許延春，謝小鋒，董檢平，曹　凱

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

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基礎研究

在相似模擬試驗中利用超聲波檢測技術探測底板破壞深度

許延春，謝小鋒，董檢平，曹凱

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

[摘要]隨著礦井開采深度的增加，工作面底板承壓含水層水壓也逐漸升高。為了更深入研究承壓開采工作面底板破壞規(guī)律，以趙固二礦11050工作面為原型，進行了相似模擬試驗，以石膏塊模擬底板L8灰?guī)r，監(jiān)測底板應力和位移。將超聲波檢測技術應用于底板巖層結構破壞分析上，探測回采前后物性變化，并結合巖體內部波速與力學特征的關系，給出底板巖體破壞的判斷標準。結果表明：隨著工作面推進，底板裂隙逐漸發(fā)育，在工作面后方20m范圍內，底鼓量最大，且位移曲線與應力曲線基本吻合；超聲波探測最終確定底板破壞深度為28～32m，與現(xiàn)場實測結果一致。

[關鍵詞]相似模擬；超聲波探測；底板破壞；承壓開采

隨著礦井開采深度的增加，工作面底板承壓含水層水壓逐漸升高，深部開采突水事故日趨增多，給礦井生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[1-3]。采場底板變形與破壞是底板突水的重要影響因素，查閱相關文獻[4-7]發(fā)現(xiàn)，國內外學者研究底板破壞深度和破壞形態(tài)主要有4種方法：理論計算、數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場實測。其中相似模擬試驗模型鋪設簡單，觀測過程方便，可根據(jù)需要測得模型內各位置應力、位移等參數(shù)，進而得到直觀的底板破壞規(guī)律。文獻[8-9]設計了新的承壓水模擬裝置；文獻[10-11]在二維試驗臺的基礎上研制了三維固流耦合模擬試驗臺；文獻[12-13]研究試驗裝置的結構優(yōu)化。可以看到目前的相似模擬試驗研究重點都是加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的完善，試驗中底板破壞深度及破壞形態(tài)主要通過觀察裂隙發(fā)育情況來判斷，對采動后底板巖層物性變化研究較少。本文以趙固二礦11050工作面為原型進行相似模擬試驗，在工作面回采過程中，監(jiān)測底板應力、位移等參數(shù)，同時利用超聲波檢測技術探測底板巖層波形變化，進而分析其物性變化，并結合巖體內部波速與力學特征的關系，給出底板破壞的判斷標準。試驗以石膏塊模擬底板L8灰?guī)r，這樣既能有效地模擬承壓水對底板巖層產(chǎn)生的垂直荷載，又可模擬承壓水導升后水壓發(fā)生局部降低的特征。該研究為承壓水上開采工作面底板破壞深度探測提供借鑒。

1工程概況

趙固二礦11050工作面主采山西組二1煤層，埋深-680m，為單一近水平煤層，平均傾角5.5°，平均厚度6.32m。工作面傾斜長度180m，走向長度2131m，采用走向長壁一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。煤層直接頂以砂質泥巖、泥巖為主，基本頂為細～粗粒砂巖；底板多為砂質泥巖和粉砂巖，局部為細粒砂巖，偶見炭質泥巖。工作面主要充水水源為底板L8灰?guī)r，其平均厚度8.22m，局部巖溶發(fā)育，富水性強，水壓高達7MPa，而隔水層平均厚度只有32.5m。在如此復雜的水文地質條件下，采用大采高一次采全厚開采，支承壓力在底板中的應力集中程度會更高，無疑會增大底板突水幾率。

2相似模擬試驗

由于L8灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，為了更好地反映其裂隙率，使其更符合實際，試驗前制作若干尺寸為50mm×140mm×20mm(長×寬×高)的石膏塊，模擬L8灰?guī)r層，層狀錯位鋪設，這樣既能有效地模擬承壓水對底板巖層產(chǎn)生的垂直荷載，又能清晰地觀測試驗過程中承壓水導升水壓局部降低后，含水層的運移特征，使測量結果更精確。

2.1相似模擬比例確定及模型建立

試驗臺包括3個系統(tǒng)：框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)?？蚣艹叽鐬?.6m×0.14m×1.3m(長×寬×高)，有效試驗高度1.1m。加載系統(tǒng)包括2部分：模型頂部加載286kg金屬塊模擬上覆巖層自重；底部采用特定剛度彈簧組模擬水壓。監(jiān)測系統(tǒng)包括3部分：超聲波探測；應力監(jiān)測，在煤層下方40mm巖層中埋設一排壓力傳感器，從距邊界300mm處每隔100mm布置1個測點，共11個，從右至左依次編號1～11；位移監(jiān)測，從煤層下方至L8灰?guī)r，共布置1號、2號、3號3條水平測線，每條測線自邊界處每隔100mm布置1個測點，共15個，從右向左依次編號1～15，具體布置如圖1所示。模型左右兩側各留出300mm邊界效應區(qū)，工作面自開切眼從右向左推進，每隔2h向前推進50mm，推進總長度為1000mm。

