利用电性参数监测巷道围岩变形模型试验研究

许华丽　许时昂　左汪会　席超强

摘 要：巷道开挖后围岩会发生变形形成相应的松动圈层，使用过程中需要进行动态监测其变形特征。论文利用电阻率测试方法，结合岩石介质变形过程中电性参数改变进行分析，判断其变形与破坏特征。通过相似模拟实验，构建测试系统进行监测，其结果表明，电阻率法能够有效表征围岩变形状况，可在巷道围岩监测中发挥作用。

关键词：电阻率法；巷道围岩；监测；模型试验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.109

0 引言

矿山巷道开挖使用过程中，其围岩介质会发生相应的变形与破坏，因此需要实施相应的监测与判断，为巷道支护技术参数获取提供支撑。目前，对于巷道周边围岩变形与破坏的探查分析技术手段较多，常见的有地质类方法、钻探法、地球物理类等[1]，其中地球物理类测试方法成为发展的重要方向，目前包括地震类、电磁法类、光纤传感类、应力应变类等多种方法，已在工程应用中取得良好的效果。文章采用电阻率测试方法技术，通过构建巷道围岩变形观测模型，布设电阻率测试断面，并与光纤测试方法相对比，系统研究围岩介质变形过程物性参数变化特征。通过讨论方法有效性，掌握岩层变形与破坏特性，为巷道变形破坏范围判断及工程测试应用提供参考。

1 围岩介质变形电阻率测试方法

电阻率法的测试前提是地下岩土介质间的导电性差异。它通过A、B电极向地下供电I，然后在M，N极间测量地位差△U，从而求得该记录点的视电阻率ps=K（△U/I）。视电阻率是地下地层电阻率的综合反映，影响电阻率的因素有矿物成分、含水性、岩石的孔隙度和孔隙结构、层理、温度、压力，反言之某一区域的矿物成分、含水性、岩石的孔隙度和孔隙结构、层理、温度、压力不同时所表现的电阻率也不同，这样电阻率法就可以起到划分地层、圈定异常的作用。巷道围岩在受力条件发生改变后，其形状会发生相应的变化，当岩层结构改变也会引起电阻率值的改变，因此，可以利用电阻率法进行相应的参数测试与评价。

具体来说，可采用电阻率法中网络并行电法进行高精度测試。网络并行电法和常规的电阻率法一样都是利用电性参数的差异进行探查研究的，但网络并行电法比常规的电阻率法更加优越的一点是它可以通过数据采集的拟地震化，进行任意多通道的电法数据采集，效率更高，精度更高，大大减少人力物力。根据采集方式的不同，网络并行电法分为AM法和ABM法两类工作模式。AM法为单点电源供电下的电位数据测量，现场数据采集迅速，且通过对数据进行组合处理，可获得二极、三极等多种装置信息。ABM法为异性点电源供电，数据采集时，供电电极A、B在测线内部进行自动切换配对，同时并行采集其余电极的全场电位数据，对其进行组合抽取，可实现温纳测深四极、温纳偶极、温纳微分和不规则四极等多种装置排列的数据体，大大提高了现场工作效率[2]。同时通过布设固定观测电极系统可以把握巷道围岩在开挖前、中和后的岩层变形过程电性参数变化，进而分析其破坏发育规律[3]。

2 模拟试验与分析

2.1 巷道围岩测试系统构建

本次模型试验在遵循相似原则基础上，确定模型相关参数，进一步构建巷道开挖的实验模型。相似模型要求组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似，包括几何要素和物理要素，其具体体现为模型在形状确定、材料选择和受力环境设计等要具有一定的规律。

其中模拟巷道围岩以细砂岩为主，材料选用砂、石灰和石膏，其质量比例依次为6 ： 0.6 ： 0.4。按1 ： 50比例确定模型尺寸，其具体尺寸为长×宽×高=70cm×50cm×50cm。考虑到侧压力的因素，在模型外侧用木条进行加固以防止模型被胀破。巷道为圆形开挖断面，为了便于操作，用直径为5cm的PVC管代替开挖断面，PVC管距离木槽底部15cm，以5cm/h的速度拉动PVC管模拟巷道断面开挖的进度。在PVC管上方18cm处布置一条电法测线，为便于对比，在巷道断面斜上方布设了2条光纤测试线缆，用于监测开挖过程的断面变形特征。基于现场原岩应力场作用，当模型搭建完成后，在其上方放置40kg砂袋，用于模仿自重应力条件。数据采集在模型定型稳定后进行，且要求试验的整个过程能够保证砂袋重量的不变。

2.2 测试过程与分析

（1）数据采集。数据采集采用AM法进行，将BN线上的B端和N端置于无穷远处，提供参照标准电位，测线上的任意一个电极A供电，其余电极M可以同时采集电位。此次实验的测线上共有24个电极，电极极距为2cm。当1号电极供电时，2-24号电极采集电位；2号电极供电时，3-24号采集电位，以此类推，直到23号电极供电，24号电极采集电位结束。电位的采集过程，电极无须移动，采集系统会自动完成。断面每小时开挖5cm，为保证能测得变形稳定后的数据，故在每次开挖后等待10min后再进行采集数据采集，除此之外，每次开挖前也采集一组数据。由于仪器的先进性，每次数据采集只需要花费2min左右就能完成，工作效率较高。每开挖5cm，就采集两组数据，共开挖了65cm，故共有采了14组数据，历时14h左右。每一次采集的数据都可进行二极、三极等装置的电阻率反演[4]。

