多道瑞利波在矿井独头巷道超前探中的应用.pdf

第 3 6卷第 4期 2 0 0 8 年 8月 煤 田地质 与勘探 CO ALG E C II ．0GY E X P L ORA T I ON Vl0 1 ．3 6NO．4 Aug ．2 00 8 文 章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 0 8 0 4 0 0 6 7 0 3 多道瑞利波在矿井独头巷道超前探 中的应用 丛 皖平，张鹏，王继矿 煤炭科学研究总院西安研 究院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要瑞利波超前探测作为一种新的矿井地球物理探测方法，具有 简便 、快速、经济、分辨率高、 适用场地小、应用范围广等优点。介绍 了瑞利波探 测技术原理，并将其用于煤矿井下独头巷道大 距 离超前探测中。实例表 明， 探测距 离达 8 0 IT I 以上，条件允许时可达 1 0 0 m 以上。 关键词瑞利波；频散特性；深度 曲线；超前探测 中图分 类 号 P 6 3 1 ． 4 文献 标识 码 A Appl i c a t i o n o f m ul t i c ha nn e l Ra y l e i g h wa v e m e t ho d o n t h e a dv a nc e d de t e c t i n g t e c hno l o g y t o bl i nde d l e a di ng CONG W _a n p i n g ， ZHANG Pe n g ， WANG J i - k ua ng Xi n B r a n c h ， C h i n a C o a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ， 7 1 0 0 5 4 ， Ch i n a Abs t r ac t Ra y l e i g h wa ve de t ec t i on i s a new s ha l l ow ea hqua k e de t e ct i on met hod de ve l o pe d i n r ec e nt ye a r s a t h o me a n d a b o a r d ， a n d h a s b e e n a p p l i e d i n m a ny f i e l d s ． Th i s p a p e r p r e s e n t s t h e d e t e c t i o n p r i n c i p l e o f Ra y l e i g h wa v e e x p l o r a t i o n t e c h n o l o g i e s ， a n d s u c c e s s f u l l y u s e d i t o n the a d v a n c e d d e t e c t i n g t e c h n o l o g y t o b l i n d e d l e a d i n g ． E x a m p i e s s h o w t h a t t h e d e t e c t i o n r a n g e i s o v e r 8 0 m， a n d i f c o n d i t i o n s p e r m i t i t c a n r e a c h u p t o 1 0 0 m ． Ke y wo r ds Ra y l e i gh wa ve ； di s pe r s i on c h a r a c t e r i s t i c ； de p th c u r ve r ；a dva n c e d d e t e c t i o n 采掘工作面前方、 巷道四周存在断层、 溶洞、陷落 柱、瓦斯富集，常常导致 “ 矿山淹井”、 “ 瓦斯突出”、 “ 冒顶”等灾难性事故。采用超前探测技术进行地 质灾害预报 ，在煤矿安全生产中对于保护生产人员 的生命安全具有十分重要的意义。 长期以来 ，煤矿井下独头巷道掘进中的地质条 件超前探测是难题之一。利用弹性波中瑞利面波的 传播特征 ，探测前方地质结构的瑞利波勘探法 ，其 分辨率高 、探测和数据处理速度快 、操作方便 ，不 仅用于探测巷道前方的地质构造，也可用于探测巷 道两侧工作面内陷落柱和小断层 。在煤巷 中探测前 方地质小构造以及对于瓦斯突出预测的应用上 ，更 是取得 了明显的进展l 1 】 。 