显示控制单片机: 显示站号、模拟量等信息。
准要求。数据采集处理程序流程见图 3。
3 数据采集处理程序设计
由频率信号和开关量信号分析可知，这两种信 号均为状态信号( 二值) ，即在某一时刻均有一状态 0 或 1。而频率信号在某一时间段其状态变化次数 较多，开关量信号一般变化较少。可以把开关量信 号看作频率非常低的频率量，而频率量也可看作开 关 B
文章编号: 1008 － 4495( 2011) 02 － 0037 － 02
巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩 受力状态由三向变成了近似两向，导致围岩应力重 新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地 下降。此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向， 巷道壁面切应力达到最大值; 最小主应力是沿巷道 的径向应力，径向应力在巷道周边为 0，向围岩内部 逐渐增大。若围岩中集中的应力值大于下降后的岩 石强度，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深 部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时 围岩中出现了 1 个松弛破裂带，即围岩松动圈［1 － 2］。 其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及 弹性区，如图 1 所示。
0． 92
1． 51
迎头 80 m 位置 左帮上部 1． 50
0． 74
1． 21
3． 3 地质雷达测试松动圈结果及分析 1) 在总回风巷监测松动圈的测试断面共取
3 个( 文中节选 2 个) ，总体而言，围岩松动圈的范围 较大( 见表 3) ，最大达 2． 5 m 以上。
表 3 松动圈测试结果
测试地点 总回风巷距掘进迎头 12 m 处 总回风巷距掘进迎头 15 m 处 总回风巷距掘进迎头 80 m 处
v= c
( 2)
槡ζ
式中 c———电磁波在真空中传播的速度，m / s;
ζ———介质的相对介电常数。
2 测试仪器与方法
本次探测设备选用美国地球物理探测设备公司 ·38·
图 3 总回风巷雷达测线布置图
3 测试实践与结果
在总回风巷距掘进迎头 12 m 位置选取一个断 面进行围岩松动圈探测，共布置 3 条测线。在总回 风巷距掘进迎头 80 m 位置选取另一个断面进行围 岩松动圈探测，共布置 2 条测线。通过对总回风巷 的 2 个探测断面进行松动圈地质雷达探测分析，得 到了各个断面的松动圈的范围( 大小) 。 3． 1 总回风巷距迎头 12 m 处断面松动圈分析
号 ACK，进入中断，处理采集单片机传来的信号，将 置位有数据标志，主控单片机在主程序中检测到该 标志后将启动 I2 C 总线读取 RAM 缓冲区中的数据。 该数据为输入通道和输出通道数据。
主控单片机: 负责分站与接口的通信，分站参数 初始化等任务;
数据采集控制单片机: 完 成 数 据 采 集，计 算 处 理，控制输出等任务;
参考文献:
［1］ 郭志宏，董方庭． 围岩松动圈与巷道支护［J］． 矿山压力 与顶板管理，1995，3( 4) : 111 － 114．
［2］ 徐干成，白洪才，邓颖人，等． 地下工程支护结构［M］． 北 京: 中国水利水电出版社，2002．
［3］ 何满潮，景海河，孙晓明． 软岩工程力学［M］． 北京: 科学 出版社，2002．
2011 年 4 月
矿业安全与环保
第 38 卷第 2 期
地质雷达测试巷道围岩松动圈的 原理及应用
孟庆彬1 ，乔卫国1，2 ，林登阁1 ，门燕青1
( 1． 山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 266510; 2． 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266510)
摘 要: 地质雷达是目前国际上最先进的物探手段之一，在岩土工程界和矿山工程等领域得到了广
由图 2 可得出，记录到的电磁波在介质中传播 的双程走时 t［7］:
槡 t =
4z2
+
x2 v
( 1)
式中 z———反射界面的深度，m;
x———天线间距，m;
v———电磁波在介质中的传播速度，m / ns。
式( 1) 中的 t 为记录值，x 为经验值，v 可实测或
由经验取得。
电磁波在介质中传播的速度可用下式计算［7］:
巷道围岩松 动 圈 测 试 方 法 有 很 多，并 随 着 科 学 技术的不断进步而发展完善，其中主要包括超声波 探测法、多点位移计量测法、折射波法、地质雷达探 测法等［5］。其中 20 世纪 70 年代末，长春煤炭研究 所开发的“超声波围岩裂隙探测仪”，使声波法得到 广泛的使用，是一种简便实用的围岩松动圈的测试 方法。该方法以超声波纵波波速在围岩中的变化为 依据［6］: 围岩处于完好的弹性状态，波速较大; 围岩 处于破碎的塑性状态，波速较小。声波法需要钻孔， 用水作为探头与岩石间的耦合媒介，但对于强度低的 围岩，钻孔难以成型; 且往钻孔中注满水更难。故在 煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体中，用声波法测 试巷道围岩松动圈较为困难，很难大面积推广。
