地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用.pdf

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1、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，乔卫国，林登阁，门燕青(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

2、动圈中图分类号：TD353文献标志码：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，围岩围岩松动圈是在地下工程中普遍存在的实际物受力状态由三向变成了近似两向，导致围岩应力重理力学状态，对地下工程的稳定性影响较大，是指导新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地地下工程加固的理论依据。对围岩松动圈的研究引下降。此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向，起了国内外专家学者的高度重视，取得了许多有益巷道壁面切应力达到最大值；最小主应力是沿巷道的成果：在国外，太沙基(K．Terzaghi)和普氏(M．M．的径向应力，径向应力

3、在巷道周边为0，向围岩内部IIpOTO)Ib~KOHOB)观测到了围岩的松动状态(坍落逐渐增大。若围岩中集中的应力值大于下降后的岩拱)，首次提出了巷道围岩具有自承能力，至今仍在石强度，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深国内外浅部地下工程设计中广泛应用；在国内，董方部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时庭教授等人经过长期研究，提出围岩松动圈支护理围岩中出现了1个松弛破裂带，即围岩松动圈¨。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、塑性区及用，都以已知围岩松动圈的范围为前提，因此测试围弹性区，如图1所示。岩松动圈具有较大的实

4、际意义和应用价值。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J。其中20世纪7O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J：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。声波法需要钻孑L，图1巷道围岩状态分布图用水作为探头与岩石问的耦合媒介，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。故在收稿日期：2010—07—26煤层、膨胀

5、性泥岩等低强度软弱岩体中，用声波法测基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目试巷道围岩松动圈较为困难，很难大面积推广。(NCET一07—0519)；教育部长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0843)地质雷达探测是一种先进的测试技术，是近10作者简介：孟庆彬(1985一)，男，山东菏泽人，硕士研究余年发展起来的地球物理高新技术方法，其具有分生，主要从事岩体加固理论与应用技术的研究。E—mail：辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、mqbl985@l26．tom。实时图像显示等优点，在岩土工程界和矿山工程等．37．2011年4月矿业安全与环保第38

6、卷第2期领域得到广泛应用。(GSSI)的SIR一3000地质雷达配400MHz的天线。该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射1地质雷达测试原理部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发射地质雷达探测是利用高频电磁波的反射来探测前沿时间为数纳秒以下的电磁脉冲。接收部分由接有电性差异的界面或目标体的一种物探技术。地质收天线、高频放大电路和采样电路构成。接收的高雷达探测时，通过发射天线向地下(或其它方向)频信号被放大后，由采样电路变换为低频信号，送到定向发射脉冲电磁波，当脉冲电磁波传播过程中遇信号处理电路。控制部分是由产生整体装置同步信到有电性差异的界面或目标体(介电常

7、数和电导率号的基准同步信号发生器，控制采样电路的采样控不同)，就会发生反射和散射现象，根据接收天线收制器，处理接收信号的信号处理电路，以及显示处理到的回波信号的振幅、波形和频率等运动学特征来信号的输出显示设备等部分组成。采样数据经一定分析和推断介质结构和物性特征，其工作原理如处理后，由输出显示设备输出探测结果。图2所示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。2．7m目的体图2地质雷达探测原理图地质雷达产生的高