一种煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试系统
阅读说明：本技术 一种煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试系统 (Sound wave method test system for accumulative damage of coal mine tunnel rock mass ) 是由 黎明镜 徐华生 荣传新 陈自由 徐火祥 江维中 余岩 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试系统,包括竖向开设在巷道顶板的三个钻孔,三个钻孔成等边三角形布置,在每个钻孔布设测试单元；所述测试单元包括测杆、封孔组件、第一声波换能器、第二声波换能器；自所述测杆底部向顶部依次固定封孔组件、第二声波换能器；所述第一声波换能器与封孔组件固定,第二声波换能器位于测杆顶部；所述测杆为中空结构,所述第一声波换能器和第二声波换能器的数据线从测杆中空结构穿出。设计了煤矿巷道顶部岩体累积性损伤声波法测试的布孔结构,既能实现单孔平透折射波法测试,又能实现多孔穿透直达波法测试,可检测出顶部岩体在不同方向上的裂隙损伤扩展差异性,从而针对性地设计支护方案。(The invention relates to a sonic method testing system for cumulative damage of a coal mine tunnel rock mass, which comprises three drill holes vertically arranged on a tunnel top plate, wherein the three drill holes are arranged in an equilateral triangle, and a testing unit is arranged in each drill hole; the test unit comprises a measuring rod, a hole sealing assembly, a first acoustic wave transducer and a second acoustic wave transducer; the hole sealing assembly and the second sound wave transducer are fixed from the bottom to the top of the measuring rod in sequence; the first acoustic wave transducer is fixed with the hole sealing assembly, and the second acoustic wave transducer is positioned at the top of the measuring rod; the measuring rod is of a hollow structure, and the data lines of the first acoustic wave transducer and the second acoustic wave transducer penetrate out of the hollow structure of the measuring rod. The hole distribution structure for testing the accumulative damage of the rock mass at the top of the coal mine tunnel by the sound wave method is designed, so that the single-hole flat transmitted refracted wave method test and the multi-hole transmitted direct wave method test can be realized, and the crack damage expansion differences of the top rock mass in different directions can be detected, thereby pertinently designing the supporting scheme.)
