矿山测试技术岩体声波探测技术课件演示.ppt

4.剖面法profiling method 定义： 又称沿面法 把发射换能器和接收换能器布置在同一表面上，测量表面直达波传播时间和波形，来判断介质表层性质的方法 应用： 主要用于判断介质的岩体浅部缺陷和材料的性能 5. 钻孔探测法acoustic log 定义：把发射换能器和接收换能器布置在钻孔中，测量孔壁折射波或孔间透射波传播时间和波形，探测岩体特征随孔深变化的方法 分类 单孔测井：发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔，测量折射波 双孔穿透法(双孔法) ：发射换能器和接收换能器分别放入两个钻孔，测量透射波 单孔测井 双孔穿透法 测量时，钻孔中常充满流动性的油类或水作为耦合剂 7.5.3 声波换能器的选择和换能器与介质的耦合 声波换能器频率选择： 岩体越大、越破碎和测距越远，发射传感器的频率应选越低 换能器与被测岩体(石)的耦合 原因：换能器与被测岩面接触时，有一层空气隙。声波在两个界面上将产生反射而损耗能量，反射能量大小与界面两边波阻抗（ρc）有关，波阻抗差别越大，反射能量越大 与换能器、岩石波阻抗相比，空气波阻抗很小，波阻抗差别很大，因而声波从换能器进入空气隙，又从空气隙进入岩体经过两道反射较强的界面，能量损耗很大 耦合方法：将空气隙填满某种波阻抗与岩石和换能器差别不大的介质，使声波从换能器耦合到岩体中去 耦合剂：实现耦合的介质。常用的耦合剂是黄油和水 一般试件测试和平面测试，常用黄油；孔中测试则灌满水 7.6 声波探测的应用 1．地质分类 2．圈定开挖造成的围岩松驰带 3．测定岩体或岩石试件的力学参数 4．工程岩体边坡或地下硐室围岩稳定性的评价 5．探测断层、溶洞、裂隙的位置及规模 6．定量研究岩体风化壳的分带 7．开挖爆破及补强灌浆的质量检查 8．划分浅层地质剖面及确定地下水面深度 9．天然地震及大面积地质灾害的预报 7.6.1 声波测井 目的： 作出地质剖面，划分岩层、确定岩性和含水层位置 圈定构造、节理裂隙发育带及软弱层、岩溶发育位置 对风化壳及岩体完整程度做出定量评价 探测原理 不同的岩层有不同的声速，根据声速作出地质剖面，分析岩层的工程地质 探测方法—单孔高差同步法 在充满水或泥浆的同一孔内放置发射换能器和接收换能器。两者上下间保持一定距离，沿井壁同时上下移动，发射声波，测量折射波，计算声波传播速度 声波测井柱状图 7.6.2 地下岩层位置的探测 利用声波法的走时曲线，探测地下岩层的构造形状和位置 最重要应用之一 两种方法 反射波法、折射波法 1. 反射波法 目的： 探测岩层声速v和岩层厚度h 工作过程： 在T点发射声波，同时在一系列测点x1、x2、……xn记录下反射波到达的时间t 做出时距曲线，求声速v和厚度h 计算原理： 条件：在地表下有一水平反射层面AB ，地层1波速为v，波从界面反射到测点，其行走路径为TCR，走时为t 反射波时距曲线为 反射波法工作方式和时距曲线 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 —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