基于声波测速的充填体完整性检测

DO10.13374斤.isnl00li3x.2010.10.02 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Oct 2010 基于声波测速的充填体完整性检测 邓代强高永涛”吴顺川朱伟亚) 杜子建” 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)长沙矿山研究院。长沙410012 摘要为检测水泥尾砂充填体内部构造和力学性能，采用钻芯法从采场充填挡墙或相应部位施工覆盖整个采场的地质孔 取样，使用SY-1型声波仪对样品进行声波测试，通过配套软件分析波形和频谱.结果表明：波速和动弹性力学指标的差距源 自强度和疏密构造差异：虽不同充填体声波波速不同，但其声波波形和频谱成分基本相同：声波延时长、主频集中，频谱较简 洁且振幅较高，反映出充填体内部夹杂、孔洞和空穴等缺陷少，结构较完整. 关键词矿山：充填体；检测；频谱分析 分类号TD85334TU41199 Integrality detection of backfill based on acoustic wave veloc ity testing DENG Daiqang)GA)Yong ao)WU Shun chuan ZHUWei-ya DU Zi jan 1)School ofCivil and Env iormental Engneerng University of Science and Technopgy Beijng Beijng 100083 China 2)Changha Instiute ofMnng Research Changha 410012 China ABSTRACT For detcting the n teror confom aton and mechan ics capab ility of cement ailing backfill the samp Ingm etod of bore drilling was adop ted from filling blocking walls or other correspond ng partswhic could cover all he stope to get backfill cores The acostic wave vepcity of he smp les was tested by use of SY-1 tpe acoustic estng apparaus and hen he spectra and wavepms were analyzed by way of correative sofware Testing resu lts indicate the difference beween acoustic wave vepcit and elsticityme chanics ndex derives from the difference of backfill s strength and inner density structure A lthough d ifferent back fill sa ples have d if ferent acostic speeds their acoustic waves have si ilarwavefom s and spectnm components bas ically The acoustic wave w ith a pn ger dehy man spectum convergence sen tentpusness spectra and a h gher swng shows that he backfill has little acuna such as m purities hoes and cavites and its confguraton is integnted KEY WORDS m nes backfill detectian spectm analysis 由物理学可知，声波是由物体机械振动所发出 作为一种贫混凝土类材料，其强度较各种混凝土和 的波动，它在各向同性介质中匀速传播，如遇非连续 岩石低许多，其内部物理构造也有所不同，充填体不 或非均质界面，它在传播过程中会发生反射、绕身等 像上述材料那样质地密实坚硬，因此声波传播具有 现象，其传播路径和波速及振幅、相位将变化使得 其特殊性， 接收信号变弱或波形畸变.对于不同疏密程度介 很多学者对声学测试在岩石、混凝土和冻土工 质，声波传播性能也不同，故常将声波用于材料内部 程等方面的应用做了研究.其中，文献[1-刀 缺陷、匀质性和完整性等检测.通常结构完整、均一 对岩石声学特性的测试丰富了声学研究的实践和理 致密和强度高的材料中声波传播速度快，频谱简洁 论，推动了声学应用的发展：文献[8对冻土声学性 且主频集中，因此声波速度和频谱特征可作为评定 能所做的研究为寒区冻土工程提供了借鉴；对于混 材料均质性和强度等的指标.常规上，充填体 凝土质检，文献[9-10的研究为解决实际问题起到 收稿日期：2009-11-18 作者简介：邓代强(1974)，男.博士研究生：高永涛(1962一)，男.教授，博士生导师.Em1 oyang@vsam

