地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用
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探地雷达在松动圈确定与巷道支护参数优化中的应用
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（ ． ｌ ｇ ｆ ｖｌＥ ｇ ｎ ｃ ｉ ｃｕ ｅ ＵＳ ，Ｑｉｇ ａ １ Ｃｏｌ ｅｏ ｉ ｎ ．ａ ｄ Ａｒｈｔ ｔ ｒ ，Ｓ Ｔ ｅ Ｃｉ ｅ ｎ ｄ ｏ，Ｓ ａ ｄ ｎ ６ ５ ０ ｈ ｎ ｏ ｇ ２ ６ １ ，Ｃｈｎ ； ｉａ
２ Ｗ ａ ｇ ｏ ａｍ ｉ ｅ ． ｎ ｌ ｕ Ｃｏ ｌ ｎ ，Ｄｏ ｇ ｈ ｎ Ｍ ｉｉ ｇ Ｃｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｎ ．，Ｌｔ ．，Ｊｎ ｎ ｄ ｉ ｉ ｇ，Ｓ ａ ｄ ｎ ７ ０ ３，Ｃ ｎ ） ｈｎ ｏ ｇ２ ２ ６ ｈｉａ
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探地雷达在松动 圈确定 与巷 道支护参数优化中的应用
李 纯 洁 孔 德 森 王 立 才 肖庆 华 诸 葛 祥 华 。 ， ， ， ，
（． 东科 技 大 学 土木 建筑 学 院 ， 东 青 岛 ２ ６ １ ；２ 山 东 东山矿 业 有 限 公 司 王楼 煤矿 ， 东 济 宁 ２２ ６ ） １山 山 ６５０ ． 山 ７ ０ ３
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探地雷达在松动 圈确定 与巷 道支护参数优化中的应用
李 纯 洁 孔 德 森 王 立 才 肖庆 华 诸 葛 祥 华 。 ， ， ， ，
（． 东科 技 大 学 土木 建筑 学 院 ， 东 青 岛 ２ ６ １ ；２ 山 东 东山矿 业 有 限 公 司 王楼 煤矿 ， 东 济 宁 ２２ ６ ） １山 山 ６５０ ． 山 ７ ０ ３
地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用
探测 法 、 多点 位 移 计 量 测 法 、 射 波法 、 质 雷 达 探 折 地
测法 等 Ｊ 。其 中 ２ ０世 纪 ７ Ｏ年代 末 ， 长春 煤 炭 研 究 所开 发 的“ 声波 围岩 裂 隙探 测仪 ” 使 声 波 法 得 到 超 ， 广泛 的使 用 ， 一 种 简 便 实 用 的 围岩 松 动 圈 的 测 试 是
巷 道开 挖后 ， 坏 了原岩 的应 力平 衡 状 态 ， 破 围岩
受力 状态 由三 向 变成 了 近 似 两 向 ， 致 围岩 应 力 重 导
新 分布 和局 部 应力 集 中 ， 成 岩 石 强 度 较 大 幅度 地 造
下 降 。此 时 ， 大主 应力 是沿 巷 道 壁 面 的切 线方 向 ， 最
围岩 中出现 了 １ 松 弛 破 裂带 ， 围岩 松 动 圈 ¨ 。 个 即
庭 教授 等人 经过 长期 研 究 ， 出 围岩 松 动 圈 支 护 理 提
论 Ｊ在 矿 山工程 中得 到广 泛 应 用 。这 些 理 论 的 运 ，
其力 学特 征 表现 为 应 力 降低 区 即松 动 圈 、 性 区及 塑
弹性 区 ， 图 １ 示 。 如 所
用 ， 以 已知 围岩松 动 圈 的范 围为 前提 ， 都 因此测 试 围 岩松 动 圈具 有较 大 的实 际意义 和应 用价 值 。
巷 道 围岩松 动 圈测 试 方 法 有 很 多 ， 随着 科 学 并
技术 的不 断进 步 而发 展 完 善 ， 中主要 包 括 超 声 波 其
生 ， 要从 事 岩体 加 固理 论 与 应 用技 术 的研 究。Ｅ—ｍａ ： 主 ｉ ｌ
ｍｑｂｌ ８ ９ ５＠ ｌ ６． ｏ 。 ２ ｔｍ
余年发展起来 的地球物理高新技术方法 ， 具有分 其 辨率高、 位准确、 速经济、 活方便 、 面直观 、 定 快 灵 剖
测法 等 Ｊ 。其 中 ２ ０世 纪 ７ Ｏ年代 末 ， 长春 煤 炭 研 究 所开 发 的“ 声波 围岩 裂 隙探 测仪 ” 使 声 波 法 得 到 超 ， 广泛 的使 用 ， 一 种 简 便 实 用 的 围岩 松 动 圈 的 测 试 是
巷 道开 挖后 ， 坏 了原岩 的应 力平 衡 状 态 ， 破 围岩
受力 状态 由三 向 变成 了 近 似 两 向 ， 致 围岩 应 力 重 导
新 分布 和局 部 应力 集 中 ， 成 岩 石 强 度 较 大 幅度 地 造
下 降 。此 时 ， 大主 应力 是沿 巷 道 壁 面 的切 线方 向 ， 最
围岩 中出现 了 １ 松 弛 破 裂带 ， 围岩 松 动 圈 ¨ 。 个 即
庭 教授 等人 经过 长期 研 究 ， 出 围岩 松 动 圈 支 护 理 提
