CN111208198A - 一种岩体实时波速测定及质量评价的方法 - Google Patents

Abstract

一种岩体实时波速测定及质量评价的方法，属于岩体工程技术领域。技术要点：在不同超声波发送位置、不同时间不断按动超声波发送装置的按钮，并且不断计算每次超声波传播到每个传感器的的速度，根据波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等参数变化值可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征，如孔隙、裂隙的变化情况，进而分析矿山岩体稳定情况。有益效果：本发明结合微震系统，只需布置超声波发送系统即可完成测试，操作简单，价格低廉，实用性强；应用超声波检测技术在岩土测试领域有很强的优势，超声波同时具有几何声学和物理声学的特性，声波的方向性好，能量高；灵活性高，可手动控制测试时间、测试频率、测试深度以及测试位置。

Description

一种岩体实时波速测定及质量评价的方法

技术领域

本发明属于岩体工程技术领域，包含采矿、水利水电、交通等，尤其涉及一种岩体实时波速测定及质量评价的方法。

背景技术

岩石声波测试技术自形成以来均是基于工程需求进行发展，自20世纪60年代发展至今，在岩石力学工程中应用越来越广泛，其发展过程包括测试系统的不断改进和有关岩石中声波传播的理论问题的不断解决。岩石是一种非均匀的各向异性材料，内含微裂纹，有时还有宏观的缺陷如裂隙、孔穴、甚至节理等，破裂是控制地质体一切行为的根源，尤其是岩石裂纹扩展目前已成为岩石力学研究的热点问题之一，搞清岩石破裂的过程才能深化认识岩石力学行为。天然岩体内部微观结构随机错杂，在动态失稳过程中的累计损伤弱化效应的演变十分复杂，很难直观对不同结构组成的天然岩体进行量化分析。声波作为一种良好的信息载体，岩石介质的声波速度特征中携带了大量与岩体力学性质、结构状态有关的信息。这些信息可综合反映到声学参数，如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上，通过对于声波透过岩体后的声波特性进行分析，可以无损、快速、简便的探测岩体内部的结构特性。当岩体受开挖扰动影响时，岩体内部孔隙、裂隙、结构面的形状和大小不断变化，此时波在岩体内部的传播速度也会随之变化。

发明内容

为了评估岩体开挖扰动产生的裂隙对岩体稳定的影响，本发明提供一种岩体实时波速测定及基于波速测定结果的岩体质量评价方法，该方法利用微震监测系统实时接收主动式声波发射装置产生的震动波，从而可以实时获得岩体内部的裂隙发展规律，还可以为根据波速的传播规律进行对岩体稳定性的预测，简单方便、实用性强。

技术方案如下：

一种岩体实时波速测定及质量评价的方法，步骤如下：

S1、确定微震系统中n个传感器的坐标：A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)、D(x₄,y₄,z₄)、E(x₅,y₅,z₅)……n(x_n,y_n,z_n)，n为正整数；

S2、在预定的位置钻入一定深度的孔，坐标记为0(x₀,y₀,z₀)，然后插入超声波发送装置，根据每个传感器的坐标和超声波发送位置的坐标计算每个传感器与超声波发送位置的距离，计算公式如下：

S3、按动超声波发送装置的按钮，发送超声波，按动同时，超声波发送装置的计时器同时计时，输出初始时间为t₀；

S4、各个传感器开始接收到信号，A、B、C、D、E……接收到信号的时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅……；

S5、根据每个传感器与超声波发送位置的距离h_n与每个传感器与超声波发送位置所接受的时间差，计算超声波在岩体中的传播速度v_n,计算公式如下：

h_n＝v_n(t_n-t₀)

其中，x_n，y_n，z_n表示第n个传感器的坐标；x₀，y₀，z₀表示超声波发送位置的坐标；t_n表示传感器接收到超声波信号的时间；t₀表示超声波发送位置发出的时间；v_n表示在超声波发送位置在岩体中的传播速度；

S6、在不同超声波发送位置、不同时间不断按动超声波发送装置的按钮，并且不断计算每次超声波传播到每个传感器的速度，根据波速、岩体损伤度、孔隙率、裂隙系数反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征，进而分析矿山岩体稳定情况。

