基于超聲波的圍巖松動圈實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：實時地掌握圍巖松動圈的范圍對礦藏的安全生產具有重要的意義。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圈監(jiān)測系統(tǒng)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)和裂隙程度的關系來實時地監(jiān)測圍巖松動圈的情況，具有方便、靈活、易于操作等特點。

關鍵詞：超聲波檢測；圍巖松動圈；巷道支護；嵌入式系統(tǒng)

引言

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

巷道開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。松動圈測試就是測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圈的邊界。參考文獻介紹了基于松動圈測試的檢測原理相應的測試方法，包括超聲波探測法、多點位移計量測法和地質雷達探測法。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圈測試方法。

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

1 超聲波檢測圍巖松動圈原理

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，會同時產生縱波、橫波、表面波。根據聲學理論，在無限介質中，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波長的深度內)，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構構造和應力狀態(tài)有關，聲波波速隨介質裂隙發(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。巷道開挖后，圍巖應力將重新分布處于3個應力區(qū)：應力集中區(qū)、原巖應力區(qū)和應力降低區(qū)。這三個區(qū)的特點：應力降低區(qū)(圍巖松動圈區(qū))裂隙較多，應力下降，聲速低于正常波速；應力集中區(qū)應力較高，裂隙壓實，聲速高于正常波速；原巖應力區(qū)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判定圍巖的松動范圍。

1．2 超聲波波速測試方案

根據超聲波發(fā)送／接收換能器的個數來劃分，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)單收方案是通過計算從發(fā)送端到接收端之間的時間，再根據兩端之間的距離來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)送端首波經過兩個接收端的時間差和兩個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：