论 Ｊ在 矿 山工程 中得 到广 泛 应 用 。这 些 理 论 的 运 ，
其力 学特 征 表现 为 应 力 降低 区 即松 动 圈 、 性 区及 塑
弹性 区 ， 图 １ 示 。 如 所
用 ， 以 已知 围岩松 动 圈 的范 围为 前提 ， 都 因此测 试 围 岩松 动 圈具 有较 大 的实 际意义 和应 用价 值 。
巷 道 围岩松 动 圈测 试 方 法 有 很 多 ， 随着 科 学 并
技术 的不 断进 步 而发 展 完 善 ， 中主要 包 括 超 声 波 其
生 ， 要从 事 岩体 加 固理 论 与 应 用技 术 的研 究。Ｅ—ｍａ ： 主 ｉ ｌ
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余年发展起来 的地球物理高新技术方法 ， 具有分 其 辨率高、 位准确、 速经济、 活方便 、 面直观 、 定 快 灵 剖
煤矿巷道围岩松动圈测定
内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿巷道围岩松动圈测定中国矿业大学（北京）北联电能源开发有限责任公司2009年5月目录一、巷道围岩松动圈概念 (1)二、围岩松动圈测试原理 (1)三、测试仪器 (2)四、测试方法 (2)五、数据分析 (3)六、总结 (9)一、巷道围岩松动圈概念围岩松动圈是围岩应力对围岩作用的一种结果，是反映围岩应力岩石强度的一个综合性指标。
实践证明，松动圈的大小与巷道的稳定性及支护的难易程度密切相关。
测出松动圈的大小对选择合理的支护方式和支护参数，减少矿井维护费用，修订井巷设计，指导现场施工，都具有重要的现实意义。
自然状态下的地壳煤岩层,通常处于应力平衡状态,巷道开挖后,就改变了它的边界条件,破坏了其相对平衡状态,在巷道周围一定范围内应力将重新分布,以达到新的应力平衡。
一是切向应力增加，并产生应力集中；二是径向应力降低，巷道周边处应力达到零；三是围岩受力状态由三向变成近似二向，岩石强度降低许多，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题。
相反的，如果集中应力值等于下降后的岩石强度，围岩将发生破裂，这种破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现一个破裂带，这个破裂带称为围岩松动圈。
弹性区，塑性区，破裂区（三区）的力学行为与岩石全应力应变曲线中的相应段是对应的，其中巷道围岩弹性区，塑性区对应与全应力应变曲线峰前段弹性，塑性变形段，破裂区（围岩松动圈）对应于峰后“软化”段和“残余强度”如图1所示。
图1松动圈巷道围岩分区1.弹性区；2.塑性区；3.松动圈（软化区）；4. 松动圈（残余强度区）在现场，可用声波仪，多点位移计或探地雷达等探测出围岩中的这个破裂带的厚度，称其为松动圈值，记为Lp。
二、围岩松动圈测试原理基于松动圈测试的检测原理，相应的测试方法有渗流法、深基点位移计量测方法、地震声学法和超声波测试法。
基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定
３３
２０１３ 年第 ３ 期
煤炭科学技术
第 ４１ 卷
最大可达 １２ ｍꎮ 由雷达测试的波形图看出测线波 雷达波形图纵向不规律处表现为裂隙等地质构造影
导线点以东 ５������ ６ ｍ 底板 １������ ７ ３������ ５ 左帮 ２������ ５ ３������ ０ 顶板 ２������ ０ ３������ ４ 右帮 ３������ ５ ４������ ６
表 １㊀ 松动圈测试范围
项目 最小值 / ｍ 最大值 / ｍ 导线点以东 ９７������ ０ ｍ 左帮 ２������ １ ３������ ２ 顶板 １������ ２ ４������ ３ 右帮 １������ ７ ４������ ２
㊀ ㊀ 通用的地质雷达测量方法为剖面法ꎬ 即发射天 数据处理ꎬ可得到深度 － 平距正演图像ꎬ 进而利用地 质㊁钻探资料或其他方法所获结果并结合对图像的 得到地质雷达探测波形图ꎮ 波形图能够很好地反映
不同层次的岩石破坏并逐步由周边向纵深扩展ꎬ 形 定的松动圈直接影响巷道稳定性控制ꎬ 探测松动圈
收稿日期:２０１２－１０－１８ꎻ责任编辑:曾康生 作者简介:伍永平( １９６２
ꎬ 这个不稳
基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(９０２１００１２) ꎻ陕西省重点实验室重点资助项目(０５ＪＳ２３)
引用格式:伍永平ꎬ翟㊀ 锦ꎬ解盘石ꎬ等. 基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定[ Ｊ] . 煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(３) :３２－３４ꎬ３８.