进一步的，根据不同传感器所得的波速分别绘制时间-波速的曲线，

当波速是平稳不变、没有波动时，则岩体没有受到扰动，此时为安全状态；

当波速开始增加，则岩体为压密阶段，即岩体内原有的张开性结构面或微裂隙受力后逐渐闭合，闭合后波在岩体中的传播速度增加；

当波速达到最大值时岩体也达到最密实阶段，此时岩体内的孔隙裂隙体积最小；

当波速逐渐降低，则岩体内部的孔隙、裂隙体积开始发育；

当波速曲线为波动状态时，则岩体由内部裂隙扩展到表面宏观裂隙变化，岩体变形也逐渐增大，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面；

当波速迅速降低时，则岩体发生破坏，产生相对滑移，岩体失稳；

进一步的，设完整岩石的弹性应变可表示为ε，即：

式中：σ_c为完整岩石的单轴抗压强度；E为完整岩石的弹性模量。

同理可得，受扰动损伤后岩体的弹性应变可表示为：

式中：σ_cD为受损岩体的单轴抗压强度；E'为受损岩体的弹性模量；D_R为受损岩体的损伤变量；

由上两式可得：

假设完整岩石与受损岩体的泊松比和密度近似相同,则完整岩石岩体与受损岩体的弹性变形近似相同,即：

E'＝E(1-D_R)

岩体的损伤度可以表示为：

式中：E'为受损岩体的弹性模量；E为完整岩石的弹性模量；ε'受损岩体的弹性应变；ε为完整岩石的弹性应变；

岩体由岩块与不规则的节理裂隙等结构面组成，结合损伤力学概念，视完整岩石为无损材料，受爆破震动影响的岩体为受损材料,则声波在完整岩块中的传播速度可表示为：

式中：V_P、E_r'、μ、ρ分别为完整岩石的纵波速度、动弹性模量、比松比和密度；

声波在受扰动损伤的岩体中的传播速度为：

式中：V_P'、E_m'、μ'、ρ'分别为受爆破震动损伤后的岩体的纵波速度、动弹性模量、比松比和密度；

假设岩体各向同性的情况下，岩块与岩体的泊松比和密度近似相同，则完整岩石与受爆破震动的岩体的静弹性模量和动弹性模量的比值相同，即：

得到：

E_m＝E_r(1-D_R)

则扰动的破坏后岩体的损伤变量可以表示为：

式中：

为岩体的完整性系数。

进一步的，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，声速V与孔隙率n之间存在如下关系：

式中：V_f为裂隙中饱和液体的声波速度，单位是m/s；V_r为岩石骨架的声波速度，单位是m/s；

进一步的，岩体完整性系数K_v计算公式如下：

式中：V_pm为岩体弹性纵波速度；V_pr为完整岩石的弹性纵波速度；

利用K_v对岩体完整程度可分为五类：

岩体基本质量分级(K_v)

本发明的有益效果：

本发明所述的岩体实时波速测定及质量评价的方法具有以下优点：

(1)本发明结合加速度传感器，通过超声波发送系统即可完成测试，操作简单，价格低廉，实用性强。

(2)应用超声波检测技术在岩土测试领域有很强的优势，超声波同时具有几何声学和物理声学的特性，声波的方向性好，能量高，并且在介质传播时能量损失小，传播距离大，穿透力极强，对岩石(体)或土体具有一定的分辨力，超声波检测作为一种无损、快速、简便的检测方法已经日趋成熟。

(3)灵活性高，可手动控制测试时间、测试频率、测试深度以及测试位置。实时效果好、处理数据方便。

附图说明

图1是本发明跟岩体发生破坏时波速变化的实例图；

图2是本发明监测现场网络布置图；

图3是本发明超声波发射装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3对岩体实时波速测定及质量评价的方法做进一步说明。

