多道瞬态瑞利波超前探测技术在煤矿的应用与分析.pdf

总第 1 3 7期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 7 9 8 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 0 7 多道 瞬态瑞利 波超 前探 测技 术在煤矿 的应 用与分 析 李 可， 刘 勇， 江成玉 贵州大学 矿业 学院， 贵州 贵 阳5 5 0 0 0 3 摘 要 介绍了多道瞬态瑞利波探测技术原理及在贵州省某煤矿井下应用实例， 分析 了多组井下实测数 据 ， 经实践证明， 该技术可有效应用于预测矿井中地质构造异常情况。 关键词 多道瞬态瑞利波； 超前探测； 构造异常 中图分类 号 P 6 3 1 ． 4 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 1 0 2 0 0 1 7 0 3 Ap p l i c a t i o n o f M u l t i c h a n n e l Tr a n s i e n t Ra y l e i g h W a r e Ad v a n c e d De t e c t i n g Te c h n o l o g y i n Co a l M i n e L I Ke ， L I U Yo n g，J I ANG C h e n g - y u Mi n i n g C o l l e g e o fG u iz h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s a r t i c l e i n t r o du c e s t h e p r i n c i pl e s a n d me t h o ds o f mu l t ic ha n ne l t r a n s i e n t r a y l e i g h wa r e a dv a n c e d d e t e c t i ng t e c hn o l o g y a nd ma k e s ma n y a na l y s i s by d e t e c t i o n e xa mp l e s me a s ur e d i n a mi n e o f g ui z ho u p r o v i n c e ， Pr o v e n t h a t t h e t e c hn o l ogy c a n be e f f e c t i v e l y u s e d t o pr e di c t t he mi n e g e o l o g i c a l a n o ma l i e s ． K e y w o r d s m u l t i c h a n n e l t r a n s i e n t r e y l e i g y w a v e ； a d v a n c e d d e t e c t i o n ； g e o l o gi c a l s t r u c t u r e a b n o r mM i t y 贵州省某煤矿为在建矿井 ， 准采标高 1 0 7 5～ 3 0 0 i n ， 走 向 长 约 1 2 ． 0 7 k m， 东 西 宽1 ．1～ 2 ． 4 7 k m， 矿 区面积约 2 0 ． 4 9 4 3 k m 。矿井年设计生 产 能力 4 5万 t 。 该矿拟开采二叠系龙潭组煤层 ， 可采煤层 自上 而下为 5号 、 1 O号、 1 1号煤层 。煤系顶板 为二叠系 上统长兴石灰岩 中等含水层 ， 底板为二叠 系中统茅 口石灰岩强含水层 。茅 口灰岩位于矿区东部煤系地 层之下， 是矿井底板直接充水含水层 ， 该层出露 面积 大， 多形成峰林及峰丛地貌 ； 同时 ， 落水洞 、 漏 斗、 岩 溶洼地等微地貌较发育 。 矿区位于长 岗向斜东翼 ， 地层走 向南北 ， 倾 向一 般 2 7 0 。 ， 倾角 3 5～ 4 5 。 ， 平均倾角 4 0 。 ， 整体为一单斜 构造。区内断层 8条 ， 其 中正断层 6条 ， 逆断层 1 条 ， 3条为隐伏断层 ， 次生断裂构造发育。矿区构造 复杂。顶板为长兴灰岩 ， 玉龙山富水性 中等 ， 茅 口灰 岩富水性强 ， 矿井水文地质类型为复杂。 该矿地质资料精确程度不足， 断层及次生断层、 溶洞 、 裂隙等构造的具体发育情况勘查不尽详细 ， 目 前 主要采用钻探方法探测掘进 面前方 构造 ， 该方法 可信度较高， 但耗时较长、 工序繁多 ， 是 影响掘进进 度的主要因素。 