矿山测试技术岩体声波探测技术

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1、7岩体声波探测技术（sonicmethod）7.1.1岩体声波探测技术简介定义：是指以人工的方法，向介质辐射声波，并观测声波在介质中传播的特性，利用介质的物理性质与声波传播速度等参数之间的关系，探测岩体的地质构造、物理和力学性质声波是指频率在20~20000Hz范围内的振动波低于20Hz为次声波，高于20000Hz为超声波属于弹性波勘探超声波探测—频率高、波长短，分辨高，探测范围小地震波探测—频率低(<500Hz)、分辨低，探测范围大声波探测—处于两者之间7.1.2岩体声波探测技术在工程中的作用1.工程岩体进行分类、分级2.评价工程围岩的稳定性包括围岩松弛带范围的测定和围岩稳定性的定

2、期观测3.确定地质剖面、风化层厚度配合进行工程地质勘探钻孔4.岩石和岩体的物理力学性质的测定和估算如动弹性模量、泊松比等5.岩体中存在缺陷如构造断裂、岩溶洞穴的位置、规模，张开裂隙的延伸方向和长度的探测6.工程施工及加固措施效果的检查如爆破、喷锚支护、补强灌浆的质检岩体声波探测技术优点1.给出定量指标以弹性动力学基础，声波引起的介质质点运动与介质的力学特性关系比较密切，对于解决工程地质评价，尤其是岩体稳定评价问题，能给出定量指标2.测试技术简单易行具有简便、快速、经济、便于重复测试、对测试的岩体(岩石)无破坏作用等优点测试成果易得到推广应用，为工程设计和施工得到全面而可靠的数据和资料

3、7.2声波探测基础声波就是在弹性介质中传播的、载有岩体各种信息的弹性波本节介绍声波的物理特征、传播特性、波衰减和声场等有关弹性波的基础知识7.2.1岩体中的弹性波无限介质中的波纵波、横波半无限介质中的波瑞利波、勒夫波岩体存在着一个自由面或在两种岩体之间存在着交界面时，除纵波和横波外，还能产生表面波有限体的介质中的波杆中波速板中波速1.无限介质中的波对于大多数岩石μ=0.25，则无限介质中的波存在两种波：纵波，横波A.纵波质点振动方与波传播方向相平行纵波波速B.横波质点振动方与波传播方向相垂直横波波速C.纵波速度Vp和横波速度VS关系2.半无限介质的波岩体存在着一个自由面将产生表面波：

4、瑞利波瑞利波特点A、瑞利波传播速度vR：小于岩体内的纵波和横波的速度，由下列方程决定可用下面公式近似表示2.半无限介质的波瑞利波特点1B.质点运动轨迹在岩体表面，质点运动轨迹为长轴垂直于表面的椭圆，其长轴与短轴之比为1.468（m=0.25）随面波逐渐深入岩体内部，其长轴与短轴越来越接近，最后成为长轴平行于表面的椭圆C.能量和衰减规律（1）面波的能量主要分布在表面附近，集中在1个波长的深度内（2）随着距离表面深度增加，强度衰减很快（3）与表面平行的方向，能量衰减比纵、横波慢瑞利波特征例子表面震源辐射出的能量为100，则沿着表面的方向上纵波、横波和面波所占的能量比例为：纵波7%，横波2

5、6%，面波67%表面波的能量随表面距离增加衰减的较慢，而且在能量分配上又占一半以上，故在岩体的表面上的面波是最强的优势波在声波探测技术中，专门利用面波进行探测，称为表面波法3.有限介质的波—杆中的纵波在岩性相同的岩样中，有限体的形状不同，其纵波速度不同A.杆中的纵波如果细长圆柱形岩石试块的直径d小于波长λ的1／10时，可视为杆，其纵波波速Vpg为3.有限介质的波—板中的纵波B.板中的纵波当岩石试块在X、Y方向上的尺寸远远大于Z方向的尺寸，而且Z方向的尺寸(即厚度h)比波长小很多时(h<λ/10)，可视为板状体。板中的纵波波速C.有限介质的横波不管在有限体或无限体中，横波的速度都是一样

6、的同一岩石试块是无限体或有限体的关键在于声波波长本节小结讨论重要结论：岩体的波速与力学性质密切关系当岩体的弹性模量E、泊松比μ及密度ρ已知，则岩体的纵波速度Vp和横波速度VS为定值。（正问题）已知Vp、Vs，并知道ρ时，可计算出E，μ（反问题）波速关系Vp>Vs>VR结论是岩体声波探技术的主要理论基础7.2.2描述声波的特征量—振动图振动图(x=x0)波传播过程质点的振幅随距离和时间变化振幅A指声波波形离开平衡点的最大值频率f波峰与波峰之间相隔的时间称为周期，周期的倒数即为频率主频任意一个波都可以分解成不同频率，不同振幅和不同相位的正弦波，主频是振幅最大那个正弦波的频率声波探测中描述

7、声波三个参量：波速、振幅、频率7.2.2描述声波的特征量—波剖面图波剖面图t=t0波长l在一个周期内传播的距离称为波长波数波长的倒数声能密度指介质单位体积内的声波能量，包括动能和势能，动能与介质质点振动速度有关，势能与振幅有关波长=声速×周期=声速/频率7.2.3波场、波阵面、射线1波场：波在传播时所形成物理量在时间和空间的分布状态波前（波阵面）是指在某一时刻，岩体中刚开始震动的各质点所构成的曲面，即已震动区和末震动区的交界面射线：与波前相垂直的法线射线是