试验主要研究不同宽度的裂隙岩体在注浆前后其内部纵波波速变化规律, 其中预制裂隙宽度设置4 个水平, 分别为0mm (即完整状态), 2mm,3mm, 5mm。试验在未注浆状态、注浆后干式状态、注浆后湿式状态3 种条件下分别测量各试样声参量。
(2) 注浆后干式状态测量
将各岩样垂直轴线等分切割成两段, 每段高50mm, 在两段岩样之间边缘处分别加不同厚度(2mm, 3mm, 5mm) 垫片, 用玻璃胶将垫片与岩样粘合, 以表示固定宽度的裂隙。结合赵固二矿实际情况, 注浆材料按水泥∶黏土=1 ∶3 的比例, 加入适量水配制浆液。用浆液将两段岩样之间裂隙充填满, 稍干后用防水胶带沿四周封住裂隙部位, 防止浆液漏出(图3)。各试样在每种裂隙宽度条件下, 分别测试3次, 平均值。
(3) 注浆后湿式状态测量
在上述干式状态下的各次试验测试完成后, 将各对应试样放入盛满水的水槽中, 静置一段时间, 在水中测试各试样声参量, 即湿式状态, 见图4。
测试结果见表1。
3 试验结果及分析
由表1 可知, 在试样完整状态下, 灰岩中纵波波速相对最高, 为5.9 ~6.2km/s; 其次是砂岩,波速为3.0 ~3.9km/s, 且细砂岩波速高于粗砂岩波速; 泥岩中纵波波速相对最低, 为1.8 ~2.2km/s; 而砂质泥岩和铝质泥岩, 由于受到所含矿物成分的影响, 其波速介于砂岩和泥岩之间, 为2.5 ~3.1km/s, 且铝质泥岩波速高于砂质泥岩波速。一般来说, 岩石的密度由泥岩到砂岩到灰岩逐渐增大, 试验结果表明, 岩石纵波波速与其密度呈非线性正相关关系, 具体规律有待进一步研究。整体对比各类型岩石测试结果可以发现: 不同岩性的岩石纵波波速有很大差异, 且相互之间存在一定范围的交叉; 而即使是同一岩性的岩石, 由于取样地点的不同, 岩石受本身赋存环境的影响, 其内部纵波波速也不完全相同。
3.1 注浆前后波速对比分析
为了更直观地对比在未注浆状态、注浆后干式状态、注浆后湿式状态3 种条件下, 各类型岩石纵波波速与裂隙宽度的关系, 根据表1 作出图5。
由图5 可知, 在试验3 种条件下, 各种岩性的岩石, 其纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小,说明由于裂隙的存在, 声波在不同介质间传播, 传播过程中能量损耗增大, 波速降低。在同一裂隙宽度情况下, 注浆后与未注浆相比, 波速有明显提高, 但均低于初始完整状态下的波速, 说明注浆能有效提高裂隙岩体连续性, 改善其整体力学性能。在裂隙宽度最大(5mm) 时, 未注浆状态下,灰岩中波速由初始值6.152km/s 降低至4.037km/s, 降低了34%; 砂岩中波速由初始值3.757km/s降低至1.237km/s, 降低了67%; 泥岩中波速由初始值2.074km/s 降低至0.686km/s, 降低了67%。而注浆后与注浆前相比, 灰岩中波速提高至5.502km/s, 提高了36%; 砂岩中波速提高至2.638km/s, 提高了113%; 泥岩中波速提高至1.136km/s, 提高了66%。由此可见, 裂隙对砂岩和泥岩中波速的影响幅度最大, 而注浆过程对砂岩和泥岩的改善效果也最明显, 这主要是因为灰岩中波速初始值最大, 而砂岩和泥岩中波速初始值相对较小所致。
3.2 干式湿式状态波速对比分析
从图5 中注浆后干式与湿式状态的对比可知,各种岩性的岩石, 其湿式状态波速均略高于对应的干式状态波速。在试样完整状态下, 干式波速和湿式波速差异不大; 在有裂隙试件干式未注浆时, 与同一试件裂隙注浆后湿式状态相比, 波速相差幅度很大。说明水的存在严重影响着岩石内部声波传播速度, 随着含水量的增加, 岩石声波速度增大。
但是由于岩性不同, 岩石本身的矿物成分、风化程度等因素有很大差异, 不同岩性的岩石中节理裂隙、结构弱面的发育情况也就不同, 使得其具有不同的孔隙率, 完全饱和时, 岩石中吸附的水量有着明显不同, 这种差异会影响岩石内部声波速度。因此, 随着含水量增加, 岩石内部声波速度增大的速率也不完全相同。
水溶液影响岩石声波速度的重要原因是由于水的存在相当于添加润滑剂, 减小了分子间的摩擦力, 使分子活动能力加强。另外, 水溶液作为液体介质, 给纵波提供了良好的传播条件, 因此随着含水量增加, 岩石纵波速度增大。
4 结 论
(1) 试验对不同裂隙宽度情况下岩体内部纵波波速进行了测定, 发现不同岩性的岩石波速相差较大, 且相互之间存在小范围交叉。同一岩性的岩石, 由于各种内部及外部因素的影响, 其波速也存在差异。灰岩中波速相对最高, 其次是砂岩, 泥岩中波速相对最低。
(2) 各类岩性的岩石, 其纵波波速均随着裂隙宽度的增大而减小, 在同一裂隙宽度情况下, 注浆后与未注浆相比, 波速有明显提高。
(3) 各类岩性的岩石, 其湿式状态波速均略高于对应的干式状态波速, 说明含水量对岩石的声波速度会产生重要影响。随着含水量增加, 岩石声波速度增大, 但增大速率不完全相同。
(4) 利用超声波测试岩石内部声波速度可作为评价岩石质量及裂隙岩体注浆加固效果的一种有效手段。
许延春1,2 , 谢小锋1,2 , 李昆奇1,2 , 刘世奇1,2
(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院, 北京100083; 2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京), 北京100083)