[实用新型]一种煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试装置

说明书

本实用新型煤矿巷道岩体累积性损伤的声波法测试装置，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。

技术领域

本实用新型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装置。

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。本实用新型实用性好，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。

实用新型内容

本实用新型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装置。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：