陆 华，马肖彤，马占武，何妍亭

（北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021）

破碎矿体不是单一连续的介质，在不同矿体中存在着孔隙、裂隙、气体及液体等，因此在实际工程中，应将矿石作为耦合体进行研究，大量存在于破碎矿体中的液饱和矿石为地质矿物中的一种主要耦合形式的矿体，必须考虑液体对矿石的物理参数和弹性波特性的影响。国内外众多学者对矿体波速的影响关系进行了研究。

Tosaya等[1]就以不同孔隙率和黏土含量的破碎矿物样品为研究对象，研究了纵波波速与其的相互关系。Khaksar等[2]研究了矿体的横波、纵波速度与孔隙度之间的相关关系。刘新荣等人[3]对总结了前人研究成果，得到了含水率与矿石强度之间的关系，无论是抗压强度还是抗拉强度均与含水率呈负相关关系。还有学者研究得到有些矿石的强度与实验条件相关，如在物理变化条件下矿石的强度一般可以恢复，而在化学过程中时矿石的强度的一般是不可逆的[3-6]。张玲[7]等研究了泥岩孔隙度与纵横波速度等参数的变化规律。一些学者开展了矿藏工程方面的地质力学问题研究[8-12]，取得了一些成果。

因此本文利用RSM-SY5超声波测试仪对耦合前后的破碎矿体进行声波测试，探讨不同耦合状态（气固、水固）下的矿体的声波影响因素，为在井下能源开采、可燃气体抽放等工程领域提供一定的参考依据。

1 地质矿物试样的选取和制作

本次试验采用孔隙率较大的破碎矿物，矿物样本取自某开挖工程的施工现场，由于矿石自身的离散型，我们对大块红破碎矿体样本后，用取芯钻机在外观较相对完整均质的地方取芯，直径50mm，经切割、端面打磨制成长度L=100mm，直径的标准试件，根据实验规定[13]测定矿物样品的孔隙率，考虑到矿石自身的离散型较大，因此我们将外形完整，孔隙率相近的矿石作为一组进行耦合试样的制作，分别制成气固体矿石、流固体矿石，并在加工前测试试件的纵波波速。为得到较为准确的饱水状态下的砂岩试件，我们对矿石进行了反复的饱水和晒干实验，直至前后重量差不超过0.05g为止，流固耦合加工方法与水固相同，只是耦合介质为流体，由于流固矿石达到饱和状态的时间比水饱和状态要长，约需一个月，为了保证矿石的饱和状态，在试件加工完成后，我们将样品浸泡在耦合介质中直至进行SHPB撞击试验的时候。

2 实验方法简介

采用RSM-SY5超声波测试仪，对耦合破碎矿体进行声波测试，其工作原理为用人工测试手段从矿物结构及多孔矿物介质中激发限制频率的弹性波，弹性波呈现出的波形信号通过矿物介质传播，超声波测试仪将进行测试，将得出测试结果进行记录，分析破碎矿体超声速度、损伤情况、破坏程度之间的关系，进而确定矿体的动态损伤程度。

3 破碎矿体波速影响因素分析研究

3.1 孔隙率（矿物密度）对纵波波速的影响研究

本文对气固状态下不同孔隙率和密度的红砂岩进行了超声波检测，部分试件结果如下：

图1和图2分别为孔隙率和密度与波速的关系图。

图1 孔隙率与波速关系图

图2 密度与波速关系图

从破碎矿体孔隙率与波速关系图可以看出，破碎矿体的纵波速度主要受孔隙率的影响，孔隙率增大声波波速值增加，呈正比例关系，但从图1中我们可以发现零星的离散点，导致这一情况发生的根本原因为所测试的破碎矿体样本的内部存在大的裂隙，文献14通过实验分析得出破碎矿体内部受风化情况与裂隙程度有一定关联，受孔隙率的影响较少，矿物密度与纵波波速呈正比例关系，从图1可以分析出，孔隙率大于百分之九时，纵波波速出现下降趋势。

从密度与波速关系图可以看出，矿物密度与纵波波速呈正相关性。

从图2可以得出，矿石密度越大，纵波波速越高，当矿石密度小于1.85g/cm3时，破碎矿体的纵波波速呈集聚下降趋势，测试的矿物样品孔隙率达到百分之八以上，当矿石密度超过1.85g/cm3时，破碎矿体的纵波波速趋于平缓，从实验结果分析得出大孔隙破碎矿物的孔隙超出极限值时，破碎矿体的纵波波速受孔隙、裂隙的影响较大，破碎矿内部损伤严重。

3.2 耦合介质对矿石波速的影响研究

非均匀性是矿石主要特征，大量的细微裂隙与孔隙存在矿体之中，在工程施工中，耦合介质多赋存在矿层之中，多为多孔饱和的流体混合物。矿石在堆浸饱和状态下，矿井水浸入微裂隙与孔隙中，破碎矿体的力学特征被改变。此次研究通过破碎矿体在不同介质环境下，超声波波速的变化对比情况来分析矿物力学性质所受影响。矿石的超声波波速比对可用下式计算：

式中VaP为气固状态下破碎矿体纵波波速，Vp为水或油耦合后破碎矿体试件的纵波速度。表1为不同孔隙率破碎矿体分别在不同饱和介质中的纵波波速。

表1 耦合前后破碎矿物纵波波速的对比

由上表可以看出，水对破碎矿体纵波波速的影响不是很大，部分试件波速稍有下降，但幅度不大，并且本次试验中波速升降与孔隙率的变化无明显的规律性。

而对于油固介质状态的矿体，从试验数据可以发现，油对试样纵波波速的影响是比较大的，最大增幅为46.3%，平均增幅为33%。

出现这种情况主要与波的传播有关，弹性波在矿体中传播时，遇到裂隙，则视填充物而异。若裂隙中充填物为孔隙，则弹性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在裂隙充水的情况下，弹性波有5%可以通过，若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波可部分或完全通过。因此对于油固介质饱和的破碎矿体而言，弹性波基本处于连续传播状态，因此波速大于气固和水固状态下的矿体，并且随着孔隙率的增大其增幅也呈增大的趋势。

4 结论

利用超声波仪对试件做了测试，研究了孔隙率和密度、耦合介质对破碎矿体试样的影响分析，结果如下：

（1）孔隙率与纵波波速呈负相关关系，但是当孔隙率大于9%，波速下降较为明显。同时纵波波速与密度呈正相关关系。

（2）油性介质的可压缩性造成对矿体波速的影响远大于水对矿体波速的影响，油固耦合红砂岩的纵波波速与孔隙率基本呈正相关关系。