（2）数据分析。利用网络并行电法数据处理软件对原始数据进行解编，用AGI进行反演，在迭代次数达到6次时反演终止，此时最大均方误差达到5%。为了观测更加直白明显，将反演文件导入surfer软件，采用克里格网格化方法获得相应的测试剖面电阻率分布图。图2为巷道未开挖状态下背景电阻率的分布情况，即原始视电阻率断面的等值线图。可以看出电性特征明显，电阻率取值范围为10-230Ω·m，其中80%主要分布在40-140Ω·m之间，模型左上角小范围出现230Ω·m左右的高阻。背景电阻率的不均一性是由于材料未混合均匀、未压实致密以及含水量的差异导致的。

由于模型尺寸及其它条件的限制，围岩裂隙发育程度相对较小，为提高分辨率，增大异常效果，对电阻率进行比值计算，即用不同开挖进度下的电阻率比上背景值得到异常系数，比值大于1或小于1均为异常[5]。同时比值法也避免了背景电阻率不均一性的干扰。

图3为巷道开挖过程中断面电阻率比值剖面，其中①②③④依次分别为开挖15cm的电阻率与背景的比值，开挖35cm的电阻率与背景的比值，开挖55cm的电阻率与背景的比值，开挖65cm的电阻率与背景的比值。由图3可以看出在巷道周围颜色变化较明显，异常系数范围为1.2-1.6，这说明在巷道周围电阻率值变化较大，围岩裂隙发育明显，且越靠近巷道变形破碎越严重。

①-④反映的变化规律相似，最大的区别在于色标范围的变化。即随着巷道开挖进度的加大，电阻率值在增大，电阻率异常范围也在扩大。显而易见，①-③的异常区逐渐增大，从而说明围岩松动圈的厚度也越来越大。由③④的对比发现开挖55cm和65cm的色标范围一致，即电阻率不再变化，说明开挖55cm后围岩松动圈不再扩大，从而表明围岩变形破碎程度及变形范围随巷道开挖逐渐加大，但局限于一定的厚度，这是由于位于采空区中部的覆岩逐渐被压实，从而形成了压实稳定区[6-10]。

由上述可知，随着巷道的开挖，电阻率增速越来越大，电阻率越来越高，一定范围后不再变化。根据图件可看出裂隙发育位置为巷道上方5-11cm，可大致确定巷道松动圈位置为开挖断面上方6cm范围内，厚度达到了5cm。

2.3 光纤测试成果对比验证

1号和2号光纤测线位于巷道斜上方34°，1号距离巷道最前方40cm，2号距离巷道最前方20cm。光纤从应变的角度对围岩在开挖过程中的变化进行直接的监测，更加直观的提供对比验证。经数据处理得到了1号和2号光纤所在位置的应变图。由图4（a）和（b）可以看出：巷道在掘进前期变形比较小，总体表现在巷道开挖位置为拉伸状态，说明有细小裂隙开始发育。随着开挖的进行，应变逐渐增大，最大可以达到55με（应变单位）。当开挖到40cm时，应变达到一个临界状态，继续开挖后应变已经不再变化，说明此时围岩经过应力重分布，已经达到稳定状态。光纤的应变分析正好解释了围岩的变形，与上面电阻率法解释的围岩变形相吻合，同时也发现电阻率法可以推断出围岩软动圈的高度，更具有优势性。

3 结束语

通过实验分析发现随着巷道的开挖，围岩电阻率逐渐增大，变形破碎加剧，越靠近巷道，破坏效果越明显，破碎达到一定厚度后不再变化，便形成松动圈。电阻率法可以很好的监测巷道在开挖过程中围岩的变化情况以及裂隙发育情况。巷道从开挖起，一直到受力平衡和体系稳定，或者到结构受损，围岩内部结构一直是在变动，支护和衬砌的内力和外形也在变动之中。在实际工程中只要电阻率监测结果显示异常区，就需要在相应位置进行支护。但是，该方法也有缺陷，它无法解决多解性问题，只能根据反演、拟合的不断逼近，缩小误差范围，可是在大型工程的检验方面，它仍是排除干扰问题，缩小问题范围的快捷有效方法，可以大大缩短工期，减少财力损失。总而言之，电阻率法是确定松动圈范围，判断围岩衬砌是否稳定，指导巷道开挖过程中各种问题的有效方法，在某些程度上，辅助其他方法，如钻探等，可以对问题进行根本的解决。

参考文献：

[1]胡正波.物探方法在提高山岭隧道超前预报精度上的应用研究[D].南昌：东南理工大学，2013.

[2]曹煜.并行直流电法成像技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2008.

[3]董春勇.网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用[D].淮南：安徽理工大学，2009.

[4]王勃，刘盛东，张朋.采用网络并行电法仪进行煤矿底板动态监测[J].中国煤炭地质，2009，21（03）：53-57.

[5]张平松，胡雄武，刘盛东.采煤面覆岩破坏动态测试模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（01）：78-83.

[6]王琳华.大佛寺煤矿采动覆岩裂隙演化规律研究及应用[D].西安：西安科技大学，2013.

[7]唐守华.浅谈公路隧道施工监测设计的几个问题[J].科技资讯，2007（16）：81.

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[9]陈超.光纤传感技术在煤层采动覆岩变形监测中的应用[J].价值工程，2014，33（26）：238-239.

[10]李林林.薄煤层综采工作面自动化技术方案[J].中国高新技术企业，2015（30）：135-136.

作者简介：许华丽（1991-），女，碩士研究生，研究方向：地质工程与地球物理勘探。