近年来 ，国内外开展了许多将物探方法用于煤 矿井下探测 的实验研究工作 ，在直 流电法、 钻孔透 视 、 地质雷达 、 槽波勘探、 地震勘探等方法 的研究和 应用上取得了一定成效 ， 其 中一些方法在探测煤层 中的异常构造时还 能达到几百米 的距离 和相 当精 度 ， 但对井下环境条 件要求 比较 苛刻 ，成本较 高。 一 些方法因存在体积平均效应或勘探盲区而精度不 高，或因现场面积小而无法探测 。瑞利 波勘探方法 是最近发展起来的新 的浅层地震勘探方法 ， 与以往 的地震勘探 的区别 主要在 于 它主要应用 的是 以前 地震勘探 中视为干扰 的面波 ， 而不是纵波和横波。 煤炭科学研究总院西安分院在引进 日本佐藤式 瑞利勘探仪的基础上 ， 研制成功适用于井下 的 MR D I 型、 Ⅱ型瑞利波勘探仪 ， 经改进又成功研制 了多 道瞬态 Y T R D 瑞利 波探测仪 ， 使得该技术应用于 煤矿井下成为可能。经多个煤矿 的试验 ， 效果较好。 为了探知掘进面前方构造发育情况及是否含有 更多构造 ， 该矿拟采用多道瞬态 Y T R D 瑞利波探 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 1 8 作者简介 李可 1 9 8 6一 ， 男 ， 河南周 口人 ， 在读 硕士研究生 ， 研究方 向为采矿工程 。 1 7 2 0 1 1年2月 李 可等 多道瞬态瑞利波超前探测技术在煤矿的应用与分析 第2 0卷 第2期 测仪进行小构造超前探测 ， 现处于实验阶段 。 1 多道瞬态瑞利波超前探测原理 瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为稳态法 和瞬态法两大类。 日本 V I C株式会社 的 G R一8 1 0 、 G R一 8 3 0地下勘探机就是采用稳态法。稳态法分辨 率高 ， 资料分析较为直观。但它的激振器较笨重 ， 在 许多工程场地使用困难 ， 特别是煤矿井下无法采用。 根据其勘探原理 ， 出现 了瞬态瑞利波勘探方法。它 的设备较为轻便 ， 工作效率 高， 操作简便 ， 与稳态法 的区别主要在于它的激发方式 和数据 处理 方法不 同。瞬态瑞利波法是在激发点产生一个瞬态 的冲击 力 ， 并以脉冲形式的瑞利波 向前传播 。在经过频谱 分析 、 相位分析后 ， 把各个频率 的瑞利波分离开来 ， 从而得到一条 一 f曲线 ， 即频散曲线。 地震波可以分为两类 ， 即体波和面波， 体波包括 纵波 P波 、 横波 S波 等 ； 面波有 2种， 瑞利面波 和拉夫面波。瑞利波 R波 在介质 自由表面附近按 圆柱形波前方式传播 ， 传播速度 随频率的变化而变 化 频散现象 ， 其穿透能力约为一个波长。这种波 沿地表传播时衰减很小 ， 可以横向传得很远 ， 瑞利波 勘探技术正是利用瑞利波的这些特性 ， 得到地层某 一 深度范围内的地质构造情况。采用瞬态瑞利波激 发方法有利于井下作业 。当在工作面施加一个瞬间 激振后 ， 在岩层界面上就 产生瑞利波的传播 。这种 方式产生的瑞利波是一个宽频带 的脉冲 ， 认为是 由 许多简谐波分量叠加而成的。每一个简谐波都以一 定 的相速度 ” 传播 ， 即 是频率 的函数。那么 ， 设 离震源一定距离处有 2个观测点 A和 B， 设定 A、 B 之间的距离为 ， 计算 A、 B两点之间相位差为 o- ㈩ 由于 是已知的， 利用频谱分析技术可以计算 出瑞利波每一频率点上 的相位差 △ 。根据 1 式 可以得到相速度 2 r 一 L z ， 根据 2 式 ， 可算 出每个频 率相应的 值 ， 从而 得到该测点的频散 曲线 。频散曲线的变化规律与地 质条件存在着内在 的联系， 通过对频散 曲线 进行反 演解释， 就可以得到地下某一深度范 围内的地质构 造情况和不同深度 的瑞 利波传播速度 ／3 值 。而 值的大小与介质物理特性有关 ， 据此可 以对岩土的 物理性质做 出评价。 将传统的两通道接收仪器改进成 了六通道接收 仪器 ， 通过多次迭加、 多道迭加 和相关迭加 ， 使得能 l 8 量损耗减少 ， 干扰减小。在此基 础上形成 了全新的 瞬态瑞利波勘探理念 ， 发展 了一 种新 的瑞利波勘探 技术多道瞬态瑞利波勘探技术 ， 原理见图 1 。 图 1 多道瞬态瑞利波探测原理不意 2 观测系统的布置 该技术采用多道检波器接收，以利 于面波 的对 比和分析。当井下采用多道检波数据进行反演处理 时， 不受道间距公式的约束 ， 宜采用小的 △ 值并用 小锤作震源以产生较强的高频信号 ，以获得较好的 结果。 观测系统的布置 ， 见图 2 、 图 3 ， 观测系统 的布置 应顺着岩层的走 向， 或近似于岩层垂直构造走 向的 方 向布置。 距离视巷道宽度而定。 机械震源 A F为侉感器 圆 圆 图 2 等距离观测 系统 机械震源 A F 为传感器 i m U． 2 m U． 2 f n I m U ． m U． Z m 图 3 不等距 观测 系统 图 3中 为 0 ． 2 0 i n 、 A x为 1 ． 