实施例1

一种岩体实时波速测定及质量评价的方法的步骤如下：

(1)首先确定每中个传感器的坐标，A(x₁,y₁,z₁)、B、(x₂,y₂,z₂)C(x₃,y₃,z₃)、D(x₄,y₄,z₄)、E(x₅,y₅,z₅)……

(2)然后再预定的位置0(x₀,y₀,z₀)钻入一定深度的孔，然后插入超声波发送装置，调整笔记本的数据处理界面。根据每个传感器的坐标和超声波发送位置的坐标计算每个传感器与超声波发送位置的距离，计算公式如下：

(3)按动超声波发送装置的按钮，发送超声波，按动同时，超声波发送装置的计时器同时计时，输出初始时间为t₀。

(4)一段时间后，各个传感器开始接收到信号，A、B、C、D、E……接收到信号的时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅……

(5)根据每个传感器与超声波发送位置的距离h₀与每个传感器与超声波发送位置所接受的时间差，计算超声波在岩体中的传播速度v_n,计算公式如下：

h_n＝v_n(t_n-t₀)

其中，x_n，y_n，z_n表示第n个传感器的坐标；x₀，y₀，z₀表示震源(超声波发送位置)的坐标；t_n表示传感器接收到超声波信号的时间；t₀表示震源(超声波发送位置)发出的时间；v_n表示在震源(超声波发送位置)在岩体中的传播速度。

(6)在不同超声波发送位置、不同时间不断按动超声波发送装置的按钮，并且不断计算每次超声波传播到每个传感器的速度，根据波速、岩体损伤度、孔隙率、裂隙系数等参数变化值可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征，如孔隙、裂隙的变化情况，进而分析矿山岩体稳定情况。

具体判别方法：

(1)波速：

电脑根据不同传感器所得的波速分别绘制时间-波速的曲线，当波速是平稳不变、没有波动时，说明岩体没有受到扰动，此时为安全状态；当波速开始增加，说明岩体为压密阶段，即岩体内原有的张开性结构面或微裂隙受力后逐渐闭合，闭合后波在岩体中的传播速度增加；当波速达到最大值时岩体也达到最密实阶段，此时岩体内的孔隙裂隙体积最小；当波速逐渐降低，说明岩体内部的孔隙、裂隙体积开始发育；当波速曲线为波动状态时，说明岩体由内部裂隙扩展到表面宏观裂隙变化，岩体变形也逐渐增大，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面；当波速迅速降低时，说明岩体发生破坏，产生相对滑移，岩体失稳。

(2)岩体损伤度：

设完整岩石的弹性应变可表示为ε，即：

式中：σ_c为完整岩石的单轴抗压强度；E为完整岩石的弹性模量。

同理可得，受扰动损伤后岩体的弹性应变可表示为：

式中：σ_cD为受损岩体的单轴抗压强度；E'为受损岩体的弹性模量；D_R为受损岩体的损伤变量。

由上两式可得：

假设完整岩石与受损岩体的泊松比和密度近似相同。则完整岩石岩体与受损岩体的弹性变形近似相同。即：

E'＝E(1-D_R)

岩体的损伤度可以表示为：

式中：E'为受损岩体的弹性模量；E为完整岩石的弹性模量；ε'受损岩体的弹性应变；ε为完整岩石的弹性应变。

岩体由岩块与不规则的节理裂隙等结构面组成，结合损伤力学概念，视完整岩石为无损材料，受爆破震动影响的岩体为受损材料。则声波在完整岩块中的传播速度可表示为：

式中：V_P、E_r'、μ、ρ分别为完整岩石的纵波速度、动弹性模量、比松比和密度。

声波在受扰动损伤的岩体中的传播速度为：

式中：V_P'、E_m'、μ'、ρ'分别为受爆破震动损伤后的岩体的纵波速度、动弹性模量、比松比和密度。

假设岩体各向同性的情况下，岩块与岩体的泊松比和密度近似相同。则完整岩石与受爆破震动的岩体的静弹性模量和动弹性模量的比值相同。即：

所以可以得到：

E_m＝E_r(1-D_R)

则扰动的破坏后岩体的损伤变量可以表示为：

式中：

为岩体的完整性系数(即龟裂系数)。

(3)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，根据Wyllie等人的研究，声速V与孔隙率n之间存在如下关系：