技术领域
本发明涉及煤矿井巷工程支护技术领域，具体来说是一种煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试系统。
背景技术
岩体内存在大量微观和宏观的裂隙，这些裂隙在岩体内是随机分布、独立存在的，并使所在局部范围岩石的强度明显降低；也是由于这些裂隙的存在，使得岩石的强度、弹性模量等力学性质表现为各向异性。当外力足够大时，岩体内部的裂隙将被激活，产生延伸和扩展。煤矿巷道掘进是一个渐进的过程，由于煤矿井下的特殊环境，目前仍较多采用矿山法(钻眼爆破)施工，钻眼爆破开挖一段后，进行支护，如此往复进行直至巷道施工结束。在爆炸载荷作用下，岩石内部大量微裂纹的形成、扩大和贯穿从而导致岩石宏观力学性能劣化乃至最终失效或破坏，其过程是一个连续损伤演化累积过程。持续或反复的爆破动荷载作用下，由于损伤的不可逆性，损伤程度和范围不断累积增长、扩大。当岩体爆破损伤程度累积至其损伤阈值时，将产生动力失稳破坏，最终将直接或间接影响巷道的安全性、支护与加固成本。
目前，煤矿巷道爆破累积性损伤测试尚未明确专用方法，当前测试主要以声波法测试岩体反射波速来反应岩体内部裂隙的发育情况。巷道开挖后，原岩受到了爆破扰动，硐壁岩体会产生新的裂隙，原生裂隙会伸长或扩展，岩体内应力降低，相应的波速也出现降低。由硐壁往深，岩体应力产生重分布，巷道周向应力增大，产生应力集中，裂隙压密，通常表现为波速增高区；再往深处为原岩区，岩体未受扰动，波速基本不变，与完整岩块的波速接近。测试钻孔结构分单孔法和跨孔法，其中单孔法是在一个钻孔内放置2个声波换能器，一个用发射信号，另一个用于接收信号，通过两个换能器之间距离的变化，测试不同深度岩层的波速，是一种单孔平透折射波法。跨孔法多指设置2个平行钻孔，在两个钻孔内各设1个换能器，测试两个换能器之间岩体的波速，是一种穿透直达波法。从测试原理上，跨孔直达波法测试精度高于单孔平透折射波法。
煤矿巷道围岩声波法测试目前主要采用单孔平透折射波法测试，跨孔法测试及其布孔结构在煤矿鲜有应用见诸报道。从巷道受力机理分析，受爆破扰动效应影响，巷道顶部围岩离层裂隙最为发育，且其裂隙扩展和累积性损伤是一个三维变量，常规的单孔声波法测试和双孔直达波法测试难以反映岩体在不同方向的损伤效应。此外，声波法需要在钻孔内灌注水进行耦合测试，对顶部钻垂直孔进行测试，封水较为困难，造成耦合效果差而失准。
如申请号为202110005083.3公开的了一种围岩松动圈测试方法，采用现场测试与室内试验的方法，分析隧道施工扰动对围岩的影响，定量确定围岩松动圈的大小及损伤程度。采用声波仪现场测量围岩波速，通过室内循环加卸载试验表征不同损伤程度围岩的波速演化规律。现场波速测试方案采用单孔测试法，测量不同深度处岩体的声波传递速度。采用岩石刚度的折减来描述岩石损伤，进而明确不同损伤程度下岩石的波速和围岩参数的演化规律。将现场测试得到的岩体波速与室内试验确定的波速随损伤演化曲线相比照，为围岩支护设计提供参考依据。本发明实用性好，不仅能够给出围岩开挖松动圈范围，并且能够对松动圈岩体质量进行定量评价。该测试方法采用单孔法，存在测试精度不高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种精度高、测试方法灵活的煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试系统。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试系统，包括竖向开设在巷道顶板的三个钻孔(1)，三个钻孔(1)成等边三角形布置，在每个钻孔(1)布设测试单元；
所述测试单元包括测杆(6)、封孔组件、第一声波换能器(8)、第二声波换能器(5)；自所述测杆(6)底部向顶部依次固定封孔组件、第二声波换能器(5)；所述第一声波换能器(8)与封孔组件固定，第二声波换能器(5)位于测杆(6)顶部；
所述测杆(6)为中空结构，所述第一声波换能器(8)和第二声波换能器(5)的数据线从测杆(6)中空结构穿出；
测试步骤为：
(1)紧跟掘进面对巷道顶板图2所示的1#、2#钻孔(1)；
(2)对1#、2#钻孔(1)分别安装所述测试单元，分别对1#、2#孔开展单孔平透折射波法测试；此时，每个钻孔(1)内的第一声波换能器(8)和第二声波换能器(5)一个为发射器，一个为接收；