第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 基于声波测速的充填体完整性检测 邓代强 1 ) 高永涛 1) 吴顺川 1) 朱伟亚 2 ) 杜子建 1) 1 ) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2 ) 长沙矿山研究院, 长沙 410012 摘 要 为检测水泥--尾砂充填体内部构造和力学性能, 采用钻芯法从采场充填挡墙或相应部位施工覆盖整个采场的地质孔 取样, 使用 SY--1型声波仪对样品进行声波测试, 通过配套软件分析波形和频谱.结果表明:波速和动弹性力学指标的差距源 自强度和疏密构造差异;虽不同充填体声波波速不同, 但其声波波形和频谱成分基本相同;声波延时长、主频集中、频谱较简 洁且振幅较高, 反映出充填体内部夹杂、孔洞和空穴等缺陷少, 结构较完整. 关键词 矿山;充填体;检测;频谱分析 分类号 TD853.34;TU411.99 Integralitydetectionofbackfillbasedonacousticwavevelocitytesting DENGDai-qiang1) , GAOYong-tao1) , WUShun-chuan1) , ZHUWei-ya2) , DUZi-jian1) 1 ) SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2 ) ChangshaInstituteofMiningResearch, Changsha410012, China ABSTRACT Fordetectingtheinteriorconformationandmechanicscapabilityofcement-tailingbackfill, thesamplingmethodofbore drillingwasadoptedfromfillingblockingwallsorothercorrespondingpartswhichcouldcoverallthestopetogetbackfillcores.The acousticwavevelocityofthesampleswastestedbyuseofSY-1 typeacoustictestingapparatus, andthenthespectraandwaveforms wereanalyzedbywayofcorrelativesoftware.Testingresultsindicatethedifferencebetweenacousticwavevelocityandelasticityme￾chanicsindexderivesfromthedifferenceofbackfill' sstrengthandinnerdensitystructure.Althoughdifferentbackfillsampleshavedif￾ferentacousticspeeds, theiracousticwaveshavesimilarwaveformsandspectrumcomponentsbasically.Theacousticwavewithalon￾gerdelay, mainspectrumconvergence, sententiousnessspectraandahigherswingshowsthatthebackfillhaslittlelacunasuchasim￾purities, holesandcavitiesanditsconfigurationisintegrated. KEYWORDS mines;backfill;detection;spectrumanalysis 收稿日期:2009-11-18 作者简介:邓代强 ( 1974— ), 男, 博士研究生;高永涛 ( 1962— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:gaoyongt@vip.sina.com 由物理学可知, 声波是由物体机械振动所发出 的波动, 它在各向同性介质中匀速传播, 如遇非连续 或非均质界面, 它在传播过程中会发生反射 、绕身等 现象, 其传播路径和波速及振幅 、相位将变化, 使得 接收信号变弱或波形畸变.对于不同疏密程度介 质, 声波传播性能也不同, 故常将声波用于材料内部 缺陷 、匀质性和完整性等检测 .通常结构完整 、均一 致密和强度高的材料中声波传播速度快 、频谱简洁 且主频集中, 因此声波速度和频谱特征可作为评定 材料均质性和强度等的指标 [ 1--12] .常规上, 充填体 作为一种贫混凝土类材料, 其强度较各种混凝土和 岩石低许多, 其内部物理构造也有所不同, 充填体不 像上述材料那样质地密实坚硬, 因此声波传播具有 其特殊性. 很多学者对声学测试在岩石、混凝土和冻土工 程等方面的应用做了研究 [ 1--10] .其中, 文献 [ 1--7] 对岩石声学特性的测试丰富了声学研究的实践和理 论, 推动了声学应用的发展;文献[ 8] 对冻土声学性 能所做的研究为寒区冻土工程提供了借鉴;对于混 凝土质检, 文献[ 9--10]的研究为解决实际问题起到 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .10 .002