表1　各分層材料配比

圖1　相似模擬試驗臺布置

2.2相似模擬試驗過程

試驗重點觀察開挖過程中底板破壞情況，如圖2所示。為了便于和實際情況對比，文中在分析試驗結果時，所涉及到的尺寸均是將試驗數(shù)據(jù)按幾何相似比轉換為實際尺寸。

圖2　工作面頂?shù)装迤茐那闆r

從圖2可以看出：工作面推進60m時，直接頂初次垮落，基本頂出現(xiàn)離層裂隙，底板輕微鼓起。推進80m時，基本頂初次垮落，底鼓量明顯增大，同時在開切眼附近底板巖層產(chǎn)生垂直裂隙，裂隙深度約為8m。推進120m時，采空區(qū)頂板大量垮落，底板被部分壓實，底鼓現(xiàn)象緩和。推進140m時，工作面附近區(qū)域產(chǎn)生新的底鼓，同時在距離開切眼60m處，底板巖層產(chǎn)生新的垂直裂隙，裂隙深度約為16m。推進180m時，工作面煤壁處，底板出現(xiàn)明顯的破壞裂隙，同時原有垂直裂隙繼續(xù)向深部擴展，巖層中橫向小裂隙也逐漸發(fā)育，裂隙數(shù)目增加，底板破壞加劇。推進200m時，工作面煤壁附近底鼓量明顯增大，頂?shù)装鍑乐仄茐模装宄霈F(xiàn)大范圍的不同擴展深度的裂隙，同時在承壓含水層位置出現(xiàn)明顯的導升裂隙，有一條較長的裂隙從承壓含水層不斷向上擴展，與上部裂隙貫通，工作面有突水危險。分析認為：底板裂隙產(chǎn)生的時間通常在頂板巖層有較大位態(tài)變化時或其后不久，這個時間段也是礦山壓力最大時。裂隙產(chǎn)生的位置通常在工作面后方20m范圍內的底板巖層中，且與底鼓量大的區(qū)域吻合。底板巖層在煤體邊緣受升降錯動產(chǎn)生的剪應力、向上彎曲產(chǎn)生的拉應力和壓應力的三重作用，且以剪應力為主，當這種復合作用超過底板巖體強度極限時，即產(chǎn)生破壞。

2.3底板應力測量結果及分析

開挖前記錄各測點應力作為初始值，工作面每推進100mm(即實際20m)記錄一次數(shù)據(jù)，將其與初始值比較得到各測點應力變化。從這11個測點中選取距離開切眼20m,80m,140m,200m的4個有代表性測點(即測點2,5,8,11)進行分析，結果如圖3所示。

圖3　有代表性測點應力增量曲線

由圖3可知：隨工作面推進，底板各測點應力變化趨勢一致，都經(jīng)歷了“增大—減小—恢復—穩(wěn)定”的過程，在宏觀上表現(xiàn)為底板的擾動。測點2和5距離開切眼較近，工作面開挖，應力逐漸增加，在工作面經(jīng)過測點之后，采空區(qū)底鼓，底板應力減小?？梢园l(fā)現(xiàn)，各測點應力極大值位置都在工作面推進至該測點之時，分析原因，在工作面推進至測點之前，由于受超前支承壓力影響，底板巖層產(chǎn)生應力集中，因而應力持續(xù)增加，隨著工作面推進，采空區(qū)跨度增大，頂板巖層大量垮落，能量釋放，底板巖層膨脹，應力減小，底板被壓實后，裂隙部分閉合，應力恢復但仍小于初始值。

2.4底板位移測量結果及分析

開挖前記錄各測點三維坐標作為初始值，工作面每推進100mm(即實際20m)記錄一次數(shù)據(jù)，將其與初始值比較得到各測點位移值(即底鼓量)，結果如圖4所示。