( GSSI) 的 SIR － 3000 地质雷达配 400 MHz 的天线。 该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射 部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发射 前沿时间为数纳秒以下的电磁脉冲。接收部分由接 收天线、高频放大电路和采样电路构成。接收的高 频信号被放大后，由采样电路变换为低频信号，送到 信号处理电路。控制部分是由产生整体装置同步信 号的基准同步信号发生器，控制采样电路的采样控 制器，处理接收信号的信号处理电路，以及显示处理 信号的输出显示设备等部分组成。采样数据经一定 处理后，由输出显示设备输出探测结果。
本次输入通道状态记为 NEW_P0，上次状态记 为 OLD_P0，计数器为 TD16; 那么两次状态相异或得 到结果记为 XOR_RESULT_P0。根据异或的结果可 知，两次状态相同结果为 0，不同为 1，由结果 XOR_ RESULT_P0 可判断通道的状态是否改变，如改变则 计数加一，不变则计数不变。
图 1 巷道围岩状态分布图
收稿日期: 2010 － 07 － 26 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 ( NCET － 07 － 0519) ; 教育部长江学者和创新团队发展计划资 助项目( IRT0843) 作者简介: 孟庆彬( 1985—) ，男，山东菏泽人，硕士研究 生，主要从 事 岩 体 加 固 理 论 与 应 用 技 术 的 研 究。E － mail: mqb1985@ 126． com。
利用地质雷 达 不 用 钻 孔 的 特 点，选 择 具 有 代 表 性的工程断面布置探测线，由于受风筒和管道位置 的影响，有的断面不能一次性进行全断面扫描监测， 而是分段布置测线，测试路线布置如图 3 所示。
图 2 地质雷达探测原理图
地质雷达产生的高频短脉冲电磁波和能量向介 质内发射，其信号的传播取决于介质的高频电性，在 岩石 介 质 中 的 节 理、裂 隙、断 裂 等 会 引 起 电 性 变 化［8］。当雷达发射探头向介质发射电磁波时，介质 电性的变化引起部分信号发生反射，产生雷达反射 波; 反射波由探头接收、放大、数字化并存贮在计算 机中; 对采集的数据进行编辑、处理，可得到不同形 式的地质雷达剖面; 对地质雷达剖面进行解释，即 可得到所测结果。
因为每次变化就会做加计算，所以在输入频率 信号的上升沿，以及下降沿都计数。一个 200 Hz 的 频率信号在 1 s 内可计数 400 次。
根据 AQ 6201—2006《煤矿安全监控系统通用 技术要求》，要求分站具有从数据输入、数据处理到 控制输出的时间小于 2 s。
本分站设计 500 ms 一个计数周期，加上计算， 可在约 100 ms 内完成计算处理以及控制输出，共需 要 600 ms 可完成一个周期，断电器的执行时间是毫 秒级的［3］，因此在2 s内，处理、控制输出完全满足标
4 结语
1) 工程实践表明，总回风巷围岩松动圈的大小 在不同断面或同一断面不同部位差异较大。从整个 松动圈测试结果来看，巷道围岩松动范围较大，应考 虑锚杆长度与松动圈匹配问题; 在条件具备情况下， 建议对已施工巷道采用锚注支护，以确保巷道围岩 的稳定。
2) 地质雷达可以方便、快捷、有效地探测出巷 道围岩松动圈的范围，特别适合于用声波法难以测 试的煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体的松动圈 的探测。采用地质雷达探测围岩松动圈，其探测结 果比较符合实际，测试数据准确，精度相对较高。能 够预测松动圈的发展趋势，优化支护参数，能有效地 指导支护设计与施工。
松动圈大小 /m 1． 00 ～ 2． 96 1． 67 ～ 2． 89 0． 74 ～ 1． 51
2) 同一断面不同部位松动圈尺寸不同，两帮和 顶板处松动圈大，直墙处松动圈小。
3) 稳定性差的围岩，松动圈厚度大; 稳定性好 的围岩，松动圈厚度较小。
4) 同一断面中，强 度 高 的 岩 体 松 动 圈 厚 度 较 小，强度低的岩体松动圈厚度较大。
泛应用。阐述了用地质雷达测试巷道围岩松动圈的基本原理，提出了松动圈的无损实测方法，并在榆树
井煤矿总回风巷中进行了测试实践。测试获得了总回风巷全断面的松动圈的分布规律，结果表明，总回
风巷围岩松动圈的大小在不同断面或同一断面不同部位差异较大。
关键词: 地质雷达; 巷道围岩; 松动圈
中图分类号: TD353
3． 2 总回风巷距迎头 80 m 处断面松动圈分析 同理可得，围岩松动圈雷达探测图如图 5 所示，
探测范围见表 2。
图 5 总回风巷距迎头 80 m 处断面地质雷达探测图
表 2 总回风巷距迎头 80 m 断面松动圈范围
探测断面位置 探测位置 探测长度 /m 最小值 /m 最大值 /m
总回风 巷 距 掘进 右帮及拱顶 5． 00
围岩松动圈是在地下工程中普遍存在的实际物 理力学状态，对地下工程的稳定性影响较大，是指导 地下工程加固的理论依据。对围岩松动圈的研究引 起了国内外专家学者的高度重视，取得了许多有益 的成果: 在国外，太沙基( K． Terzaghi) 和普氏( М． М． Протодьяконов) ［3］观测到了围岩的松动状态( 坍落 拱) ，首次提出了巷道围岩具有自承能力，至今仍在 国内外浅部地下工程设计中广泛应用; 在国内，董方 庭教授等人经过长期研究，提出围岩松动圈支护理 论［4］，在矿山工程中得到广泛应用。这些理论的运 用，都以已知围岩松动圈的范围为前提，因此测试围 岩松动圈具有较大的实际意义和应用价值。