式中：V_f为裂隙中饱和液体的声波速度，m/s；V_r为岩石骨架的声波速度，m/s。

(4)裂隙系数

岩体完整性系数K_v又称裂隙系数，它是岩体与岩石的纵波速度之比的平方，计算公式如下：

式中：V_pm为岩体弹性纵波速度；V_pr为完整岩石的弹性纵波速度。

利用K_v对岩体完整程度可分为五类。

岩体基本质量分级(K_v)

本发明通过自制产生超声波系统和加速度传感器相结合，通过分析波速的传播规律分析岩体累计损伤弱化效应的演变。为监测岩体稳定提供一定的技术支持，从而解决一系列的岩土工程问题。

实施例2

声波作为一种良好的信息载体，岩石介质的声波速度特征中携带了大量与岩体力学性质、结构状态有关的信息。这些信息可综合反映到声学参数，如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上，通过对于声波透过岩体后的声波特性进行分析，可以无损、快速、简便的探测岩体内部的结构特性。当岩体受开挖扰动影响时，岩体内部孔隙、裂隙、结构面的形状和大小不断变化，此时波在岩体内部的传播速度也会随之变化。本发明根据这种对应关系发明超声波发射装置，即可实时无扰动的得到岩体内部结构的变化情况，对岩体的内部结构变化情况进行分析，从而判断岩层的稳定性。本发明实时效果好、操作简单、性价比高、处理数据方便。

选定要监测的区域，确定加速度传感器的坐标，A(x₁,y₁,z₁)、B、(x₂,y₂,z₂)C(x₃,y₃,z₃)、D(x₄,y₄,z₄)、E(x₅,y₅,z₅)……以及震源坐标(x₀,y₀,z₀)，然后再钻出相应深度的孔，插入超声波发送装置，调整笔记本的数据接收、处理界面。根据每个传感器的坐标和超声波发送位置的坐标计算每个传感器与超声波发送位置的距离，计算公式如下：

按动超声波发送装置的按钮，发送超声波，按动同时，超声波发送装置的计时器同时计时，输出初始时间为t₀。一段时间后，各个传感器开始接收到信号，A、B、C、D、E……，接收到信号的时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅……，根据每个传感器与超声波发送位置的距离h₀与每个传感器与超声波发送位置所接受的时间差，计算超声波在岩体中的传播速度v_n,计算公式如下：

h_n＝v_n(t_n-t₀)

其中，x_n，y_n，z_n表示第n个传感器的坐标；x₀，y₀，z₀表示震源(超声波发送位置)的坐标；t_n表示传感器接收到超声波信号的时间；t₀表示震源(超声波发送位置)发出的时间；v_n表示在震源(超声波发送位置)在岩体中的传播速度。

电脑根据不同传感器所得的波速分别绘制时间-波速的曲线，如图1所示，在岩体失稳时某个传感器所对应的波速随时间变化曲线。可以明显看出图中AB段波速是平稳的，说明岩体没有受到扰动；B点时波速开始增加，说明岩体受到扰动，BC段属于孔隙裂隙压密阶段，即岩体内原有的张开性结构面或微裂隙受力后逐渐闭合，岩体被压密；C点时岩体为达到最密实阶段，此时岩体内的孔隙裂隙体积最小；当岩体继续受扰动荷载影响下波速进入CD段，岩体内部的孔隙裂隙体积开始延展，波速逐渐降低，此时为岩体内部的微观结构变化；当荷载继续加大后，波速进入DE阶段，此时可以看见岩体表面宏观的孔隙变化，岩体变形逐渐增大，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面，波速处于波动状态；到达E点后岩体发生破坏，产生相对滑移，岩体失稳，波速迅速降低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种岩体实时波速测定及质量评价的方法，其特征在于，步骤如下：

S1、确定微震系统中n个传感器的坐标：A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)、D(x₄,y₄,z₄)、E(x₅,y₅,z₅)……n(x_n,y_n,z_n)，n为正整数；

S2、在预定的位置钻入一定深度的孔，坐标记为0(x₀,y₀,z₀)，然后插入超声波发送装置，根据每个传感器的坐标和超声波发送位置的坐标计算每个传感器与超声波发送位置的距离，计算公式如下：