(3)对1#、2#孔开展跨孔达波法测试，测试同时改变2个钻孔(1)内的第二声波换能器(5)位置，使其处于同一水平；两个第二声波换能器(5)一个为发射器，一个为接收器；两个第一声波换能器(8)处于休眠状态；
(4)当巷道完成一次新的爆破掘进后，进尺满足大于1#、2#孔之间的距离时，找准位置钻进3#钻孔(1)，对3#钻孔(1)首先开展单孔平透折射波法测试，然后分别开展1#—3#、2#—3#、1#—2#跨孔直达波测试；方法如步骤(3)所述；
(5)根据声速的变化特征，建立岩体损伤度C1和声速降低率之间的关系；
式(1)中，E为爆破前岩体的弹性模量，v0为爆破前岩体的声波速度，v为爆破后岩体的声波速度，则根据上式通过岩体声波测试可获得岩体损伤的变化情况。
本发明提出的巷道围岩扰动累积性损伤声波法测试系统，经实践检验，既能实现单孔平透折射波法测试，又能实现多孔穿透直达波法测试。可检测出顶部岩体在不同方向上的裂隙损伤扩展差异性，从而针对性地设计支护方案。等边三角形的钻孔设计，便于两两钻孔之间波速的计算。
进一步的，所述封孔组件包括套管(11)、顶进螺母(10)、橡胶圈(9)；所述顶进螺母(10)套设在套管(11)上与套管(11)螺纹配合，所述橡胶圈(9)套设在测杆(6)上限位于顶进螺母(10)与第一声波换能器(8)之间；所述橡胶圈(9)朝向第一声波换能器(8)的一端固定不动，另一端能够上下滑动；所述橡胶圈(9)具有中间扩张段，所述顶进螺母(10)上下运动带动所述扩张段起拱或收拱。所述套管(11)开设有进水口(11)和出水口，所述进水口(11)位于封口单元下方，出水口位于第一声波换能器(8)和第二声波换能器(5)之间。
进一步的，所述橡胶圈(9)包括多段中间扩张段。
进一步的，所述第一声波换能器(8)、第二声波换能器(5)均为圆管式换能器，套设固定在测杆(6)上。
进一步的，所述测杆(6)为多根短杆可拆卸连接，可控制第二声波换能器(5)在钻孔内的位置。
进一步的，随巷道掘进爆破第6至8次进尺后测试的结果计算累积性损伤C1。
进一步的，测试系统还包括供水机构、信息采集模块、计算模块；所述注水机构与所述进水口连通；所述信息采集模块用以采集声波换能器信号，并将信号发送给计算模块，所述计算模块根据接收的信号进行岩体声速计算。
本发明的优点在于：
设计了煤矿巷道顶部岩体累积性损伤声波法测试的布孔结构，既能实现单孔平透折射波法测试，还可以实现两两之间重复测试，综合来反馈整个这一片三个孔区域之内的岩体的声速，进而反映岩体裂隙的发育情况。三个钻孔两两之间测试结果的差异性，可反映出顶部岩体在不同方向上的裂隙损伤差异性，从而针对性地设计支护方案。
基于提出的顶部垂直钻孔声波法测试布孔结构，设计了由高弹性橡胶组成的串式封孔结构，在满足测试封水的前提下，能够实现3孔之间重复封孔开展声波法测试。
提出的巷道围岩扰动累积性损伤声波法测试的布孔结构，经实践检验，既能实现单孔平透折射波法测试，又能实现多孔穿透直达波法测试。可检测出顶部岩体在不同方向上的裂隙损伤扩展差异性，从而针对性地设计支护方案。
附图说明
图1为本发明实施例中测试系统结合巷道的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中测试系统检测斜裂缝或断层示意图；
图3为本发明实施例中测试系统中钻孔与测试单元的结构示意图；
图4为本发明实施例中测试系统中钻孔俯视结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试装置，包括布孔结构，如图1、图2所示该布孔结构由三个钻孔1组成，钻孔1均位于巷道顶板，钻孔1结构从巷道顶部俯视图看，呈等边三角形形状，3个钻孔1之间的相互可采集声波穿透数据，实现跨孔测试，综合反映图4所示截面的三棱柱范围内岩体的损伤。3个钻孔1相互之间的连线需尽量避开锚杆4、锚索3，减小测试误差。
在每个钻孔1中固定测试单元，如图3所示，测试单元包括测杆6、封孔组件、第一声波换能器8、第二声波换能器5；自测杆6底部向顶部依次安装封孔组件、第二声波换能器5；第一声波换能器8固定在封孔组件上，第二声波换能器5位于测杆6顶部。
测杆6为中空结构，第一声波换能器8和第二声波换能器5的数据线12从测杆6中空结构穿出，与外部信号采集模块通信连接。
本实施例中，封孔组件包括套管11、顶进螺母10、橡胶圈9；套管11上开设有进水口、出水口，进水口位于钻孔外，出水口位于钻孔内。可通过在套管11的管壁上开设注水通道(图中未示出)，便于向钻孔内注水。