圖4　1號測線各測點位移變化曲線

由圖4可知：隨著工作面推進，底板整體向上鼓起，推進距離越大，底鼓量越大。工作面推進80m時，測點5底鼓量達到極大值，此時該測點處底板巖層產(chǎn)生明顯的垂直裂隙。推進140m時，測點8底鼓量達到極大值。推進200m時，測點12底鼓量達到最大值1.6m?？梢园l(fā)現(xiàn)，底鼓量極大值位置都在工作面后方10～20m范圍內，分析原因，是因為在這些測點處，頂板巖層垮落層數(shù)多，能量釋放大，因而誘發(fā)底鼓量大。通過對比1號、3號測線可以發(fā)現(xiàn)：兩排測線各測點位移變化趨勢一致，都隨著工作面推進向上移動，底鼓量增大，但3號測線各測點底鼓量明顯大于1號測線，說明底板距采空區(qū)垂直距離越遠，越接近承壓含水層的區(qū)域，受采動影響變形量越大。對比底板應力曲線與位移曲線可知，底板位移極大值位置滯后于應力極大值位置，但整體趨勢一致，說明底板巖層膨脹，應力釋放，而當采空區(qū)頂板大量垮落，底板被壓實后，應力又有所恢復。

2.5超聲波探測底板破壞深度

超聲波是頻率大于20kHz的機械振動波，其具有精確度高、方向性好，穿透能力強、對模型無損傷等優(yōu)點。工程中主要利用超聲波探傷和檢測，在室內和現(xiàn)場試驗中已有廣泛應用。大量的理論分析和現(xiàn)場試驗表明，巖體內部聲波速度與其力學參數(shù)一樣，與巖體的密度、孔隙率、含水率、內部結構等因素有關，因此波速能綜合反映巖體的力學特征，并作為評估巖體質量的重要參數(shù)。此外，聲波的振幅、頻譜等參數(shù)也攜帶了大量的巖體內部信息，若加以利用，對于分析巖體內部結構特性和破壞過程無疑會提供巨大幫助。基于這樣的事實，本文將超聲波檢測系統(tǒng)引用到相似模擬試驗中模型底板巖層的結構破壞分析上。從工程角度考慮，將巖體視為彈性體，當聲波波長遠小于巖體空間尺寸時，縱波波速Vp和橫波波速Vs與介質性質存在如下關系[14]：

(1)

(2)

式中,E為介質彈性模量;μ為介質泊松比;ρ 為介質密度，將上述兩式相除，得到：

(3)

對于大多數(shù)巖體而言，μ值在0.25左右[14]，代入(3)式得，Vp≈1.73Vs。由此可見，縱波傳播速度快，易于識別，而橫波傳播速度慢，容易受到縱波余波的干擾，識別比較困難。

本試驗采用ZBL-U520型非金屬超聲檢測儀探測底板破壞深度。試驗采用對測方式，將儀器兩極分別放在模型兩側對應測點上，換能器與模型間通過凡士林耦合接觸。超聲波通過巖層時，儀器屏幕上顯示接收到的聲波波形，根據(jù)波形判讀得到縱波在底板巖層中的走時T，而兩測試面間距(即模型架寬度)L已知，由此求得縱波在模型中的傳播速度為：Vp=L/T。當?shù)装鍘r層中發(fā)育有裂隙時，會導致儀器屏幕上首波滯后，據(jù)此判讀的走時T增加，由此計算的縱波波速降低。

由(1)式得：

(4)

根據(jù)經(jīng)驗公式[15]，巖石單軸抗壓強度σc與縱波波速Vp存在如下關系：

σc=12.3Vp2.67

(5)

當介質ρ和μ一定時，如果定義以E或σc降低20%作為巖體破壞的判斷標準，則根據(jù)公式(4)和(5)求得，Vp應降低10%，因此，可以以波速降低10%(即波速明顯異常點)作為底板巖體發(fā)生破壞的判斷標準。

在煤層下方40mm，80mm，140mm，160mm處布置1號、2號、3號、4號4條水平測線，每條測線從距左右邊界各300mm處每隔100mm布置1個測點，共11個，從右至左依次編號1～11。由于采用對測方式，模型前后兩個面上的測點布置必須一一精確對應。開挖前，測量各測點波速作為初始值，工作面每推進100mm(即實際20m)測量1次數(shù)據(jù)，將其與初始值比較可以得到各測點波速變化，分析底板巖層物性變化，進而判定底板裂隙發(fā)育情況及破壞深度。超聲波探測與位移監(jiān)測、應力監(jiān)測同時進行，結果如圖5所示。