0 0 m适用于巷道 宽度 3 ． 0 0 m左右 。大于 3 m巷道用 图 2方法较为 适 宜 。 3 井下的应用实例 实例 一 1 探测地点 主平硐掘进 1 3 4 0 m处。 2 地质概况 位于矿 区中部 ， 煤层单斜构造 ， 倾角 3 5 。 ， 处于两条正断层之间， 构造复杂 ， 其次生断 层较发育 ， 对煤层影响很大， 且瓦斯量较大。 3 探测 目的 控制掘进面与煤层距离 ， 对地质 构造作到提前预测 ， 预防瓦斯突出， 保障安全掘进。 4 探测模式 超前探测 岩巷 。 ． 5 探测结果 见图 4 ， 在 1 0 ． 5 m处有一 明显 的异常， 在 3 0 IT I 处有一异常。 李 可等 多 道瞬 态瑞利波 超前 探测技术在煤矿的 应用与 分析 第 叁苎 L 一 吕 g g g E g g g 吕 暑 鲁 吕 昌 g E _ N n 寸 In 0 0 8 0 一 一 n 寸n 一 c 、 图4 主平硐掘进 1 3 4 0 m处瑞利波分层曲线 6 实 际揭露验证为 3 2 m处揭煤 ， 误差 2 m， 可能探测方向与 目的层角度有关 ， 1 0 ． 5 m处异常为 岩石界面。 实例二 1 探测地点 主平硐揭穿 1 0号煤地点。 2 地质概况 同实例一 ， 受南 1 4断层影 响其 附近 1 O与 1 1 号煤层 间距变化较大 ， 大部分在 3 5～ 3 8 m 之 间。 3 探测 目的 1 1号煤层的相对位置。 4 探测模式 超前探测 岩巷 。 5 探测结果 见 图 5 ， 在 3 6 ． 2 i n处有一 明显 的异常 ， 就是 1 0煤层与 1 1煤层的间距。 I 棚 k g g 鲁 鲁 E g g 吕 g g ∈ 吕 g E 昌 _ 一 t “ q n 寸 I n 0 V1 0 C 一 一 n 0 图5 主平硐揭穿 1 O号煤地点瑞利波分层曲线 6 钻探验证 l 0号煤层与 1 1号煤层揭煤 间距 为3 6 ． 5 r n ， 与物探结果基本吻合 。 4 多道 瞬态瑞 利波探测应用分 析 1 经过在该矿半年来的实践 ， 多道瞬态瑞利 波仪器基本上能准确地发现掘进面前方 的地质构造 异常。具有性能稳定 、 分辨率高、 应用范 围广 、 受场 地环境影响小 、 容易操作 、 体 积小 、 重量轻 、 移动便 上接第 1 6页 5 结语 通过实测和观察 ， 分析了沿空巷道在 回采期 间 矿压显现规律 ， 针对不同区段 的巷道变形破坏情况 ， 结合巷道围岩支护理论 ， 采取 了分段加固技术方案 ， 较好的控制了沿空巷道 的变形破坏 ， 使巷道在 生产 期间满足 了安全生产 的要求 ， 创造 了 良好 的经 济效 益 。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高． 矿山压力与岩层控制[ M] ． 徐州 中国矿业大 捷 、 测定速度快不影响掘进进度等优点 。 2 该仪器为煤矿矿用本质安全型设备 ， 不影 响井下作业安全 。 3 当岩层密度发生变化时 ， 波 的传播速度肯 定会发生变化 ， 探测结果 曲线上即会出现异常反应。 只要掘进面前方构造有异常 ， 仪器就有反应 ， 且在 同 一 观测点重复采集多组数据 ， 因此基本不会漏报。 4 岩层 的不均匀性及其它外因容易制造假异 常 ， 还要依靠长期预测经验 的积 累以及结合地质资 料才能确认构造异常 ， 为了进一步提高该技术预测 精度 ， 在井下 的施工和数据 的采集过程 中应尽可能 地减小井下 自然 因素对施工工艺的影响 ， 保证采集 的数据准确性 。因此该技术暂不能完全取代钻探。 综上 ， 在该矿井巷的掘进过程中， 多道瞬态瑞利 波超前探测技术能快速有效地探测出掘进前方 的构 造异常， 为避免掘进过程 中由未知构造带来 的各种 影响提供有效依据 。 参考文献 [ 1 ] 邱 颖 ， 任青文． 瞬态瑞利波勘探技术及其应用述评 [ J ] ．水利水 电科技 发展 ， 2 0 0 4 2 4 6 6 6 8 ． [ 2 ] 赵明． 瑞利波法在工程勘探 中的应用[ J ] ． 勘探科学 技术 ， 1 9 9 6 5 5 4 5 7 ． [ 3 ] 李勇， 孙喜峰 ， 李廷． 隧道施工地质超前预报方法 [ J ] ． 地质与资源， 2 0 0 4 1 3 1 1 91 2 2 ． [ 4 ] 赵存明， 沈斐敏． 长隧道地质灾害超前综合探测技术的 探讨 [ J ] ． 中国安全生产科学技术 ， 2 0 0 5 1 3 8 4 2 ． [ 5 ] 赵兆 ， 王勇 ， 张仲礼．瑞利波超前 探技术在 跟踪 长 距 离掘进巷道 中的应用研 究 [ J ] ． 西 北地 质 ， 2 0 1 0 2 6 5 6 9． [ 责任编辑 张雪松] ≯ p 、 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