第10期 邓代强等：基于声波测速的充填体完整性检测 。1249 了一定作用.充填体方面，文献[1]在充填接顶问 的关系为1 题中应用了声波探测，为类似工程提供了示范：文献 [12]为掌握实验室制作的充填体性能也采用了声 V= E 1-y 4) Np(1+Y)(1-2y) 波测试.目前，对原位钻芯充填体的声学研究较少， 相关文献也不常见，采用充填法开采的大量矿山进 V- N2P(1+Y) (5) 入二步骤回采时都会涉及充填体质量调查问题，声 波检测作为一种行之有效的方法必将会活跃此方面 纵、横波速比为 的研究.为充分回收资源和实现二步骤安全开 V 21-Y) (6) 采，基于声波测速并结合分析频谱，本文进行了 VN1-2) 介质动弹性模量E,动剪切模量G、动体积模 原位钻孔取样的充填体完整性测试，研究对检测充 量K与纵波波速和横波波速V存在下列关 填体质量具有现实作用. 系I5 1声波测定技术理论 E pg(3-4g) 一 (7) 在弹性介质中声波传播波速、波长和频率等是 声学测定的常用参数波速测量在探伤、定位和测距 G=pV. 8) 中应有较广，许多领域使用声波来查知介质内部构 (9) 造.在岩土力学中常用声波来鉴定材料力学和完整 K=一青 性特征，此法对检测岩土结构适用性强.声波在混 工程中一般由实验得到岩土介质的声波传播速 凝土中传播遵循Snel定律·，见图↓当遇到异质 度，再用公式算出各动态模量，以供分析使用.实际 界面或缺陷时会产生反射、折射等现象，并以此来判 应用中横波测试较难，非专业测试准确性难以保证， 断内部缺陷 通常都以纵波波速来进行研究6-.使用声波波速 及衰减进行材料检测不能充分利用接收波信息，而 在时域和频域分别分析波形、波谱可获得更多信息， 因而声波频谱分析愈见重要.对岩石和混凝土声波 频谱研究可反应介质内部物理性状，介质完整性决 定其频谱形状，为在介质声波测试的基础上深入分 析其内部构造对强度的影响，须对所测声波波形进 图1声波在混凝土试件中传播的几种情形 Fg1 Seveml cases of acoustic wave transmitting n concrete speci 行频谱分析4 men 2纵波波速测定 作为一种弹性介质，声波在混凝土类材料中通 2.1实验仪器简介 常以下面的波动方程传播1： 充填体声速测定是为了解其声传播特性，进而 pR=(a+A△·D4@D (1) 推断其质量而采取的手段.测试所用SY-1型声波 式中，P为密度，为时间变量，入和以为拉梅模量，D 仪是智能化仪器，采用专用机内电脑与液晶显示器， 为位移矢量 用键盘和显示器进行人机互访，由随机软件采集数 膨胀位移势梯度△中与旋转位移势旋度中×少 据并打印结果，仪器可在断电情况下自动保存数据 的矢量和为介质中弹性波传播产生的位移矢量D 以备处理或可用机内串行接口与微机通信 因此可得出纵、横波波动方程3， 2.2实验测试 寻中 本实验采用尺寸基本相同的充填体芯试件，扩 0开=(+2严A4 (2) 散衰减不会造成各样品声谱特征差异，测试时用该 声波仪的发射和接收探头接触用黄油耦合的试件端 (3) 面.开机测试之前须测定系统延时测试时仪器 式中，中为膨胀位移位函数，为旋转位移位函数. 会自动减去从仪器屏幕中读出纵波在试件中的 由弹性理论可知，在各向同性无限体中纵波波 走时，t然后根据试件长度I用下式计算纵波波速 速和横波波速V与介质弹性模量E和泊松比Y 测试流程见图2

第 10期 邓代强等:基于声波测速的充填体完整性检测 了一定作用.充填体方面, 文献 [ 11] 在充填接顶问 题中应用了声波探测, 为类似工程提供了示范;文献 [ 12]为掌握实验室制作的充填体性能也采用了声 波测试.目前, 对原位钻芯充填体的声学研究较少, 相关文献也不常见, 采用充填法开采的大量矿山进 入二步骤回采时都会涉及充填体质量调查问题, 声 波检测作为一种行之有效的方法必将会活跃此方面 的研究 .为充分回收资源和实现二步骤安全开 采 [ 13] , 基于声波测速并结合分析频谱, 本文进行了 原位钻孔取样的充填体完整性测试, 研究对检测充 填体质量具有现实作用 . 1 声波测定技术理论 在弹性介质中声波传播波速 、波长和频率等是 声学测定的常用参数, 波速测量在探伤 、定位和测距 中应有较广, 许多领域使用声波来查知介质内部构 造.在岩土力学中常用声波来鉴定材料力学和完整 性特征, 此法对检测岩土结构适用性强 .声波在混 凝土中传播遵循 Snell定律 [ 1] , 见图 1, 当遇到异质 界面或缺陷时会产生反射、折射等现象, 并以此来判 断内部缺陷. 