图 ２㊀ 巷道失稳现场
２㊀ 围岩松动圈测试及分析
２������ １㊀ 测试设备及测试原理 ㊀ ㊀ 地质雷达的工作原理是利用高频电磁波以宽频 带短脉冲的形式ꎬ由地表通过发射天线向地层发射
地质雷达探测技术在矿井围岩松动圈探测中应用
文 献标 志码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ８— ０ １ ５ ５ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ９— ０ １ ３ ７— ０ ２
巷 道 开 挖后 ， 围岩 中的 原 岩应 力失 衡 ， 巷 道 会 由浅 及深产生一系列的破坏 ， 最 终有破碎 岩体形成一个松 动 圈… 。利用 松 动 圈理 论 ， 可 以 为巷 道 锚杆 （ 索） 的 支 护设计提供基础 的理论数 据。杨河煤业 ４ ２采 区变 电 所 底 板标 高 一３ ６ ４ ｍ左 右 ， 实 际埋 深 ６ ０ ０ ｍ左 右 ， 变 电所 围岩岩性 以泥岩 、 砂质泥岩为主 ， 局部为 Ｉ Ｊ ７ 一 灰岩 。同 时该泵房附近存在一条断层 ， 落差 １ ０ ｍ， 致使变 电所顶 板产生滑移 ； Ｌ 一 灰岩 ｆ 值为 ６ — ８ ， 强度较高 ， 但受该断 层影响 ， 岩体 内节 理极 为发 育 ， 完 整 性 差 。针 对 杨 河煤 业４ ２采区变 电所实际情况 ， 采用瑞典 制造生产的“ 地 质雷达” ， 对该区域围岩松动 圈测试 ， 解决 了杨河煤业 ４ ２采 区变 电所 支 护的 问题 。 １雷 达测 试 围岩松 动 圈基 本原 理 巷道围岩松 动圈有许多测试方 法 ， 其 中使用地质 雷 达技术 是 目前 最 先 进 的 ， 目前 矿 井 利 用 地 质 雷 达 对 松 动 圈的测 定越 来 越 多 Ｊ 。地 质 雷达 基 于 介 质 间的 电导率 、 介电常数等 电性差异 ， 以高频 电磁波 （ 主频为 数十兆赫至数百兆赫 ） 在 电性界面 的反射来探测地下 目标体的。在地下一定深度 内如果存在有异 常物体 ， 并且 其 与 周围 介 质 间存 在 明 显 的 电 性 差 异 时 ， 由地 质 雷 达天 线在 巷 道表 面 向巷 道 围岩 发 射 的高 频 电磁 波 遇 到异常物体与周围介质 电性分界面时就会被反射 回巷 道表面被接收 天线接 收 ， 根据介质 中电磁波 传播速度 和 接 收 的反射 信 号 及 其双 程 走 时 ， 便 可 确 定 围 岩 深 部 裂隙区域与较完整岩体分界面的位置和深度 。 作为一种主动的电磁探测系统， 由计算机 、 控制面 板、 发射 电路 、 发射天线 、 接 收 电路 和 接 受 天 线 ６部 分 组成。其工作原理为 ： 利用一个 天线 Ｔ发射高频宽频 带 电磁 波送 入 围 岩 ， 经 深 部 较 完 整 岩 体 与 裂 隙 岩 体 的
围岩松动圈的测定
围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。
为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。
选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。
根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下).二、需求设备SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines连续工作时间：8h存储容量：20GB外形尺寸： 195mmX115mmX75mm配套设备：1.钻孔窥视仪主机1台2.窥视镜（探头）１只3.视频传输及输送缆：10米4.耳麦1付5.充电机1台B连接线1根7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。
将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。
由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。
对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。
它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。
四、使用分析1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。
2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。
地质雷达测试围岩松动圈的应用
■ 混麓土 水
－ ６４ ． ８ Ｉ
空气 煤 砂者
１ ４５ ４
由 于 发 射 天 线 与 接 收 天 线 的 距 离 很 近 ，电场 方 向通 常垂 直 于 入 射 平面 ， 因而 反射 系统 可简 写成
（） ３ 用 ，都 需 要 知 道 松 动 圈的 范 围 ， 因此 测 试 松 动 圈具 有 实 际 意 义 。 式 中： ， ２ 分 别为 上 、下 层 介 质 ’ 隧 道 围岩 松动 圈有 许 多 实测 方 法 ，声 波 法是 最为 常 用 的 方法 。但 声 波 法需 要 钻 的 相 对 介 电常 数 。 孔 ，用 水 作 为探 头 与 岩 石 间 的 耦 合 媒 介 ， 从记 录 的 反射 时 间考 虑 到 发射 与 接 收 对 强 度 低 的 围 岩 ， 钻 孔 成 型 难 ， 注 水 满 孔 探头 相距 很近 ，取 ，由式 （ １）（ ２）得界 更 难 ，因而 在 煤 层 、 膨胀 性 泥 岩 等低 强 度 面 深 度 计 算 式 岩 体 中 ， 用 声 波 法 测 试 围岩 松 动 圈 很 困 难 ，成 功的 实 例 较 少 。 近年 来 ，不需 钻 孔 。