基于超声波的围岩松动圈实时监测系统设计

摘要：实时地掌握围岩松动圈的范围对矿藏的安全生产具有重要的意义。利用超声波探测的灵活性和准确性，本文提出了一种基于超声波的围岩松动圈监测系统设计方法。此方案利用超声波在岩体中的传播速度与岩体的受力状态和裂隙程度的关系来实时地监测围岩松动圈的情况，具有方便、灵活、易于操作等特点。

关键词：超声波检测；围岩松动圈；巷道支护；嵌入式系统

引言

巷道的安全支护在煤矿安全生产中起到重要的作用，也是煤矿安全生产中的难点。对巷道的安全支护的关键是要实时地掌握嗣岩松动圈的破碎状态。

巷道开挖后破坏了原岩的应力平衡状态，从而导致：第一，巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降；第二，围岩中出现应力集中现象。当这种应力超过围岩强度之后，在巷道周边围岩所形成的破碎带便是围岩松动圈。其物理状态表现为破裂缝的增加及岩体应力水平的降低。松动圈测试就是测试开巷后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。参考文献介绍了基于松动圈测试的检测原理相应的测试方法，包括超声波探测法、多点位移计量测法和地质雷达探测法。参考文献中根据震波在不同状态的岩层中传播速度的不同这一原理提出了基于震波的围岩松动圈测试方法。

鉴于超声波测试的简单、易于操作和无损伤等特点，本文提出了一种基于超声波的围岩裂隙监测系统。此系统结合成熟的干孔测试方法，可以方便实时地检测到围岩松动圈的信息，为巷道的安全支护及时提供信息，确保矿藏生产的安全。

1 超声波检测围岩松动圈原理

1．1 超声波在围岩中的形态

当超声波以垂直方向入射岩体时，会同时产生纵波、横波、表面波。根据声学理论，在无限介质中，这三种波的声速分别是：

式中，Vl、Vs、Vr分别为纵波、横波、表面波的声速，E为杨氏模量，ρ为密度，μ为泊松比。通常，在固体中，Vs约为V1的1／2，Vr约为Vs的0．9倍。但是因沿岩体表面方向传播的纵波、横波能量很小，而表面波的能量却高度集中(表面波的能量几乎全部集中到物体表层一个波长的深度内)，故到达近距离内接收换能器的表面波幅度远远大于纵波和横波。本文中，将通过采集超声波在岩石中传播的表面波信息来分析围岩状态。

此外，超声波的传播速度还与岩体结构构造和应力状态有关，声波波速随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加。巷道开挖后，围岩应力将重新分布处于3个应力区：应力集中区、原岩应力区和应力降低区。这三个区的特点：应力降低区(围岩松动圈区)裂隙较多，应力下降，声速低于正常波速；应力集中区应力较高，裂隙压实，声速高于正常波速；原岩应力区应力接近原始应力状态，波速接近正常波速。本文利用超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度的变化来判定围岩的松动范围。

1．2 超声波波速测试方案

根据超声波发送／接收换能器的个数来划分，目前常用的测速方案主要有单发单收和单发双收方式，如图1所示。这些发送／接收换能器都会按照固定的距离放入预先钻好的围岩孔洞。单发单收方案是通过计算从发送端到接收端之间的时间，再根据两端之间的距离来确定测试位置处超声波在围岩中的传播速度。单发双收方案是利用发送端首波经过两个接收端的时间差和两个接收端之间的距离来确定超声波的传播速度。

超声波的传播速度为：