图 1 声波在混凝土试件中传播的几种情形 Fig.1 Severalcasesofacousticwavetransmittinginconcretespeci￾men 作为一种弹性介质, 声波在混凝土类材料中通 常以下面的波动方程传播 [ 1--2] : ρ 2D t 2 =( λ+μ)Δ Δ · D+μΔ 2 D ( 1) 式中, ρ为密度, t为时间变量, λ和 μ为拉梅模量, D 为位移矢量. 膨胀位移势梯度 Δ 与旋转位移势旋度 ×ψ 的矢量和为介质中弹性波传播产生的位移矢量 D, 因此可得出纵 、横波波动方程 [ 2] : ρ 2 t 2 =(λ+2μ)Δ 2 ( 2) ρ 2 ψ t 2 =μΔ 2ψ ( 3) 式中, 为膨胀位移位函数, ψ为旋转位移位函数 . 由弹性理论可知, 在各向同性无限体中纵波波 速 Vp和横波波速 Vs与介质弹性模量 E和泊松比 γ 的关系为 [ 1--3] Vp = E ρ · 1 -γ ( 1 +γ) ( 1 -2γ) ( 4) Vs = E 2ρ · 1 ( 1 +γ) ( 5) 纵 、横波速比为 Vp Vs = 2( 1 -γ) ( 1 -2γ) ( 6) 介质动弹性模量 Ed、动剪切模量 Gd、动体积模 量 Kd与纵波波速 Vp和横波波速 Vs存在下列关 系 [ 5--8] : Ed = ρV 2 s( 3V 2 p -4V 2 s) V 2 p -V 2 s ( 7) Gd =ρV 2 s ( 8) Kd =ρ V 2 p - 4 3 V 2 s ( 9) 工程中一般由实验得到岩土介质的声波传播速 度, 再用公式算出各动态模量, 以供分析使用 .实际 应用中横波测试较难, 非专业测试准确性难以保证, 通常都以纵波波速来进行研究 [ 6--7] .使用声波波速 及衰减进行材料检测不能充分利用接收波信息, 而 在时域和频域分别分析波形、波谱可获得更多信息, 因而声波频谱分析愈见重要.对岩石和混凝土声波 频谱研究可反应介质内部物理性状, 介质完整性决 定其频谱形状, 为在介质声波测试的基础上深入分 析其内部构造对强度的影响, 须对所测声波波形进 行频谱分析 [ 4] . 2 纵波波速测定 2.1 实验仪器简介 充填体声速测定是为了解其声传播特性, 进而 推断其质量而采取的手段 .测试所用 SY--1型声波 仪是智能化仪器, 采用专用机内电脑与液晶显示器, 用键盘和显示器进行人机互访, 由随机软件采集数 据并打印结果, 仪器可在断电情况下自动保存数据 以备处理或可用机内串行接口与微机通信 . 2.2 实验测试 本实验采用尺寸基本相同的充填体芯试件, 扩 散衰减不会造成各样品声谱特征差异 .测试时用该 声波仪的发射和接收探头接触用黄油耦合的试件端 面 .开机测试之前须测定系统延时 t0, 测试时仪器 会自动减去 t0, 从仪器屏幕中读出纵波在试件中的 走时 t, 然后根据试件长度 L用下式计算纵波波速 Vp, 测试流程见图 2. · 1249·

。1250 北京科技大学学报 第32卷 黄油耦合 =- (10) 试件 黄油耦合 兵发射探头 接收探头 为便于研究，由式(6)计算出横波波速近似解， S 纵、横波波速见表1其中RP分别代表矿房和矿 声波仪 确定系统延迟时间 柱.经数据统计，可得出各钻孔位置对应序号的充 000 填体声波波速与其密度的关系曲线见图3 000 根据相关公式可计算出介质的各种动弹性力学 图2试件声波测试 指标见表2 F路2 Acoustic wave testing of specm ens 表1充填体试件声波波速测定平均值 Table1 Mean vajues of acoust ic wave velocity of backfill samples 方位角， 倾角， 试件数， Vp/ V 序号 钻孔位置 编号 B(°) a/(°) n (ms1) (km1) 5P下盘 GZK-385-1 25 5 13 0188 1.928 1.195 2 7P下盘 GZK-385-2 215 18 0225 2309 1.376 2R上盘 GZK-400-1 》 50 6 0224 2228 1.329 4 3R上盘 GK-40-1A 小 0210 2260 1.369 11R下盘 GZK-510-2 215 11 0167 1.826 1.155 3R上盘 GZK-510-3 40 0223 2563 1.530 3.0 3.0 由表1、表2和图3看出，结构紧凑致密的充填 2.5 2.5 体声速高、动弹性力学参数值大结构疏松则声速 520 低、动弹性力学参数值小，这点可与密度测定结果吻 合，说明结构致密有助于提高充填体抵抗动载破坏 1.5 的能力.从实验数据还看出，充填体声波传播速度 1.0 和各动弹性力学参数远低于岩石和普通混凝土的对 0.5 0.5 应值，说明充填体密度和强度都较岩石和混凝土的 0 3 4 56 为低，这与工程实际能较好地对应. 