ｒ ’ （） ４ 的地 质 雷达 测 试 作 为 非破 损 物 探 新技 术 以 其 精度 高 、效 率高 、分 辨率 高 、快 速经 济 、 地 下 工程 围岩 松动 圈内 有 许 多裂 缝 界 方 便 灵 活 、剖 面 直 观 等 优 点 ，在 土 木 工程 面穿 插 其 中 ，界 面 处 物性 差 异 很 大 ， 从表 领 域 得 到愈 来 愈 广 泛 的 应用 ，我 们 应 用地 １和式 ３可知 ，材料 的相对介 电常数差 别很 质雷 达 测试 技 术 干 声 波 法测 试 困 难 的煤 系 大 ，从 而 会使 电磁 波 产 生 反 射 回波 信 号 。 ３． 测试仪 器与 方法 地 层隧 道 中 ，成 功 的 取 得 了煤 层 、泥 岩和 目前 在我 国使 用 的地 质 雷 达 由 不 同 国 砂岩 组 合 中 松动 圈分 布 的数 据 ，为 研 究 煤 层 隧道 的稳 定 性 提 供 了依 据 。 家设计 制造 ，如加 拿大 ＳＳＩ探 头与软 件 公 ｕ ｓ ＥＫＫ０ ０ ｌ ０型、瑞典 Ｍａａ公司的 ｌ ２ 地质 雷达测试 围岩松 动圈的原 理【 司的 Ｐ ｌｅ ． １， ３ ４ ，］ ＲＡＭ Ａ Ｃ 型 、美国地球物 理探 测设备 公司 地 质雷 达 产 生 高 频短 脉 冲 电 磁波 向介 （ Ｓ Ｉ Ｇ Ｓ ）的 Ｓ Ｒ系统 、瑞典地 质公 司 （Ｇ Ｂ） Ｉ ＳＡ 质 内发 射 ，其信 号 的 传 播 取 决于 介 质 的 高 的 ＲＡＭ ＡＣ 钻孔地 质雷达 系统 及 日本 应用 频 电性 。一 般 ，在 岩 石 介 质 中 ，节 理 、裂 地质株式会社 （ ＹＯ）的 ＧＥ０ＲＡＤＡＲ 系 Ｏ 隙 、断 裂 等 会 引起 电性 变 化 ， 当雷 达 发 射 列等 。重庆 科学院的 ＫＤＬ型 ，它们 工作原 ２】 探头 向介 质 发射 电磁 波 时 ，介 质 电性 的 变 理 、数 据处 理大 同小异 【 。 地 质 雷达 的应 用 ，按 探 测深 度 一 般 可 化 引起 部 分 信号 发 生 反 射 ，产 生雷 达 反 射 波 ，反 射 波 由探 头 接 收 、 放 大 、数 字 化 并 分 为 ： １ 浅 部 应 用 ： 中 心 主 频 大 于 ） 存 贮 在 计 算 机 中 ， 对 采 集 的 数 据 进 行 编 辑 、处 理 ，可 得 到不 同形 式 （ 如波 形 、灰 １ ０ Ｍ Ｈｚ ００ ，探测深 度小于 ０ ５ ，用于公路 ．ｍ 度 、彩 色 等 ）的地 质雷 达 剖 面 ， 对地 质 雷 路 面 、机 场 跑 道 、 墙 厚及 墙 内 空 洞和 隐 藏 达 剖 面 进 行 解 释 ，即 可 得 到所 测结 果 。 物的探测等 ； 雷 达 波 属 高 频 电 磁 波 的 范 畴 ， 其 原 理 ２ 中 深 度 应 用 ： 中 心 频 率 为 为 广 阔 的 发 展 空 间 。 ） ０ ０ Ｍ ，探 测深 度 ０．－ ｍ ，用 于 地 下 ５８ 基 于 电磁 波 反 射 原理 ，在 界 面 上 的反 射 和 ｌ ０ ９ ０ Ｈｚ 透 射 遵 循 光 学 定 理 。 发 射 天 线 发 射 电 磁 管线 、地 下空洞 、考古 、地下 工程 围岩 、混 波 ，当遇 到 介 质 分界 面 时 产 生 反射 波 ，反 凝 土 质 量 检 测 等 ； ３ ）大 深 度 应 用 ： 中 心 频 率 小 于 射 被放 置在 介 质 表面 的接 收 天 线接 收 ，主 １ ０ Ｈｚ，探测深度 １ １ ｍ ，用于岩土工 ０Ｍ Ｏ ５ 机记录 。 反 射 界 面深 度 ： 程 勘察 ，以探 明地 下岩 溶洞 穴 、堤 坝 隐患 、 地 基 勘 察 、岩 土 层划 分 等 。 ： ＝ 实 际 工作 中 ，仪 器 工作 参 数 的选 取 原 则 一 般 为 ：先 由 已知 地 层求 出待不 同 地 质 条 件 下 隧 道 围岩 松 动 圈 厚度 变化 。
巷道围岩松动圈超声波测试技术与应用
表 １ 松动圈围岩分类表
嘲岩 类 别
小 松 动 豳 中松 动 陶 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ
根 据超声 波 在不 同介 质 传 播过 程 中的衰 减 规 律， 得 到 了在 不 同介 质 中具 有 不 同 的 传 播速 度 的 特点 ， 在 均质 岩 体 中 衰 减 少 、 速度快 ， 破 碎 岩 体 中 由于裂 隙 的增加 ， 超声 波 能 力衰 减快 、 速度 也 相 应 地 减小 ， 从 而根据 波速 来 预 测 围岩 的破 坏 情 况 ， 通 过 计算 可 以得到巷 道 围岩 的松动 圈范 围 Ｊ 。 根 据弹 性理 论 ， 由弹 性 波 的波 动 方 程 通 过 弹 性 力学 空 间 问题 的 静 力方 程 推 导 ， 可 得 出超 声 波 纵 波波 速 与介质 的弹性 参数 之 间的关 系 Ｊ 。
ｌ Ｖ 一 般 稳定 围 澍 （ 软岩） 大松 动 圈 ¨ Ｖ 不稳 定 围崭 （ 较 软围 岩 ） Ｖ Ｉ 极 不稳 围岩 （ 极 软围 岩 ）
现 场松 动 圈 测试 采 用 单 孔 法 ， 仪器选 用 Ｒ Ｓ Ｍ
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ５— ２ ３ 作者简介 ： 刘勇（ １ ９ ８ ７一） ， 男， 陕西 定边 县人 ， 毕业于河南理 工大学采矿 工程专业 ， 现在神 东煤炭集 团公 司哈拉沟 煤矿 工作 。
１
＝
／
（ １ ）
（ ２ ）
式中 ： Ｖ 一煤 体的 纵波速 度 ； Ｖ 一煤 体的 横波速 度 ； Ｅ一煤体 的弹 性模量 ； 煤 体的 泊松 比 ； Ｐ一 煤 体 的密度 。
一
２ ． ２现 场 测 试 方 法
现 场超 声波 测试 方法 可 分 为单 孔 测 试和 双 孔 测试 ， 由于 双 孔 测 试 现 场 操 作 复 杂 ， 钻 孔 工 程 量 大， 对 围岩 损伤 也大 ， 因此 现场 多 为单 孔 测 试 。在 本 次测 试 中采 用单 孔 测 试 法 进 行 测试 ， 单 孔 测 试 法原理 如 图 １ 所示。 发声探 头 接 收探 头
嘲岩 类 别
小 松 动 豳 中松 动 陶 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ
