矿山测试技术岩体声波探测技术资料

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12EGVs2112spVV73.1spVV121)1(EVp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：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01161624822248kkkpssRVVVVksRVV112.187.0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（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26%，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EVpg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(hλ/10)，可视为板状体。板中的纵波波速11111PgpbVEVC.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VpVsVR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声波探测中描述声波三个参量：波速、振幅、频率)/(2sincxtfAy)/(2sin0cxtfAy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)/(2sin0cxtfAy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弹性波由一点向另一点传播时，经过的路程7.2.3波场、波阵面、射线2按波阵面形状声波分类球面波：自震源发出的波，其波前构成一个球面在均匀岩体中，球形震源或点震源将产生的球形波柱面波：波前构成一个柱形面在均匀岩体中，长圆柱体震源或线状震源将产生的柱面波平面波：波前构成一个平面所研究区段取得足够小且距震源足够远，球面波和柱面波也可视为平面波7.2.4波前原理、叠加原理和射线原理波前原理(恵更斯原理)指出（1）波阵面上的每一点都看作是发射次级子波的波源（2）子波朝各个方向传播产生新波（3）新波的包络线是原波的新波前例如：声波的通过小孔扩散叠加原理在弹性介质中，两个波在某区域内相遇，则相遇时波的强度等于它们的代数和(重叠)，若相遇后又重新分开，则此后两个波的传播情况仍好似未曾相遇过一样射线原理（费玛原理）波总是沿射线传播的波沿射线传播从一点达到另一点所需时间是最短的（直线传播）7.2.5波的反射、透射弹性波由一种岩体传到另一种岩体分界面时，会产生反射和透射（折射）现象一般产生四种波：两种透射波：在第二种岩体中传播两种反射波：在第一种岩体中传播1入射波、反射波、透射波之间角度的关系A.角度关系根据斯涅尔定律ssppsspppvvvvv22111sinsinsinsinsin2入射波、反射波、透射波之间振幅的关系斜入射纵波反射纵波振幅ArP和反射横波振幅ArS，透射纵波振幅AtP和透射横波振幅AtS是入射角和介质常数的函数垂直入射纵波没有反射横波和透射横波振幅关系为ppppprprvvvvAAK11221122pppptptvvvAAK1122112介质的密度与波速的乘积称为波阻抗波阻抗相等，不产生反射，界面传递性能最好(耦合)反射系数透射系数3全反射与折射波的形成沿着地层分界面以V2速度进行传播的滑行波一部分再以临界角折射回上面地层1形成折射波21sinsinVVp21sinVV考察地层1和地层2的声波传播速度分别为V1和V2，且V2V1，其交界面为AB。由斯涅尔定律得：当透射角p等于90度时，将出现内部全反射现象，此时，透射波沿界面AB传播，称为滑行波，此时的入射角称为临界角表面观测到三种弹性波图解如果弹性波以临界角入射到分层介质时，在地表能检测到三种传播路径不同纵波：(1)由声源直接传播来的直达波(2)声波传播到交界层面时沿交界面行走一段的滑行波，再折射回上面岩层的折射波(3)声波传到下面岩层上直接反射回来的反射波7.2.6波的绕射（衍射）声波遇到障碍物时，如果障碍物反射系数很大，波将改变传播方向，绕过障碍物传播，产生绕射波例如：入射波波前到达障碍物的边缘A点时，将形成新的波源并绕过障碍物继续向前传播应用：用来探测岩体的裂隙7.2.7波的散射在岩体中传播的波，遇到不光滑的界面时，如果界面上的凹凸处的曲率半径和波长的相比很小，会发生波前的散射波的散射特性，给声波探测带来干扰，是不利因素可以利用散射特性来观察岩体内部结构的破碎程度7.3岩体性质与弹性波传播的关系岩体特性—岩体物理力学性质、地质特征(如岩体风化程度、结构面、含水率、岩体的应力等)在岩体中动应力激发的弹性波有：纵波(p波)、横波(s波)和面波(R波)描述波的传播特征：波形波速、振幅、频率波动特征和岩体特性之间相关性，才能有效利用弹性波来探测岩体特性主要是用纵波波速，横波波速，其次是利用波的振幅特性7.3.2声波速度与岩体特性的关系根据理论分析与实验得知：岩体中声波速度与岩体力学性质声波速度与岩体类型和结构有关声波速度与与周围环境有关声波速度能综合地反映岩体特性7.3.2.1声波速度与岩石力学性质性关系1声波法测定的动弹性模量Ed动弹性模量Ed大于静弹性模量Ej2222243spspsdVVVVVE)(222222spspdVVVV121)1(EVp（1）声波速度与岩体密度的关系（2）声波速度与弹性常数的关系理论上讲声速随密度增加而减小密度增加能使动弹性模量急剧上升而促使声速加大综合的结果：声速随密度增加而增加，而不是减小7.3.2.1声波速度与岩石力学性质性关系2(3)声速与岩体抗压强度的关系岩体的抗压强度是由岩石试块的抗压强度和结构面的性质决定的，是一个综合性指标岩石抗压强度大，声速则高，反之声速低结构面使岩体强度变低，声速变低岩块的抗压强度和波速之间关系为310pnpVAV7.3.2.2声波速度与岩体类型和结构关系1(1)声速与岩石类型的关系实验资料表明，不同类型岩石的声波速度回归曲线7.3.2.2声波速度与岩体类型和结构关系2(2)声速与岩体结构面的关系结构面的存在使声速降低结构面使声速在岩体中传播形成各向异性：垂直结构面方向的声速低，平行于结构而方向的声速高声波速度随岩体风化程度而变化：风化越严重，声速越低评价岩体的结构面情况，可用裂隙系数和完整性系数(3)岩石的孔隙率关系孔隙增加，声速下降很快，其关系下可用下式表示rfVnVnV11fVrV—孔隙中饱和液体的声速—岩石骨架的声速7.3.2.3声波速度与与周围环境的关系1(1)声波速度和围岩应力的关系在三维应力的作用下岩体被压缩，节理闭合、弱面压密、孔隙率降低，弹性性能的增加，声波波速随应力的增加而增加在单向应力作用下，加压方向的声速随应力的增加而增加与加压方向相垂直的方向上声速最初随应力的增加而增加，而后减小在低应力条件下，声速随应力的变化比较显著，在应力较大时，应力变化所引起声速变化较小7.3.2.3声波速度与与周围环境的关系2(2)与环境温度的关系温度上升，声速下降温度下降声波提高，特别当温度下降到0度以下，孔隙中的水变成冰，声速由1500m/s(水)变为3600~4300m/s(-5~-80C冰)7.3.3声波振幅特性与岩体特性的关系声波传播时，振幅随传播的距离增加而减小，出现振幅衰减衰减规律与岩体性质、传播条件和波形有关与声速相比，声波的振幅与岩体性质更为密切声波探测法的一个重要的理论基础测量声波的振幅应用较少衰减机理1—扩散(几何)衰减扩散衰减：当声源为有限面积时，随声波传播距离增加由于波阵面的扩散而引起的声能和声压的减小在理想弹性介质中，介质本身没有能量损耗几何衰减规律在球形波场中，振幅与声源距离的平方成反比在柱面波场中，振幅与声源距离的平方根成反比在理想平面波场中，不存在扩散衰减在声测中，随发射传感器的形式，晶片大