序号 2.3声波波形及频谱分布特性分析 图3充填体声波波速与密度关系 Fg 3 Relati on of backfills acoustic wave vekc it wit its densit SY-1型声波仪采样间隔为0.1一30.1m,s一次 表2各种动弹性力学指标计算值 Table2 Ca kula ed va lues of dynamic elasticmechanics ndex 序号 钻孔位置 编号 P/(tm-) Ea/GPa Ga/GPa K/GPa 1 5P下盘 GK-385-1 1.676 5.689 2.395 3.038 2 7印下盘 GK-385-2 1.768 8199 3.346 4971 3 2R上盘 GK-400-1 1.739 7.518 3.71 4542 4 3R上盘 GZK-460-1A 1.895 &599 3.552 4947 5 11产R下盘 GK-510-2 1.583 4.929 2.113 2464 6 3R上盘 GK-510-3 2113 1211 4949 7.287 可任意抽样存取3MB与微机联机通信，通过配套 频谱成分基本相同，声波延时长、主频集中、频谱较 软件进行频谱分析.部分充填体声波波形及频谱分 简洁且声波振幅较高，反映出充填体内部结构完整， 布特性见图4 夹杂、孔穴和间隙少，不至于对整体结构产生不利影 从表1、表2和图4可看出，虽然不同充填体声 响.对井下原位取样的充填体特性声波测试将为下 波速度及各种动弹性力学指标不同，但其声波波形、 一步稳定分析提供基础资料

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 2 试件声波测试 Fig.2 Acousticwavetestingofspecimens Vp = L t-t0 = L Δt ( 10) 为便于研究, 由式 ( 6)计算出横波波速近似解, 纵 、横波波速见表 1, 其中 R、P分别代表矿房和矿 柱 .经数据统计, 可得出各钻孔位置对应序号的充 填体声波波速与其密度的关系曲线, 见图 3. 根据相关公式可计算出介质的各种动弹性力学 指标, 见表 2. 表 1 充填体试件声波波速测定平均值 Table1 Meanvaluesofacousticwavevelocityofbackfillsamples 序号 钻孔位置 编号 方位角, β /( °) 倾角, α/( °) 试件数, n γ Vp/ ( km·s-1 ) Vs/ ( km·s-1 ) 1 5 #P下盘 GZK-385-1 215 5 13 0.188 1.928 1.195 2 7 #P下盘 GZK-385-2 215 5 18 0.225 2.309 1.376 3 2 #R上盘 GZK-400-1 40 50 6 0.224 2.228 1.329 4 3 #R上盘 GZK--460- 1A 30 5 3 0.210 2.260 1.369 5 11 #R下盘 GZK-510-2 215 5 11 0.167 1.826 1.155 6 3 #R上盘 GZK-510-3 40 5 4 0.223 2.563 1.530 图 3 充填体声波波速与密度关系 Fig.3 Relationofbackfillsacousticwavevelocitywithitsdensity 由表 1、表 2和图 3看出, 结构紧凑致密的充填 体声速高、动弹性力学参数值大, 结构疏松则声速 低 、动弹性力学参数值小, 这点可与密度测定结果吻 合, 说明结构致密有助于提高充填体抵抗动载破坏 的能力 .从实验数据还看出, 充填体声波传播速度 和各动弹性力学参数远低于岩石和普通混凝土的对 应值, 说明充填体密度和强度都较岩石和混凝土的 为低, 这与工程实际能较好地对应. 2.3 声波波形及频谱分布特性分析 SY--1型声波仪采样间隔为 0.1 ～ 30.1 ms, 一次 表 2 各种动弹性力学指标计算值 Table2 Calculatedvaluesofdynamicelasticmechanicsindex 序号 钻孔位置 编号 ρ/( t·m-3 ) Ed/GPa Gd/GPa Kd/GPa 1 5 #P下盘 GZK-385--1 1.676 5.689 2.395 3.038 2 7 #P下盘 GZK-385--2 1.768 8.199 3.346 4.971 3 2 #R上盘 GZK-400--1 1.739 7.518 3.071 4.542 4 3 #R上盘 GZK- 460-1A 1.895 8.599 3.552 4.947 5 11 #R下盘 GZK-510--2 1.583 4.929 2.113 2.464 6 3 #R上盘 GZK-510--3 2.113 12.11 4.949 7.287 可任意抽样存取 3 MB, 与微机联机通信, 通过配套 软件进行频谱分析 .部分充填体声波波形及频谱分 布特性见图 4. 从表 1、表 2和图 4可看出, 虽然不同充填体声 波速度及各种动弹性力学指标不同, 但其声波波形、 频谱成分基本相同, 声波延时长、主频集中 、频谱较 简洁且声波振幅较高, 反映出充填体内部结构完整, 夹杂、孔穴和间隙少, 不至于对整体结构产生不利影 响 .对井下原位取样的充填体特性声波测试将为下 一步稳定分析提供基础资料. · 1250·