根 据超声 波 在不 同介 质 传 播过 程 中的衰 减 规 律， 得 到 了在 不 同介 质 中具 有 不 同 的 传 播速 度 的 特点 ， 在 均质 岩 体 中 衰 减 少 、 速度快 ， 破 碎 岩 体 中 由于裂 隙 的增加 ， 超声 波 能 力衰 减快 、 速度 也 相 应 地 减小 ， 从 而根据 波速 来 预 测 围岩 的破 坏 情 况 ， 通 过 计算 可 以得到巷 道 围岩 的松动 圈范 围 Ｊ 。 根 据弹 性理 论 ， 由弹 性 波 的波 动 方 程 通 过 弹 性 力学 空 间 问题 的 静 力方 程 推 导 ， 可 得 出超 声 波 纵 波波 速 与介质 的弹性 参数 之 间的关 系 Ｊ 。
ｌ Ｖ 一 般 稳定 围 澍 （ 软岩） 大松 动 圈 ¨ Ｖ 不稳 定 围崭 （ 较 软围 岩 ） Ｖ Ｉ 极 不稳 围岩 （ 极 软围 岩 ）
现 场松 动 圈 测试 采 用 单 孔 法 ， 仪器选 用 Ｒ Ｓ Ｍ
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ５— ２ ３ 作者简介 ： 刘勇（ １ ９ ８ ７一） ， 男， 陕西 定边 县人 ， 毕业于河南理 工大学采矿 工程专业 ， 现在神 东煤炭集 团公 司哈拉沟 煤矿 工作 。
１
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／
（ １ ）
（ ２ ）
式中 ： Ｖ 一煤 体的 纵波速 度 ； Ｖ 一煤 体的 横波速 度 ； Ｅ一煤体 的弹 性模量 ； 煤 体的 泊松 比 ； Ｐ一 煤 体 的密度 。
一
２ ． ２现 场 测 试 方 法
现 场超 声波 测试 方法 可 分 为单 孔 测 试和 双 孔 测试 ， 由于 双 孔 测 试 现 场 操 作 复 杂 ， 钻 孔 工 程 量 大， 对 围岩 损伤 也大 ， 因此 现场 多 为单 孔 测 试 。在 本 次测 试 中采 用单 孔 测 试 法 进 行 测试 ， 单 孔 测 试 法原理 如 图 １ 所示。 发声探 头 接 收探 头
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显示控制单片机: 显示站号、模拟量等信息。
准要求。数据采集处理程序流程见图 3。
3 数据采集处理程序设计
由频率信号和开关量信号分析可知，这两种信 号均为状态信号( 二值) ，即在某一时刻均有一状态 0 或 1。而频率信号在某一时间段其状态变化次数 较多，开关量信号一般变化较少。可以把开关量信 号看作频率非常低的频率量，而频率量也可看作开 关 B
文章编号: 1008 － 4495( 2011) 02 － 0037 － 02
巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩 受力状态由三向变成了近似两向，导致围岩应力重 新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地 下降。此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向， 巷道壁面切应力达到最大值; 最小主应力是沿巷道 的径向应力，径向应力在巷道周边为 0，向围岩内部 逐渐增大。若围岩中集中的应力值大于下降后的岩 石强度，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深 部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时 围岩中出现了 1 个松弛破裂带，即围岩松动圈［1 － 2］。 其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及 弹性区，如图 1 所示。
0． 92
1． 51
迎头 80 m 位置 左帮上部 1． 50
0． 74
1． 21
3． 3 地质雷达测试松动圈结果及分析 1) 在总回风巷监测松动圈的测试断面共取
3 个( 文中节选 2 个) ，总体而言，围岩松动圈的范围 较大( 见表 3) ，最大达 2． 5 m 以上。
表 3 松动圈测试结果
测试地点 总回风巷距掘进迎头 12 m 处 总回风巷距掘进迎头 15 m 处 总回风巷距掘进迎头 80 m 处
v= c
( 2)
槡ζ
式中 c———电磁波在真空中传播的速度，m / s;
ζ———介质的相对介电常数。
2 测试仪器与方法
本次探测设备选用美国地球物理探测设备公司 ·38·
图 3 总回风巷雷达测线布置图
3 测试实践与结果
在总回风巷距掘进迎头 12 m 位置选取一个断 面进行围岩松动圈探测，共布置 3 条测线。在总回 风巷距掘进迎头 80 m 位置选取另一个断面进行围 岩松动圈探测，共布置 2 条测线。通过对总回风巷 的 2 个探测断面进行松动圈地质雷达探测分析，得 到了各个断面的松动圈的范围( 大小) 。 3． 1 总回风巷距迎头 12 m 处断面松动圈分析
号 ACK，进入中断，处理采集单片机传来的信号，将 置位有数据标志，主控单片机在主程序中检测到该 标志后将启动 I2 C 总线读取 RAM 缓冲区中的数据。 该数据为输入通道和输出通道数据。
主控单片机: 负责分站与接口的通信，分站参数 初始化等任务;
数据采集控制单片机: 完 成 数 据 采 集，计 算 处 理，控制输出等任务;
参考文献:
［1］ 郭志宏，董方庭． 围岩松动圈与巷道支护［J］． 矿山压力 与顶板管理，1995，3( 4) : 111 － 114．
［2］ 徐干成，白洪才，邓颖人，等． 地下工程支护结构［M］． 北 京: 中国水利水电出版社，2002．
［3］ 何满潮，景海河，孙晓明． 软岩工程力学［M］． 北京: 科学 出版社，2002．
2011 年 4 月
矿业安全与环保
第 38 卷第 2 期
地质雷达测试巷道围岩松动圈的 原理及应用
孟庆彬1 ，乔卫国1，2 ，林登阁1 ，门燕青1