S3、按动超声波发送装置的按钮，发送超声波，按动同时，超声波发送装置的计时器同时计时，输出初始时间为t₀；

S4、各个传感器开始接收到信号，A、B、C、D、E……接收到信号的时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅……；

S5、根据每个传感器与超声波发送位置的距离h_n与每个传感器与超声波发送位置所接受的时间差，计算超声波在岩体中的传播速度v_n,计算公式如下：

h_n＝v_n(t_n-t₀)

其中，x_n，y_n，z_n表示第n个传感器的坐标；x₀，y₀，z₀表示超声波发送位置的坐标；t_n表示传感器接收到超声波信号的时间；t₀表示超声波发送位置发出的时间；v_n表示在超声波发送位置在岩体中的传播速度；

S6、在不同超声波发送位置、不同时间不断按动超声波发送装置的按钮，并且不断计算每次超声波传播到每个传感器的速度，根据波速、岩体损伤度、孔隙率、裂隙系数反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征，进而分析矿山岩体稳定情况。

2.如权利要求1所述的岩体实时波速测定及质量评价的方法，其特征在于，根据不同传感器所得的波速分别绘制时间-波速的曲线，

当波速是平稳不变、没有波动时，则岩体没有受到扰动，此时为安全状态；

当波速开始增加，则岩体为压密阶段，即岩体内原有的张开性结构面或微裂隙受力后逐渐闭合，闭合后波在岩体中的传播速度增加；

当波速达到最大值时岩体也达到最密实阶段，此时岩体内的孔隙裂隙体积最小；

当波速逐渐降低，则岩体内部的孔隙、裂隙体积开始发育；

当波速曲线为波动状态时，则岩体由内部裂隙扩展到表面宏观裂隙变化，岩体变形也逐渐增大，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面；

当波速迅速降低时，则岩体发生破坏，产生相对滑移，岩体失稳。

3.如权利要求1所述的岩体实时波速测定及质量评价的方法，其特征在于，设完整岩石的弹性应变可表示为ε，即：

式中：σ_c为完整岩石的单轴抗压强度；E为完整岩石的弹性模量；

同理可得，受扰动损伤后岩体的弹性应变可表示为：

式中：σ_cD为受损岩体的单轴抗压强度；E'为受损岩体的弹性模量；D_R为受损岩体的损伤变量；

由上两式可得：

假设完整岩石与受损岩体的泊松比和密度近似相同,则完整岩石岩体与受损岩体的弹性变形近似相同,即：

E'＝E(1-D_R)

岩体的损伤度可以表示为：

式中：E'为受损岩体的弹性模量；E为完整岩石的弹性模量；ε'受损岩体的弹性应变；ε为完整岩石的弹性应变；

岩体由岩块与不规则的节理裂隙等结构面组成，结合损伤力学概念，视完整岩石为无损材料，受爆破震动影响的岩体为受损材料,则声波在完整岩块中的传播速度可表示为：

式中：V_P、E_r'、μ、ρ分别为完整岩石的纵波速度、动弹性模量、比松比和密度；

声波在受扰动损伤的岩体中的传播速度为：

式中：V_P'、E_m'、μ'、ρ'分别为受爆破震动损伤后的岩体的纵波速度、动弹性模量、比松比和密度；

假设岩体各向同性的情况下，岩块与岩体的泊松比和密度近似相同，则完整岩石与受爆破震动的岩体的静弹性模量和动弹性模量的比值相同，即：

得到：

E_m＝E_r(1-D_R)

则扰动的破坏后岩体的损伤变量可以表示为：

式中：

为岩体的完整性系数。

4.如权利要求1所述的岩体实时波速测定及质量评价的方法，其特征在于，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，声速V与孔隙率n之间存在如下关系：

式中：V_f为裂隙中饱和液体的声波速度，单位是m/s；V_r为岩石骨架的声波速度，单位是m/s。

5.如权利要求1所述的岩体实时波速测定及质量评价的方法，其特征在于，

岩体完整性系数K_v计算公式如下：

式中：V_pm为岩体弹性纵波速度；V_pr为完整岩石的弹性纵波速度；

利用K_v对岩体完整程度可分为五类：

岩体基本质量分级(K_v)

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