第10期 邓代强等：基于声波测速的充填体完整性检测 。1251" 57.8 t/us 50 7 53.01 -327 870 47. 5 d 5304 -32.4 870 53.01 70 图4部分充填体试件声波波形及颍谱图.（样品上（样品2(9样品3（山样品4 F4 Acoustic wavefms and spectm of backfill specmens (a Specmen (b Specimen 2 (c Specmen3 d)Specmen4 3结论 随之变化，此时需针对矿山具体情况进行分析研究. 参考文献 (1金属矿山采用充填法开采时，当充填体力 学性能可靠、结构完整且均一致密，则二步骤矿柱回 [I]LiZ D RodmassTestng Technfue Beijng Memllurgical ndus ty Press 1993 采时充填体就不会片邦或垮落较少，从而降低贫损 (李造鼎.岩体测试技术.北京：冶金工业出版社，1993) 率.利用声波测试对影响充填材料性质的各种因素 [2 Ma RT Rock sonicwave inspection technobgy and its application 进行分析，掌握其变化规律，对其进行调节和控制， o detem inng wave speed in tnnel surounding ods Railway 有利于降低充填成本和改善充填体力学性能进而 Dg2006(10):37 达到控制地压、防止地陷、保证开采安全及提高资源 (马荣田.岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体波速测试中 的应用.铁道建筑，2006(10)：37) 回收率的目的 3 Pu C J GuoX B Zhang Z C et a.l Ama psis of mooth basting (2将声波测试应用于充填体完整性检验的结 for damnification of skpe rema ining rock mass J Soutwest Univ 果表明，声波在充填体中传播速度普遍较在岩石和 Sci Techno1200621(2):26 混凝土中低得多，说明充填体强度远小于岩石和混 (蒲传金，郭学彬，张志呈，等光面爆破对边坡保留岩体损伤 凝土，此点在相关文献中不难查证.声波波形和频 规律分析.西南科技大学学报，200621(2)：26) Sun QX WuZ J A sudy of rockmass acousticwave esting on 谱分析表明充填体强度虽低，但其结构均一完整，基 13 orebaly in Huize LeadZinc Mine Hunan Non ferous Met 本无裂缝、孔洞和夹杂等缺陷.分析其原因，是由于 200420(2):5 充填体为人工岩土材料采场中过饱和充填料浆中 孙清祥，吴壮军.会泽铅锌矿一号矿体岩体声波测试研究.湖 的气泡己在沉降固结过程中排出，充填体地质历史 南有色金属，200420(2)：5) 短，不像地下岩体那样经历过漫长的地质年代其间 I习 Lu TS Shao A I A sudy on the oock mechanics and m icro 饱受地下水冲蚀和地震、地热和地壳运动等的剧烈 stucture feamires of oc in Fengfeng No 5 Coal Mine Mn Res Dey200222(4):14 作用. (刘唐生，邵爱军.峰局五矿岩石力学及微结构特征的研究.矿 (3)充填体原位取样钻孔贯穿整个采场，试件 业研究与开发，20222(4)：14) 由充填体芯不同位置截取而得，基本覆盖了采场各 [6 Pofessional Standards Compila tion Group of Peop le's Repub lic of 部位，因此研究具有一定代表性.在井下若将测点 China S1264-2001 Specifica tions forRockTess in Water Conser 布设在采场充填体的不同区域还可对地下大体积 ancy and Hydoeleetriongneerng Beijng China W ater Pover Pe552001 充填体的应力分布情况做出一定程度的判断.对于 (中华人民共和国行业标准编写组.S264一2001水利水电工 不同矿山的不同骨料如戈壁料、碎石和块石)充填 程岩石实验规程.北京：中国水利水电出版社，2001) 体，由于其颗粒改变，声波在其中穿越传播的过程也 【7 You MQ 9I CD LiX S Sudyon relation beweenmechan ical