( 1． 山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 266510; 2． 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266510)
摘 要: 地质雷达是目前国际上最先进的物探手段之一，在岩土工程界和矿山工程等领域得到了广
由图 2 可得出，记录到的电磁波在介质中传播 的双程走时 t［7］:
槡 t =
4z2
+
x2 v
( 1)
式中 z———反射界面的深度，m;
x———天线间距，m;
v———电磁波在介质中的传播速度，m / ns。
式( 1) 中的 t 为记录值，x 为经验值，v 可实测或
由经验取得。
电磁波在介质中传播的速度可用下式计算［7］:
巷道围岩松 动 圈 测 试 方 法 有 很 多，并 随 着 科 学 技术的不断进步而发展完善，其中主要包括超声波 探测法、多点位移计量测法、折射波法、地质雷达探 测法等［5］。其中 20 世纪 70 年代末，长春煤炭研究 所开发的“超声波围岩裂隙探测仪”，使声波法得到 广泛的使用，是一种简便实用的围岩松动圈的测试 方法。该方法以超声波纵波波速在围岩中的变化为 依据［6］: 围岩处于完好的弹性状态，波速较大; 围岩 处于破碎的塑性状态，波速较小。声波法需要钻孔， 用水作为探头与岩石间的耦合媒介，但对于强度低的 围岩，钻孔难以成型; 且往钻孔中注满水更难。故在 煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体中，用声波法测 试巷道围岩松动圈较为困难，很难大面积推广。
( GSSI) 的 SIR － 3000 地质雷达配 400 MHz 的天线。 该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射 部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发射 前沿时间为数纳秒以下的电磁脉冲。接收部分由接 收天线、高频放大电路和采样电路构成。接收的高 频信号被放大后，由采样电路变换为低频信号，送到 信号处理电路。控制部分是由产生整体装置同步信 号的基准同步信号发生器，控制采样电路的采样控 制器，处理接收信号的信号处理电路，以及显示处理 信号的输出显示设备等部分组成。采样数据经一定 处理后，由输出显示设备输出探测结果。
本次输入通道状态记为 NEW_P0，上次状态记 为 OLD_P0，计数器为 TD16; 那么两次状态相异或得 到结果记为 XOR_RESULT_P0。根据异或的结果可 知，两次状态相同结果为 0，不同为 1，由结果 XOR_ RESULT_P0 可判断通道的状态是否改变，如改变则 计数加一，不变则计数不变。
图 1 巷道围岩状态分布图
收稿日期: 2010 － 07 － 26 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 ( NCET － 07 － 0519) ; 教育部长江学者和创新团队发展计划资 助项目( IRT0843) 作者简介: 孟庆彬( 1985—) ，男，山东菏泽人，硕士研究 生，主要从 事 岩 体 加 固 理 论 与 应 用 技 术 的 研 究。E － mail: mqb1985@ 126． com。
利用地质雷 达 不 用 钻 孔 的 特 点，选 择 具 有 代 表 性的工程断面布置探测线，由于受风筒和管道位置 的影响，有的断面不能一次性进行全断面扫描监测， 而是分段布置测线，测试路线布置如图 3 所示。
图 2 地质雷达探测原理图
地质雷达产生的高频短脉冲电磁波和能量向介 质内发射，其信号的传播取决于介质的高频电性，在 岩石 介 质 中 的 节 理、裂 隙、断 裂 等 会 引 起 电 性 变 化［8］。当雷达发射探头向介质发射电磁波时，介质 电性的变化引起部分信号发生反射，产生雷达反射 波; 反射波由探头接收、放大、数字化并存贮在计算 机中; 对采集的数据进行编辑、处理，可得到不同形 式的地质雷达剖面; 对地质雷达剖面进行解释，即 可得到所测结果。
因为每次变化就会做加计算，所以在输入频率 信号的上升沿，以及下降沿都计数。一个 200 Hz 的 频率信号在 1 s 内可计数 400 次。
根据 AQ 6201—2006《煤矿安全监控系统通用 技术要求》，要求分站具有从数据输入、数据处理到 控制输出的时间小于 2 s。
本分站设计 500 ms 一个计数周期，加上计算， 可在约 100 ms 内完成计算处理以及控制输出，共需 要 600 ms 可完成一个周期，断电器的执行时间是毫 秒级的［3］，因此在2 s内，处理、控制输出完全满足标
4 结语
1) 工程实践表明，总回风巷围岩松动圈的大小 在不同断面或同一断面不同部位差异较大。从整个 松动圈测试结果来看，巷道围岩松动范围较大，应考 虑锚杆长度与松动圈匹配问题; 在条件具备情况下， 建议对已施工巷道采用锚注支护，以确保巷道围岩 的稳定。
2) 地质雷达可以方便、快捷、有效地探测出巷 道围岩松动圈的范围，特别适合于用声波法难以测 试的煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体的松动圈 的探测。采用地质雷达探测围岩松动圈，其探测结 果比较符合实际，测试数据准确，精度相对较高。能 够预测松动圈的发展趋势，优化支护参数，能有效地 指导支护设计与施工。
松动圈大小 /m 1． 00 ～ 2． 96 1． 67 ～ 2． 89 0． 74 ～ 1． 51
2) 同一断面不同部位松动圈尺寸不同，两帮和 顶板处松动圈大，直墙处松动圈小。
3) 稳定性差的围岩，松动圈厚度大; 稳定性好 的围岩，松动圈厚度较小。
4) 同一断面中，强 度 高 的 岩 体 松 动 圈 厚 度 较 小，强度低的岩体松动圈厚度较大。
泛应用。阐述了用地质雷达测试巷道围岩松动圈的基本原理，提出了松动圈的无损实测方法，并在榆树
井煤矿总回风巷中进行了测试实践。测试获得了总回风巷全断面的松动圈的分布规律，结果表明，总回
风巷围岩松动圈的大小在不同断面或同一断面不同部位差异较大。
关键词: 地质雷达; 巷道围岩; 松动圈