套管11套设在所述测杆上与测杆阻尼滑动配合，便于测试过程中抽动测杆6，调节第二声波换能器5的高度，同时阻尼配合可一定程度实现密封，放置水从测杆6与套筒11之间流出。阻尼配合结构为现有技术，不再详述；顶进螺母10套设在套管11上与套管11螺纹配合，第一声波换能器8固定在套管上，橡胶圈9套设在套管11上限位于顶进螺母10与第一声波换能器8之间；橡胶圈9朝向第一声波换能器8的一端固定不动，另一端能够上下滑动；橡胶圈9具有中间扩张段，顶进螺母10上下运动带动扩张段起拱或收拱，扩张段起拱后，可以紧密抵接钻孔1内壁，起到封孔作用。本实施例橡胶圈9为高弹橡胶圈9，包括多段中间扩张段，能够保证封孔效果。
本实施例中，第一声波换能器8、第二声波换能器5均为圆管式换能器，分别套设固定在套筒11和测杆6上。具体固定方式为现有技术，在此不再详述。
为了满足第二声波换能器5的深度调节，本实施例的测杆6采用可伸缩结构。比如可以通过螺纹接头7连接的多段，每段为1m长。采用多段螺纹连接形成的测杆6，每次调节第二声波换能器5的深度则需要从套管11中抽出测试装置。测杆外壁设置有刻度，测杆上有精度为毫米级别的刻度。
本实施例还公开了供水机构、信息采集模块、计算模块；注水机构与进水口11连通；信息采集模块用以采集申报换能器信号，并将信号发送给计算模块，计算模块根据接收的信号进行声速计算。
具体装配过程为，先在孔外将测杆6调节至设定长度，将第一声波换能器8、第二声换能器分别固定在测杆6的对应位置，然后将数据线从测杆6中穿出，接着套设橡胶圈9和顶进螺母10。首先，橡胶圈9处于收拱状态，将测杆6连带其他部件一起送入钻孔1中到合适位置，拧动顶进螺母10挤压橡胶圈9，此时橡胶圈9开始压缩，其中段的扩张段开始起拱，直至与钻孔1内壁紧密抵接，即可实现封孔。然后将进水口接上水源，信号线与采集模块等外部控制装置连接。测试过程中，抽动测杆6，调节第二声波换能器5的高度，并通过测杆的刻度读取两个声波换能器之间的间距，便于后期计算。
实施例2
基于上述测试系统，本实施例提供一种测试方法，包括以下步骤：
步骤1、紧跟掘进面对巷道顶板图2所示的1#、2#钻孔1；
步骤2、对1#、2#钻孔1分别安装测试单元，分别对1#、2#孔开展单孔平透折射波法测试；此时，每个钻孔1内的第一声波换能器8和第二声波换能器5一个为发射器，一个为接收；
步骤3、对1#、2#孔开展跨孔达波法测试，测试同时改变2个钻孔1内的第二声波换能器5位置，使其处于同一水平；两个第二声波换能器5一个为发射器，一个为接收器；两个第一声波换能器8处于不工作状态；
步骤4、当巷道完成一次新的爆破掘进后，进尺满足大于1#、2#孔之间的距离时，找准位置钻进3#钻孔1，对3#钻孔1首先开展单孔平透折射波法测试，然后分别开展1#—3#、2#—3#、1#—2#跨孔直达波测试；方法如步骤3所述；
步骤5、根据声速的变化特征，建立岩体损伤度C1和声速降低率之间的关系；
式(1)中，E为爆破前岩体的弹性模量，v0为爆破前岩体的声波速度，v为爆破后岩体的声波速度，则根据上式通过岩体声波测试可获得岩体损伤的变化情况。经过工程测试实践，取第6至8次测试的结果计算C1。显然C1＝0时，表示岩体未受扰动或扰动极小。C1为(0～0.09)表示爆破损伤极小；C1为(0.10～0.34)表示爆破损伤轻微；C1为(0.35～0.64)表示爆破损伤中度；C1为(0.65～0.90)表示爆破损伤强烈；C1为(0.91～1)表示爆破损伤很强烈。
通过3个钻孔的设置，可以测得不同深度的不同波速。比如，1#孔和2#孔的第二声波换能器一发、一收，测得三角形的一条边的波速，以此类推，测得另外两条边的波速，当第二声波换能器的深度不同，测得的波速是不同的，那么根据不同的波速，可以测得如图2所示的斜的断层(图2中两处斜曲线表示断层或斜裂缝)。
所以这个方法的核心就是既可以实现单孔的测试，又可以实现双孔的跨孔的测试，然后还可以实现两两之间来回测试，综合来反馈整个这一片三个孔区域之内的这个岩体的声速，也就反映岩体裂隙的发育情况。
改变第二声波换能器在同一钻孔内的不同深度，与第一声波换能器之间一发射、一接受，可实现单孔平透折射波法测试。
在不同钻孔内的位置同时将第二声波换能器放置在不同深度，三个钻孔两两之间相互发射、接受声波信号，可实现跨孔法测试。
综合单孔平透折射波法测试和跨孔法测试结果，可有效反映三个钻孔所形成等边三角形区域内岩体不同深度处声波传递速度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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