第 10期 邓代强等:基于声波测速的充填体完整性检测 图 4 部分充填体试件声波波形及频谱图.( a) 样品 1;( b) 样品 2;( c) 样品 3;( d) 样品 4 Fig.4 Acousticwaveformsandspectraofbackfillspecimens:( a) Specimen1;(b) Specimen2;(c) Specimen3;( d) Specimen4 3 结论 ( 1)金属矿山采用充填法开采时, 当充填体力 学性能可靠、结构完整且均一致密, 则二步骤矿柱回 采时充填体就不会片邦或垮落较少, 从而降低贫损 率.利用声波测试对影响充填材料性质的各种因素 进行分析, 掌握其变化规律, 对其进行调节和控制, 有利于降低充填成本和改善充填体力学性能, 进而 达到控制地压 、防止地陷 、保证开采安全及提高资源 回收率的目的 . ( 2)将声波测试应用于充填体完整性检验的结 果表明, 声波在充填体中传播速度普遍较在岩石和 混凝土中低得多, 说明充填体强度远小于岩石和混 凝土, 此点在相关文献中不难查证 .声波波形和频 谱分析表明充填体强度虽低, 但其结构均一完整, 基 本无裂缝 、孔洞和夹杂等缺陷 .分析其原因, 是由于 充填体为人工岩土材料, 采场中过饱和充填料浆中 的气泡已在沉降固结过程中排出, 充填体地质历史 短, 不像地下岩体那样经历过漫长的地质年代, 其间 饱受地下水冲蚀和地震、地热和地壳运动等的剧烈 作用 . ( 3)充填体原位取样钻孔贯穿整个采场, 试件 由充填体芯不同位置截取而得, 基本覆盖了采场各 部位, 因此研究具有一定代表性 .在井下若将测点 布设在采场充填体的不同区域, 还可对地下大体积 充填体的应力分布情况做出一定程度的判断.对于 不同矿山的不同骨料 (如戈壁料、碎石和块石 )充填 体, 由于其颗粒改变, 声波在其中穿越传播的过程也 随之变化, 此时需针对矿山具体情况进行分析研究 . 参 考 文 献 [ 1] LiZD.RockmassTestingTechnique.Beijing:MetallurgicalIndus￾tryPress, 1993 (李造鼎.岩体测试技术.北京:冶金工业出版社, 1993) [ 2] MaRT.Rocksonic-waveinspectiontechnologyanditsapplication todeterminingwavespeedintunnelsurroundingrock.Railway Eng, 2006( 10) :37 (马荣田.岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体波速测试中 的应用.铁道建筑, 2006( 10) :37) [ 3] PuCJ, GuoXB, ZhangZC, etal.Analysisofsmoothblasting fordamnificationofsloperemainingrockmass.JSouthwestUniv SciTechnol, 2006, 21( 2) :26 (蒲传金, 郭学彬, 张志呈, 等.光面爆破对边坡保留岩体损伤 规律分析.西南科技大学学报, 2006, 21 ( 2) :26) [ 4] SunQX, WuZJ.Astudyofrockmassacoustic-wavetestingon 1 # orebodyinHuizeLead-ZincMine.HunanNonferrousMet, 2004, 20( 2) :5 (孙清祥, 吴壮军.会泽铅锌矿一号矿体岩体声波测试研究.湖 南有色金属, 2004, 20( 2) :5) [ 5] LiuTS, ShaoAJ.Astudyontherockmechanicsandmicro￾structurefeaturesofrockinFengfengNo.5 CoalMine.MinRes Dev, 2002, 22 ( 4) :14 (刘唐生, 邵爱军.峰局五矿岩石力学及微结构特征的研究.矿 业研究与开发, 2002, 22( 4 ) :14) [ 6] ProfessionalStandardsCompilationGroupofPeoplesRepublicof China.SL264— 2001 SpecificationsforRockTestsinWaterConser￾vancyandHydroelectricengineering.Beijing:ChinaWaterPower Press, 2001 (中华人民共和国行业标准编写组.SL264— 2001水利水电工 程岩石实验规程.北京:中国水利水电出版社, 2001) [ 7] YouMQ, SuCD, LiXS.Studyonrelationbetweenmechanical · 1251·

。1252 北京科技大学学报 第32卷 Properties and pngiud inal wave ve bcities for daaged rock sam 10]Kmuse M Mieknt E Ultrasonic maging of concretemembers Ples Chin J RockMech Eng 2008 27(3):458 using an army systemn NDT E ht 2001.34 (6):403 (尤明庆，苏承东，李小双.损伤岩石试样的力学特性与纵波速 11]LiSl,Mao JH Sang YE Esmate research ofbackfill n spope 度关系研究.