中图分类号: TD353
3． 2 总回风巷距迎头 80 m 处断面松动圈分析 同理可得，围岩松动圈雷达探测图如图 5 所示，
探测范围见表 2。
图 5 总回风巷距迎头 80 m 处断面地质雷达探测图
表 2 总回风巷距迎头 80 m 断面松动圈范围
探测断面位置 探测位置 探测长度 /m 最小值 /m 最大值 /m
总回风 巷 距 掘进 右帮及拱顶 5． 00
围岩松动圈是在地下工程中普遍存在的实际物 理力学状态，对地下工程的稳定性影响较大，是指导 地下工程加固的理论依据。对围岩松动圈的研究引 起了国内外专家学者的高度重视，取得了许多有益 的成果: 在国外，太沙基( K． Terzaghi) 和普氏( М． М． Протодьяконов) ［3］观测到了围岩的松动状态( 坍落 拱) ，首次提出了巷道围岩具有自承能力，至今仍在 国内外浅部地下工程设计中广泛应用; 在国内，董方 庭教授等人经过长期研究，提出围岩松动圈支护理 论［4］，在矿山工程中得到广泛应用。这些理论的运 用，都以已知围岩松动圈的范围为前提，因此测试围 岩松动圈具有较大的实际意义和应用价值。
准要求。数据采集处理程序流程见图 3。
3 数据采集处理程序设计
由频率信号和开关量信号分析可知，这两种信 号均为状态信号( 二值) ，即在某一时刻均有一状态 0 或 1。而频率信号在某一时间段其状态变化次数 较多，开关量信号一般变化较少。可以把开关量信 号看作频率非常低的频率量，而频率量也可看作开 关 B
文章编号: 1008 － 4495( 2011) 02 － 0037 － 02
巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩 受力状态由三向变成了近似两向，导致围岩应力重 新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地 下降。此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向， 巷道壁面切应力达到最大值; 最小主应力是沿巷道 的径向应力，径向应力在巷道周边为 0，向围岩内部 逐渐增大。若围岩中集中的应力值大于下降后的岩 石强度，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深 部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时 围岩中出现了 1 个松弛破裂带，即围岩松动圈［1 － 2］。 其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及 弹性区，如图 1 所示。
0． 92
1． 51
迎头 80 m 位置 左帮上部 1． 50
0． 74
1． 21
3． 3 地质雷达测试松动圈结果及分析 1) 在总回风巷监测松动圈的测试断面共取
3 个( 文中节选 2 个) ，总体而言，围岩松动圈的范围 较大( 见表 3) ，最大达 2． 5 m 以上。
表 3 松动圈测试结果
测试地点 总回风巷距掘进迎头 12 m 处 总回风巷距掘进迎头 15 m 处 总回风巷距掘进迎头 80 m 处
v= c
( 2)
槡ζ
式中 c———电磁波在真空中传播的速度，m / s;
ζ———介质的相对介电常数。
2 测试仪器与方法
本次探测设备选用美国地球物理探测设备公司 ·38·
图 3 总回风巷雷达测线布置图
3 测试实践与结果
在总回风巷距掘进迎头 12 m 位置选取一个断 面进行围岩松动圈探测，共布置 3 条测线。在总回 风巷距掘进迎头 80 m 位置选取另一个断面进行围 岩松动圈探测，共布置 2 条测线。通过对总回风巷 的 2 个探测断面进行松动圈地质雷达探测分析，得 到了各个断面的松动圈的范围( 大小) 。 3． 1 总回风巷距迎头 12 m 处断面松动圈分析
号 ACK，进入中断，处理采集单片机传来的信号，将 置位有数据标志，主控单片机在主程序中检测到该 标志后将启动 I2 C 总线读取 RAM 缓冲区中的数据。 该数据为输入通道和输出通道数据。
主控单片机: 负责分站与接口的通信，分站参数 初始化等任务;
数据采集控制单片机: 完 成 数 据 采 集，计 算 处 理，控制输出等任务;
参考文献:
［1］ 郭志宏，董方庭． 围岩松动圈与巷道支护［J］． 矿山压力 与顶板管理，1995，3( 4) : 111 － 114．
［2］ 徐干成，白洪才，邓颖人，等． 地下工程支护结构［M］． 北 京: 中国水利水电出版社，2002．
［3］ 何满潮，景海河，孙晓明． 软岩工程力学［M］． 北京: 科学 出版社，2002．
2011 年 4 月
矿业安全与环保
第 38 卷第 2 期
地质雷达测试巷道围岩松动圈的 原理及应用
孟庆彬1 ，乔卫国1，2 ，林登阁1 ，门燕青1
( 1． 山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 266510; 2． 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266510)
摘 要: 地质雷达是目前国际上最先进的物探手段之一，在岩土工程界和矿山工程等领域得到了广
由图 2 可得出，记录到的电磁波在介质中传播 的双程走时 t［7］:
槡 t =
4z2
+
x2 v
( 1)
式中 z———反射界面的深度，m;
x———天线间距，m;
v———电磁波在介质中的传播速度，m / ns。
式( 1) 中的 t 为记录值，x 为经验值，v 可实测或
由经验取得。
电磁波在介质中传播的速度可用下式计算［7］:
巷道围岩松 动 圈 测 试 方 法 有 很 多，并 随 着 科 学 技术的不断进步而发展完善，其中主要包括超声波 探测法、多点位移计量测法、折射波法、地质雷达探 测法等［5］。其中 20 世纪 70 年代末，长春煤炭研究 所开发的“超声波围岩裂隙探测仪”，使声波法得到 广泛的使用，是一种简便实用的围岩松动圈的测试 方法。该方法以超声波纵波波速在围岩中的变化为 依据［6］: 围岩处于完好的弹性状态，波速较大; 围岩 处于破碎的塑性状态，波速较小。声波法需要钻孔， 用水作为探头与岩石间的耦合媒介，但对于强度低的 围岩，钻孔难以成型; 且往钻孔中注满水更难。故在 煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体中，用声波法测 试巷道围岩松动圈较为困难，很难大面积推广。