圖5　波速測量結果

圖5(a)中，在工作面推進80m時，1號測線測點4波速明顯降低，出現(xiàn)谷點，分析是因為此時頂板巖層初次垮落，能量場發(fā)生變化，底板應力釋放，裂隙產(chǎn)生，底鼓量達到最大。波速減小說明超聲波在傳播過程中能量損耗增加，用裂隙的觀點可以判斷此時測點4處裂隙發(fā)育至8m。繼續(xù)推進，該測點波速持續(xù)降低，推進140m時，測點7出現(xiàn)谷點，說明在位置底板巖層產(chǎn)生了新的裂隙。推進200m時，采空區(qū)跨度達到最大，頂板巖層周期性垮落，底板被部分壓實，裂隙閉合，因而測點5和6波速有所恢復但仍小于初始值，測點10波速明顯降低，說明底板破壞加劇?？梢哉J為測點4處裂隙在工作面推進140m時發(fā)育到最大。圖5(b)中，在工作面推進80m時，2號測線各測點波速有所波動，但變化量不大，說明此時2號測線底板巖層受開采影響較小。推進200m時，對比1號測線可以發(fā)現(xiàn)，測點4,7,10這3個谷點波速繼續(xù)降低，且測點10波速降低幅度大于10%，認為底板破壞深度達到16m。圖5(c)中，只在工作面推進200m時，3號測點10出現(xiàn)谷點，且相對1號，2號測線降低幅度減小，3號測線其他測點無明顯變化，測點10處底板破壞深度達到28m，而測點4,7處裂隙未發(fā)育至此。圖5(d)中，4號測線各測點在整個開挖過程中，波速均沒有明顯變化，說明32m以下底板未產(chǎn)生明顯裂隙。綜合以上分析，工作面推進200m時，認為在測點10位置(即工作面后方20m)底板破壞深度達到最大值，為28～32m。

3現(xiàn)場實測結果

趙固二礦11050工作面底板破壞深度觀測方法采用礦井直流電法中的對稱四極電剖面法。觀測回采前后底板巖體視電阻率變化，判斷其破壞情況，從而確定底板破壞深度。根據(jù)底板破壞深度預計結果施工鉆孔，將專門加工的電纜電極埋入鉆孔并注漿封孔，埋入鉆孔的電纜長度65m，垂深44.3m，沿工作面水平長度34m，電極間距2m。

在工作面回采前后利用直流電法儀觀測底板巖體視電阻率變化。為了解決數(shù)據(jù)多解性問題，采用改變供電極距的辦法，分別采取單倍距、雙倍距和三倍距在同一時期內重復觀測底板巖層視電阻率，以獲取底板破壞深度的唯一解(礙于篇幅所限，觀測結果圖略)。

根據(jù)底板破壞深度地質點空間定位方法及倍數(shù)判據(jù)法[16]，確定選取采動巖層視電阻率大于背景值1.5倍以下地質點作為底板破壞深度的邊界。結合電極位置分析，底板破壞深度極大值位置定位在單倍距31測點，當?shù)装迤茐纳疃劝l(fā)展到極大值時，破壞深度為30.8m，極大值位置與工作面煤壁水平距離為3.4m。可以發(fā)現(xiàn)，超聲波探測結果和現(xiàn)場實測結果一致，說明利用超聲波檢測技術探測底板破壞深度具有一定的參考價值。

4結論

(1)通過相似模擬試驗對承壓開采工作面底板破壞規(guī)律進行了模擬，得出底板破壞動態(tài)變化過程，并獲取了應力場和位移場的變化曲線。

(2)工作面推進距離越大，底鼓量也越大，在工作面后方20m范圍內底鼓量達到最大，且越接近承壓含水層的區(qū)域，其受采動影響變形量越大，位移曲線與應力曲線基本吻合。

(3)利用超聲波探測回采前后底板巖層物性變化，并結合巖體內部波速與力學特征的關系，給出底板破壞的判斷標準，最終確定底板破壞深度為28～32m，與現(xiàn)場實測結果一致。

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[責任編輯:張玉軍]

Ultrasonic Testing of Floor Breakage Depth on Similar Simulation

XU Yan-chun，XIE Xiao-feng，DONG Jian-ping，CAO Kai

(College of Resource & Safety Engineering，China University of mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：Withmining depth increasing，the water pressure of floor confined aquifer increases.In order to study further on floor breakage law，this paper takes Zhaogu NO.2 mine 11050 working face as the prototype.The similar simulation test was carried out.With gypsum block simulating L8limestone，the stress and displacement was monitored.Ultrasonic testing was applied to analysis on structural damage of floor.By testing physical properties during mining，and combining the wave velocity to themechanics feature of rock，the floor breakage criterion was given.The results show that：within 20m behind working face，the displacement of floor is the biggest，and displacement curve accords with stress curve.By ultrasonic testing，the floor breakage depth was 28～32m，which was consistent with the measured results.

Key words：similar simulation；ultrasonic testing；floor breakage；mining above aquifer

[中圖分類號]TD745

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)01-0007-05

[作者簡介]許延春(1963-)，男，河北樂亭人，博士，研究員，博導，研究方向為特殊條件下安全采煤。

[基金項目]中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(31420146066)

[收稿日期]2015-05-14

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.002

[引用格式]許延春，謝小鋒，董檢平，等.在相似模擬試驗中利用超聲波檢測技術探測底板破壞深度[J].煤礦開采，2016，21(1)：7-11.