常。保证钻孔封堵效果良好。若孔内积存碎砧、岩屑将影响封堵效果，应及时冲洗。采用由上而下的观测顺序，这样有利于冲洗下部待测孔段。61二采矿工程围岩移动破坏探测2钻孔分段注水法观测方法保证观测条件一致。不同深度的孔段和不同的观测时间，观测时应保持相同 的封堵。观测时。通过外压力表监测注水压力，使其达到规定数值。通过流量表监测注水流量。待孔段注水流量和孔壁裂隙漏失 量达到平稳、流量稳定后，测定单位时间的注水量。62二采矿工程围岩移动破坏探测2钻孔分段注水法技术指标及应用范围 分辨率为O.OlL/m.min;漏失量测量范围为O.O130L/m.min;充气压力（封堵压力）为0.40.6MPa;注水压力为0.10.3MPa;适合于在各种倾角的钻孔中测量，要求孔径为89708mm。该方法所用仪器轻便，操作简单，测试快捷，探测精度高,裂隙带范围可控制在1m以内，测试费用低，是取代地面钻孔 冲洗液消耗法的理想方法。采矿工程围岩移动破坏探测632钻孔分段注水法(4)实例64二采矿工程围岩移动破坏探测3岩层移动钻孔探测法钻孔岩移观测，可了解采后围岩各岩层运移时间、速度、幅度等特征，以掌握围岩破坏活动规律。该方法适用于采场顶 板或底板岩层的位移测量；用于推断岩体破坏范围，以及岩层 移动的理论研究。65二采矿工程围岩移动破坏探测3岩层移动钻孔探测法测量原理利用压缩木遇水膨胀的特性，将压缩木安设在钻孔预定的 位置上，制成固定测点。因钻孔中充水，一段时间后，压缩木 膨胀与孔壁围岩紧贴在一起.两者之间无相对位移，压缩木随 岩体的移动而移动。每个测点用钢丝连结至孔口测量装置，直 接测量各测点相对于孔口的位移量，根据观测资料分析判断采 场围岩移动破坏规律。66二采矿工程围岩移动破坏探测3岩层移动钻孔探测法工作方法压缩木的制作选用红校或水曲柳木材，加工成200mm x 200mm x 100mm 的长方体若干块。在压力机上垂直木纹方向加压成板状，用金 属板夹具固定24h;然后，拼接粘合，车成直径略小于钻孔直 径的圆柱体。67二采矿工程围岩移动破坏探测3岩层移动钻孔探测法工作方法缩木钻孔安装压缩木圆柱体中心穿一金属圆管，两端车上螺纹，上端旋 一螺母并拴紧一根钢丝，下端旋一倒装的金属空心圆台体并利 用其重量将压缩木柱体吊装到钻孔预定深度，待压缩木遇水膨 胀后即牢固于孔壁。上段每钻孔各测点采用相同的方法吊装，但要使下段测点的钢丝从上段测点压缩木圆柱体的空心圆洞中 穿过并保证能自由滑动不受阻力。采矿工程围岩移动破坏探测3岩层移动钻孔探测法工作方法孔口测量各测点钢丝从孔口引出并通过孔口支 架上各自的滑轮悬一重锤。在重锤上安装 上顶板动态遥测传感器，将位移信号转变 成与之成比例的电压信号，通过电话线载 波传输到监测室的计算机中，由程序控制 计算机进行自动定时巡回监测，并自动纪 录、打印观测结果。钻孔岩移探测的孔内 测点结构、孔口观测系统如右图。口图4.2.5钻孔转移观测系统不意图L测点结构；2.测点；3.钢丝4.观测架；5.重窿：6.传感器69二采矿工程围岩移动破坏探测4钻孔超声成像探测法钻孔超声成像可以获得整个钻孔孔壁结构形态的连续柱状 展开图像。根据图像显示的裂隙形态可以确定裂隙的宽度、倾 向和倾角；根据图像的明暗程度可以反映孔壁的硬软，区分岩 性。因其对岩体裂隙反映清楚直观，被广泛用于探测围岩岩体 的裂隙发育状况。70二采矿工程围岩移动破坏探测5孔间无线电波透视法孔间无线电波透视法是研究频率为0100MHz的电磁波 在地下介质中的传播规律，以达到探查地下地质情况的目的。该方法的一个显著特点就是具有大的穿透距离（儿十米到几百 米），可以在较大的范围内探测覆岩采后冒落带和裂缝带的空间 形态；对受承压水威胁的矿井，可以用该法探查石灰岩岩层含 水溶洞及破碎带，了解承压水的赋存情况，寻找井下突水危险 区，为注浆封堵突水通道提供依据。0一优E=纥-sin。r71二采矿工程围岩移动破坏探测5孔间无线电波透视法孔间无线电波透视法是在一个钻孔中放置无线电波发射天 线，发射某一固定频率的无线电波。另一孔放置无线电波接收 天线，接收来自发射天线并穿过孔间岩体的无线电波。当采动 围岩破坏松动后，由于裂隙、结构面对无线电波的反射、散射 作用，将使接收到的无线电波强度比正常情况下低，特别是裂 隙充水时电阻率较正常无裂隙的岩层的低得多，对无线电波的 吸收作用更大。