基于超聲波的圍巖松動(dòng)圈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：實(shí)時(shí)地掌握圍巖松動(dòng)圈的范圍對(duì)礦藏的安全生產(chǎn)具有重要的意義。利用超聲波探測(cè)的靈活性和準(zhǔn)確性，本文提出了一種基于超聲波的圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)系來實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)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(cè)；圍巖松動(dòng)圈；巷道支護(hù)；嵌入式系統(tǒng)

引言

巷道的安全支護(hù)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(duì)巷道的安全支護(hù)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)。

巷道開挖后破壞了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致：第一，巷道周邊徑向應(yīng)力下降為零，圍巖強(qiáng)度明顯下降；第二，圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)這種應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)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(xiàn)為破裂縫的增加及巖體應(yīng)力水平的降低。松動(dòng)圈測(cè)試就是測(cè)試開巷后新的破壞裂縫及其分布范圍，圍巖中有新破裂縫與沒有破裂縫的界面位置就是松動(dòng)圈的邊界。參考文獻(xiàn)介紹了基于松動(dòng)圈測(cè)試的檢測(cè)原理相應(yīng)的測(cè)試方法，包括超聲波探測(cè)法、多點(diǎn)位移計(jì)量測(cè)法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法。參考文獻(xiàn)中根據(jù)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(cè)試方法。

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

1 超聲波檢測(cè)圍巖松動(dòng)圈原理

1．1 超聲波在圍巖中的形態(tài)

當(dāng)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(jù)聲學(xué)理論，在無限介質(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)波長的深度內(nèi))，故到達(dá)近距離內(nèi)接收換能器的表面波幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱波和橫波。本文中，將通過采集超聲波在巖石中傳播的表面波信息來分析圍巖狀態(tài)。

此外，超聲波的傳播速度還與巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造和應(yīng)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(yīng)力增大、密度增大而增加。巷道開挖后，圍巖應(yīng)力將重新分布處于3個(gè)應(yīng)力區(qū)：應(yīng)力集中區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。這三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)：應(yīng)力降低區(qū)(圍巖松動(dòng)圈區(qū))裂隙較多，應(yīng)力下降，聲速低于正常波速；應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力較高，裂隙壓實(shí)，聲速高于正常波速；原巖應(yīng)力區(qū)應(yīng)力接近原始應(yīng)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(nèi)的傳播速度的變化來判定圍巖的松動(dòng)范圍。

1．2 超聲波波速測(cè)試方案

根據(jù)超聲波發(fā)送／接收換能器的個(gè)數(shù)來劃分，目前常用的測(cè)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(yù)先鉆好的圍巖孔洞。單發(fā)單收方案是通過計(jì)算從發(fā)送端到接收端之間的時(shí)間，再根據(jù)兩端之間的距離來確定測(cè)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)過兩個(gè)接收端的時(shí)間差和兩個(gè)接收端之間的距離來確定超聲波的傳播速度。

超聲波的傳播速度為：