目前瑞利波超前探测距离 达 8 0 m以 匕。 1 瑞利波超前勘探原理 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 VI C株 式会 社 的 G R 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 一厂 曲线 ，即频散曲线【 2 】 。 目前应用于煤矿井下的瑞利波超前探测均采用瞬 态 法 。 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 面附近按园柱形波前方式传播 ，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并不快 ，可 以横向传得很 远l 2 】 ， 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 在撑子面上施加一个瞬间激振力后 ，在岩层界面上 就有瑞利波的传播。这种方式产生的瑞利波是一个 宽频带的脉冲，可以认为是由许多简谐波分量叠加 收稿 日期 2 0 0 8 0 4 1 0 作者简介丛皖平 1 9 5 6 一 ，女，安徽安庆人，高级工程师，从事物探仪器与数据处理方法研究 维普资讯 6 8 煤 田地质与勘探 第 3 6卷 而成的。每一个简谐波都以一定的相速度 传播 ， 即 是频率． 厂 的函数 。那么 ，设离震源一定距离处 有 2 个观测点 A和 ， 设定 A、 之间的距离为 A x ， 计算 A、 两点之间相位差为 A 2 , r r f A x I V r 。 1 由于 A 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A 。根据 1 式 可 以得到相 速度 V r V r 2 ,r r f Ax ／ A 。 2 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 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。 2多道瑞利波探测方法 在瑞利波探测 中，一般来说 ，当探测较浅部的 地层特性时，采用较小 的道间距 A 值 ，可获得较 好的结果；当探测较深部的地层特性时 ，宜采用较 大的A 值 ，以获得较多的低频信号，使其能反映 地下更深处的介质信息[ 2 】 。 但增大 A 值又会因信号 减弱 ，加上反射波 、折射波等均作为干扰波而与瑞 利波混合 ，有可能导致误差较大的结果。所以，A 值一般都选择在 1 m左右。早期的瑞利波探测仪通 常只有 2个接收通道 ，通常情况下，勘探深度只能 达到十几至二十几 m，远远达不到实际超前勘探的 要 求 。 借用地面地震勘探 中多次覆盖的理论 ， 将传统 的两通道接收仪器改进成了六通道接收仪器 ， 通过 三组 检波 器 以如 图 1所示 的方 式进 行组 合排 列 ， 对 采集到的信号进行多道叠加和相关叠加 ， 得 出一条 各种频率成分充分 的频散曲线 。再通过多次激发 ， 多次接 收的观测方法[ 4 】 ，从而消除大量 的随机干 扰 ， 进一步增强信号中各频率成分能量 ， 使得所关 注的地质异常在频散 曲线上的反映更加 突出和稳 定 ， 判 断准 确性 大 大增 强 ，同时也 大 大增加 了探 测 深度 。 多道瑞利波探测技术在煤矿井下巷道顶底板 、 侧帮超前探测方面都已经有大量的应用 ，并取得了 很好的成果。在 1 0 0 m范围内探测出的地质异常体 与已掌握的地质资料或掘进揭露的情况对比吻合较 好 。相 比起来 ，在掘进巷道迎头进行多道瑞利波勘 探更加困难 ，其主要原因在于掘进头的截面直径往 往小于 3 m，且凹凸不平 ，难以按传统布置方法合 理布置 6道检波器。经过大量的试验 、对 比，对检 波器 的间距作 了调整，设计了适合掘进头探测 的等 距和不等距 2种短间距观测系统 ，并在数据处理过 程 中加 入相应 的较 正 。通过大 量 的试验 和研究 ，在 很多煤矿都取得了很好的探测效果。 主 口 口 一 一【 激 振 点 检 波 器 口 口 图 1 多道瑞利波检波器组合示意 Fi g．1 Combi na t i o n o f mu l t i c h a nn e l Ra y l e i wa v e d e t e c t or 3 工 程 应 用 图 2是 应 用 煤炭 科 学 总 院西 安 研究 院生产 的 Y T R D 瑞利波探测仪 ， 在平顶山煤业集团五矿掘进 头超前探测的原始记录。 