但当围岩裂隙带中裂隙发育严重，且产生较大 的层间离层空间后，因裂隙与冒落带连通，裂隙无水，常常出 现比正常情况下高的透视异常，这是因为空气（电阻率无穷大）对无线电波的吸收比岩体小得多的缘故。72二采矿工程围岩移动破坏探测5孔间无线电波透视法孔间无线电波透视法主要使用两种工作方法：同步法发射天线和接收天线分别下到两个钻孔中同步上下移动。它又可分为水平同步和高差同步。水平同步是发射天线和接收 天线保持在同一水平高度上移动，接收天线始终位于偶极子柏 射场的赤道面上（。=90。）。这样使发射源到接收点具有最短的 距离和最大场强值。高差同步，又称斜同步，发射天线和接收 天线处于不同的水平高度同步移动，二者的高差视井距、井深 和岩层产状而定，一般使接收天线与发射天线的轴射角保持在 5080。范围内效果较好。73二采矿工程围岩移动破坏探测5孔间无线电波透视法孔间无线电波透视法主要使用两种工作方法：定点法将发射天线（或接收天线）固定于孔中某预定位置，接收天 线（或发射天线）在另一孔中连续移动。为了消除某些干扰，可 将两者互换位置再进行测量。定点的位置一般选在同步曲线异 常的附近。定点的间距以能达到圈定异常体轮廓为准。二三岩竹综合地球物理探测技术1岩体直流电阻率法探测技术电阻率法探测是以研究地下岩体的电阻率差异为基础的一 种地球物理方法。它是利用不同岩（矿）石与围岩之间具有某些 电学性质的差异，通过对地下半空间（或全空间）人工电场或天 然电场的观测与研究，达到探测岩体、找矿和解决其它地质问 题的目的。实践证明，电阻率法无论在勘查金属、非金属矿产 和勘查能源方面，还是在水文、工程地质调查以及岩体探测等 方面均取得了较好的地质效果，而且由于其仪器设备轻便、工 作效串较高，是地球物理探测方法中目前应用最广泛的方法之三岩体综合地球物理探测技术75V-1岩体直流电阻率法探测技术直流电阻率法的理论基础岩石的电阻率由物理学知道，表征物质导电性好坏的物理参数是电阻率,电阻率是岩石的重要参数，它表示岩石不同的导电特性。在自然条件下影响岩石电阻率的因素很多，诸如：i组成岩 石的矿物成分及结构、构造；ii岩石的含水性及岩石的孔隙 和裂隙；市岩石的层理关系；iv温度；v岩体受力变形。其中矿物成分及结构和含水性两个因素是主要的。G端 三岩体综合地球物理探测技术1岩体直流电阻率法探测技术直流电阻率法的理论基础岩石的电阻率表金L1几种常见岩（矿）石电阻率值及其变化范围岩（矿）石名称电阻率|岩（矿）石名称电阻率/!m粘性土 一10-103无烟煤 一1704砂性土10-1(1煤102干砂、卵石10105；菱铁矿10703湿砂102-ID3i 黄铜矿100-1泥质页岩20-103 1磁铁矿10一410 2致密砂岩1石墨10 W4泥灰岩50-8X103:石英、云母、长石106石灰岩3x102L。i河水W 1-10-致密灰岩5、10-10 Ii 海水5x W2-10花岗岩2 x 102 T(广 1地下水10 J-3X 102玄武岩5x 102-10s 1矿井水1 10闪长岩5万102-10-冰io4 7a77三岩体综合地球物理探测技术1岩体直流电阻率法探测技术直流电阻率法的理论基础岩石电阻率法探测原理在电阻率法探测中，可采用多种形式的人工电场.如一个 点电源供电（另一个电极在无穷远处）、两个点电源供电等形式。在地面以下的导电半空间（或全空间）建立起稳定电场，其分布 状态决定于地下不同电阻率的岩层的赋存状态。所以在地面（或 地下）观测稳定电场的变化和分布，可以了解地下岩体的电性持 征，这就是岩体电阻率法探测的基本原理。g端三岩体综合地球物理探测技术1岩体直流电阻率法探测技术直流电阻率法的理论基础 岩石电阻率法探测原理i 一个点电源在均匀半空间的电场所谓点电源电场，是指两个供电极距非常大，在研究/电源附近的电场分布时3电源（相当于处在“无穷远”处）产 生的影响可以忽略不计，因而/电源建立的电场就是单个点 源电场。当点电源，在地表向地下供入电流I时，地中电流线 的分布便以/为中心向周围呈辐射状，如下图所示。利用均 匀无限介质中点电源电场的拉普拉斯方程，可以求出距4为A 的河点的电位。金端 三岩体综合地球物理探测技术1岩体直流电阻率法探测技术直流电阻率法的理论基础岩石电阻率法探测原理i 一个点电源在均匀半空间的电场图6.1.1 一个点电源在均匀半空间的电场S端 三岩体综合地球物理探测技术1岩体直流电阻率法探测技术直流电阻率法的理论基础岩石电阻率法探测原理i 一个点电源在均匀半空间的电场半