岩石力学与工程学报，200827(3)：458) of Fakou LeaLZnc Mine Hunan Nonfemous Met 1996 12 【习W ang DY Zhu YI,Zhao SP et a)Sudy an expermental de （2):21 tem imaton of the dynamic e lasticmechanical param eters of frozen (李庶林，毛建华，桑玉发.凡口铅锌矿采场充填体状态调查. soil by ultasonic technue Chin JGetech Eng 2002 24(5): 湖南有色金属，199612(2)：21) 612 【12 WangX J Zeng J Qirg Y H et al Test and study of filling (王大雁，朱元林，赵淑萍，等.超声波法测定冻土动弹性力学 body qua lity based on sonicwave velocitym easurement Sci Tech 参数实验研究.岩土工程学报，2002245)：612) no1EDg20077(23):6180 [9 Zhu J$SongY P Research on atgue damageof concrete under (王晓军，曾健，秦艳华，等.基于声波波速测试充填体质量实 biaxial conpessive bad ing using ultrasonic vebcity me thod Chin 验研究.科学技术与工程，2007.7(23)：6180) J Rock Meh Eng200423(13):2230 B]YangCX LuoZQ HuG B etal Applicatin of amicrseis (朱动松，宋玉普.混凝土双轴抗压疲劳损伤特性的超声波速 m icmaioring systm in deep mining J Univ SciTechnol Bei 法研究.岩石力学与工程学报，200423(13)：2230) ing200714(1):6

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 propertiesandlongitudinalwavevelocitiesfordamagedrocksam￾ples.ChinJRockMechEng, 2008, 27 ( 3) :458 (尤明庆, 苏承东, 李小双.损伤岩石试样的力学特性与纵波速 度关系研究.岩石力学与工程学报, 2008, 27( 3) :458) [ 8] WangDY, ZhuYL, ZhaoSP, etal.Studyonexperimentalde￾terminationofthedynamicelasticmechanicalparametersoffrozen soilbyultrasonictechnique.ChinJGetechEng, 2002, 24 ( 5 ): 612 (王大雁, 朱元林, 赵淑萍, 等.超声波法测定冻土动弹性力学 参数实验研究.岩土工程学报, 2002, 24( 5) :612) [ 9] ZhuJS, SongYP.Researchonfatiguedamageofconcreteunder biaxialcompressiveloadingusingultrasonicvelocitymethod.Chin JRockMechEng, 2004, 23( 13 ) :2230 (朱劲松, 宋玉普.混凝土双轴抗压疲劳损伤特性的超声波速 法研究.岩石力学与工程学报, 2004, 23( 13) :2230 ) [ 10] KrauseM, MielentzF.Ultrasonicimagingofconcretemembers usinganarraysystem.NDTEInt, 2001, 34 ( 6) :403 [ 11] LiSL, MaoJH, SangYF.Estateresearchofbackfillinstope ofFankouLead-ZincMine.HunanNonferrousMet, 1996, 12 ( 2) :21 (李庶林, 毛建华, 桑玉发.凡口铅锌矿采场充填体状态调查. 湖南有色金属, 1996, 12( 2 ) :21) [ 12] WangXJ, ZengJ, QingYH, etal.Testandstudyoffilling bodyqualitybasedonsonicwavevelocitymeasurement.SciTech￾nolEng, 2007, 7( 23) :6180 (王晓军, 曾健, 秦艳华, 等.基于声波波速测试充填体质量实 验研究.科学技术与工程, 2007, 7( 23) :6180 ) [ 13] YangCX, LuoZQ, HuGB, etal.Applicationofamicroseis￾micmonitoringsystemindeepmining.JUnivSciTechnolBei￾jing, 2007, 14 ( 1) :6 · 1252·