S D R 共 炮点文 P | w u k 0 2 0 1 I- 0 2 0 1 5 l 13 问问隔f 2 5 Ms 1采 个数[ 1 0 2 l J V i i 一 ， ‘ 灯． V j l r ． 5 3 2． 5 5 7． 5 82 5 1 0 7． 5 I 32． 5 I 57 ． 5 82 ． 5 207 ． 5 2 32． 5 图 2 平煤五矿掘进头超前探测原始记录 Fi g． 2 Orig i na l d a t a o f a d va nc e d de t e c t i o n o f Pi n g me i No． 5 mi n e 根据施工现场条件， 道间距 采用不等间距的 方式 ，震源激发点距第一个检波器 约为 1 0 0 c m， 采用捶击方式激发。经过计算机处理形成的结果曲 线 如 图 3所示 。 通常瑞利波勘探结果是用频散 曲线表示深度和 速度 的关系的，而这里用深度 曲线来表示探测结果 的。这种新的瑞利波探测结果表示方式，是根据频 散曲线的基本信息 ，在排除了震源等不稳定 因素后 形成 的，能较真实的反映探测点前方地质异常的一 维普资讯 第 4期 丛皖平等多道瑞利波在矿井独头巷道超前探中的应用 6 9 种表示方式。在深度曲线上 ，纵向坐标标出的数字 范围。 表示探测深度，以深度 曲线波峰解释为层界面。 在 图 3的 曲线 中 ，2 2 m、3 0 m 和 4 0 m 处 分别 有 波峰 出现 ，这表 明 以上 3处 可能会 有 构造或 地质 分层存在 。 根据已知地质资料验证 ，自探测位置向 前 2 0m左右会穿过煤层 ， 3 1 m处会遇到断层 ， 4 0 m 处的异常可能是由于其他未知原 因引起。 0 ■■●- 】 O三 2 0二 ■- 3 0二 4 0 5 0二 6 0 图 3 平煤五矿掘进头超前探测结果曲线 Fi g ． 3 Re s u l t c u r v e of a dv a n c e d d e t e c t i on o f Pi n gme i No ． 5 mi n e 图 4是兖州矿业集团济 宁二号矿掘进头超前探 测的结果曲线。道间距离 采用等间距的方式，震 源激发点距第一个检波器 约为 1 0 0 c m， 采用捶击 方式激发 。 在 图 4的 曲线 中 ，1 2 m、 2 0 m、 3 6 m 和 1 1 0 m 处 分别 有 波 峰 出现 ，这 表 明 以上 4处 可 能会 有 构 造或地质分层存在 。根据采 掘揭露结果验证 ，自 探 测位 置 向 前 1 1 ． 4 m、1 9 ． 5 m 和 1 0 4 m，均 有 断 层存 在 。3 6 m处 没 有 异 常 ，可 能 是 由于其 他 未 知 原 因 引起 。 兖 州矿业集 团济 宁二号矿 的探测 结果 表 明， 在施 工 环 境 干扰 较小 ，围岩 情 况较 完 好 的情 况 下 ， 超 前 探 测 的深 度 可 以 突破 8 0 m，达 到 1 2 0 I 1 71的 l ‘ ． 一 1 ． 5 2 『 3 j 4 ； 5 l 1 0 - - ● ● - _ l 5 L 2 0 3 0 4 0 5 0 r l 0 O l 5 0 广 2 0 0 l 图 4 济二矿掘进头超前探测结果 曲线 Fi g、 4 Re s ul t c ur ve o f a d va n c e d d et e c t i o n of J i e r mi ne 4结 语 瑞利波超前探测作为一种新的矿井地球物理探 测方法 ，具有简便 、快速、经济 、分辨率高、适用 场地小 、应用范围广等优点。 目前瑞利波在煤矿井 下超前探测方面已经有了较大的发展 ，不仅可以满 足探测巷道前方的地质构造 ，也可用于探测巷道两 侧工作 面 内陷落柱和小断层 以及巷道 围岩分层厚 度 ，是一种值得推广 、有广阔应用前途的矿井物探 方法。但对瑞利波勘探理论的研究 以及实际应用等 有待进一步的深入和开拓 ，使之在生产实践中不断 总 结 、完善 和提 高 。 参考文献 ⋯ 1 夏宇靖 ，杨体仁 ，杨战宁．瑞雷波勘探方法的原理 、特点及应 用效果 【 J J ．煤 炭科学技术 ，1 9 9 5 ， 2 3 3 2 9 - 3 3 ． 【 2 】杨成林 瑞雷波勘探 【 M】 ．北京 地质 出版社， 1 9 9 3 ． 【 3 】严寿民 瞬态瑞利波勘探方法【 J J ． 物探与化探，1 9 9 2 ，1 6 4 l 1 3 -l 1 9 ． 【 4 】 邱颖 ， 任 青文．瞬态瑞利波勘探技术及其应用述评【 J J ． 水利水 电科技发展， 2 0 0 4 ， 2 4 3 6 6 - 6 8 ． 维普资讯