( GSSI) 的 SIR － 3000 地质雷达配 400 MHz 的天线。 该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射 部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发射 前沿时间为数纳秒以下的电磁脉冲。接收部分由接 收天线、高频放大电路和采样电路构成。接收的高 频信号被放大后，由采样电路变换为低频信号，送到 信号处理电路。控制部分是由产生整体装置同步信 号的基准同步信号发生器，控制采样电路的采样控 制器，处理接收信号的信号处理电路，以及显示处理 信号的输出显示设备等部分组成。采样数据经一定 处理后，由输出显示设备输出探测结果。
本次输入通道状态记为 NEW_P0，上次状态记 为 OLD_P0，计数器为 TD16; 那么两次状态相异或得 到结果记为 XOR_RESULT_P0。根据异或的结果可 知，两次状态相同结果为 0，不同为 1，由结果 XOR_ RESULT_P0 可判断通道的状态是否改变，如改变则 计数加一，不变则计数不变。
图 1 巷道围岩状态分布图
收稿日期: 2010 － 07 － 26 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 ( NCET － 07 － 0519) ; 教育部长江学者和创新团队发展计划资 助项目( IRT0843) 作者简介: 孟庆彬( 1985—) ，男，山东菏泽人，硕士研究 生，主要从 事 岩 体 加 固 理 论 与 应 用 技 术 的 研 究。E － mail: mqb1985@ 126． com。
利用地质雷 达 不 用 钻 孔 的 特 点，选 择 具 有 代 表 性的工程断面布置探测线，由于受风筒和管道位置 的影响，有的断面不能一次性进行全断面扫描监测， 而是分段布置测线，测试路线布置如图 3 所示。
图 2 地质雷达探测原理图
地质雷达产生的高频短脉冲电磁波和能量向介 质内发射，其信号的传播取决于介质的高频电性，在 岩石 介 质 中 的 节 理、裂 隙、断 裂 等 会 引 起 电 性 变 化［8］。当雷达发射探头向介质发射电磁波时，介质 电性的变化引起部分信号发生反射，产生雷达反射 波; 反射波由探头接收、放大、数字化并存贮在计算 机中; 对采集的数据进行编辑、处理，可得到不同形 式的地质雷达剖面; 对地质雷达剖面进行解释，即 可得到所测结果。
因为每次变化就会做加计算，所以在输入频率 信号的上升沿，以及下降沿都计数。一个 200 Hz 的 频率信号在 1 s 内可计数 400 次。
根据 AQ 6201—2006《煤矿安全监控系统通用 技术要求》，要求分站具有从数据输入、数据处理到 控制输出的时间小于 2 s。
本分站设计 500 ms 一个计数周期，加上计算， 可在约 100 ms 内完成计算处理以及控制输出，共需 要 600 ms 可完成一个周期，断电器的执行时间是毫 秒级的［3］，因此在2 s内，处理、控制输出完全满足标
4 结语
1) 工程实践表明，总回风巷围岩松动圈的大小 在不同断面或同一断面不同部位差异较大。从整个 松动圈测试结果来看，巷道围岩松动范围较大，应考 虑锚杆长度与松动圈匹配问题; 在条件具备情况下， 建议对已施工巷道采用锚注支护，以确保巷道围岩 的稳定。
2) 地质雷达可以方便、快捷、有效地探测出巷 道围岩松动圈的范围，特别适合于用声波法难以测 试的煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体的松动圈 的探测。采用地质雷达探测围岩松动圈，其探测结 果比较符合实际，测试数据准确，精度相对较高。能 够预测松动圈的发展趋势，优化支护参数，能有效地 指导支护设计与施工。
松动圈大小 /m 1． 00 ～ 2． 96 1． 67 ～ 2． 89 0． 74 ～ 1． 51
2) 同一断面不同部位松动圈尺寸不同，两帮和 顶板处松动圈大，直墙处松动圈小。
3) 稳定性差的围岩，松动圈厚度大; 稳定性好 的围岩，松动圈厚度较小。
4) 同一断面中，强 度 高 的 岩 体 松 动 圈 厚 度 较 小，强度低的岩体松动圈厚度较大。
泛应用。阐述了用地质雷达测试巷道围岩松动圈的基本原理，提出了松动圈的无损实测方法，并在榆树
井煤矿总回风巷中进行了测试实践。测试获得了总回风巷全断面的松动圈的分布规律，结果表明，总回
风巷围岩松动圈的大小在不同断面或同一断面不同部位差异较大。
关键词: 地质雷达; 巷道围岩; 松动圈
中图分类号: TD353
3． 2 总回风巷距迎头 80 m 处断面松动圈分析 同理可得，围岩松动圈雷达探测图如图 5 所示，
探测范围见表 2。
图 5 总回风巷距迎头 80 m 处断面地质雷达探测图
表 2 总回风巷距迎头 80 m 断面松动圈范围
探测断面位置 探测位置 探测长度 /m 最小值 /m 最大值 /m
总回风 巷 距 掘进 右帮及拱顶 5． 00
围岩松动圈是在地下工程中普遍存在的实际物 理力学状态，对地下工程的稳定性影响较大，是指导 地下工程加固的理论依据。对围岩松动圈的研究引 起了国内外专家学者的高度重视，取得了许多有益 的成果: 在国外，太沙基( K． Terzaghi) 和普氏( М． М． Протодьяконов) ［3］观测到了围岩的松动状态( 坍落 拱) ，首次提出了巷道围岩具有自承能力，至今仍在 国内外浅部地下工程设计中广泛应用; 在国内，董方 庭教授等人经过长期研究，提出围岩松动圈支护理 论［4］，在矿山工程中得到广泛应用。这些理论的运 用，都以已知围岩松动圈的范围为前提，因此测试围 岩松动圈具有较大的实际意义和应用价值。