瑞利波探测技术用于矿井地质超前探测.pdf

第 3 7卷 第 4期 2 0 0 9年 8月 煤 田地质与勘探 OD AL黜G Y＆哪0R 0 N V_01 ．3 7NO．4 Aug ．2 0 08 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 0 9 0 4 0 0 6 1 - 0 3 瑞利波探测技术用于矿井地质超前探测 丁 宝国 ， 鹤岗矿业集团地测处， 沈 跃 加 黑龙江 鹤岗 1 5 4 1 0 0 摘要鹤 岗矿 区煤系曾遭受多次构造运动的改造，地质情况复杂。为满足采区和生产布置的需要 ， 采用瑞利波探测技术对地质情况进行精细探查和预报。在井下用瑞利波方法探 I - F 部煤层、超前 探测煤巷、岩巷前方的构造，取得 了满意的效果。该技术方法提高了地质预报的准确性，在煤矿 有 良好的应用前景。 关键词瑞利波；超前探测；断层 中图分类号P 6 3 1 文献标识码A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 0 ． i s s n ． 1 0 0 1 1 9 8 6 ． 2 0 0 9 ． 0 4 ． 0 1 6 Ra yl e i g h wa v e d e t e c t i o n t e c h no l o g y us e d i n i n-a d va nc e g e o l o g i c a l de t e c t i o n D I NG B a o g u o ， S HE N Y u e j i a G e o l o g i c a l S u r v e y De p a r t me n t o f He g a n g Mi n i n g G r o u p ， H e g a n g 1 5 4 1 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Co a l me a s u r e s i n He g a n g mi n i n g a r e a h a v e b e e n t r a n s f o r me d b y mu l t i p l e t e c t o n i c mo v e me n t s and g e o l o g i c a l s i t u a t i o n i s c o mp l i c a t e d ． I n o r d e r t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r o d u c tio n o p e r a t i o n ， Ra y l e i g h wa v e d e t e c ti o n t e c h n o l o g y wa s u s e d i n a c c u r a t e d e t e c tio n and f o r e c a s t i n g o f g e o l o g i c a l s i t u a tio n ．I n u n d e r g r o u n d c o al mi n e s ， Ra y l e i g h wa v e me th o d wa s u s e d t o d e t e c t l o we r c o al s e a m a n d s t r u c tu r e s a h e a d r o a d wa y s a n d p r o d u c e d s a fi s f a c t o r y r e s u l t s ． Th e me t h o d h a s r e all y e n h an c e d the a c c u r a c y o f g e o l o g i c a l f o rec a s t i n g an d s h o ws g o o d p r o s p e c t i v e f o r i t s a p p l i c a ti o n i n c o al mi n e s ． Ke y wo r d s Ra y l e i g h wa v e ； a d v an c ed d e t e c ti o n ； f a u l t 鹤岗矿区是一走 向近南北的窄长地带 ，原始的 南北经向构造受后期新华夏系 N E 向改造，形成相 互切割、关系复合的层次 ，构造复杂，破坏 了煤层 的连续性 ，给开采带来很大困难。随着矿井开采机 械化、集中化的程度越来越高 ，对地质资料提出了 越来越精细的要求。 由于原有的地面勘探手段探测距离较大，探测 精度难以满足需要 ，尝试使用瑞利波技术在井下进 行 了下部煤层、煤巷、岩巷前方构造 的超前探测 ， 都取得满意的效果。 l 瑞利波探测原理l 】 。 2 】 瑞利波勘探是采用瑞利面波为有效波进行勘探 的一种地震勘探方法 。在一般震源激发的各种地震 波中，瑞利面波的能量最强 ，传播速度较低 ，可以 比较精确地确定其走时，计算出比较准确的地层速 度 ，用以区分地层岩性。 瑞利波勘探主要利用了瑞利波在分层介质中传 播时的频散特性和波的传播速度与介质的物理力学 特性，特别是介质密度密切相关的特性。 井下断层、构造带都会对地层的瑞利波传播速 度带来影响，从而可在探测的频散曲线上通过异常 识别判断构造带的存在。 施加一个瞬间激振力后，地层表面就有瑞利波 传播。瑞利波由许多简谐波叠加而成 ，简谐波以一 定的相速度 竹 传播。’ ／ r 是，的函数，最后导出相速 度 竹。相速度是确定地层特性的关键参数。资料处 理时把记录由时间域转换到频率域，算出瑞利波的 传播速度 求得相应的波长 灯 2 r V r ／ f ， 并根据半波长解释法确定探测深度 日 H A r ／ 2 V r l 2 f 2 井下观测系统 井下瑞利波探测观测系统分等距离观测系统 图 1 和不等距观测系统 图 2 。观测系统尽量布置 成顺岩层走 向，或尽量垂直构造走向。不等距观测 系统主要是为适应井下巷道狭窄的条件 ，适宜于在 不足 3 m宽的巷道进行超前探测时使用。 收稿日期 2 0 0 8 ． 0 8 ． 2 7 作者简介 丁宝国 1 9 8 6 一 。 男，黑龙江鹤岗人， 高级工程师， 从事矿山地质管理工作． 6 2 煤 田地质与勘探 第 3 7卷 圆 圆 机械震源 AF 为传感器 图 1 等距离观测系统 Fi g．1 Equ a l di s t a n c e o bs e r v a t i on s y s t e m 机械震源 A F 为传感器 l O Om 0 211 1 0 ． 2m l O Om 0 2m 0 2m 图 2 不等距观测系统 Fi g． 2 Un e qu a l d i s t a n c e obs e r v a t i on s ys t e m 检波器的道间距 一般选 0 ． 2 0 i n至 1 ． 0 1T I ， 主 要根据井下场地的条件确定 。 3 井下探测实例 鹤岗矿业集团井下采用瑞利波方法主要进行了 底板下伏煤层勘探、煤巷超前构造勘探和岩巷超前 构造勘探等 。 3 ． 1 实例 一 a ． 探测地点南 山矿盆底区南翼二分段 l 5层 溜子道中部。 b ．地质概况盆底区位于南山矿井田东部 ， 煤 层属于向斜构造 ，中间低四周高呈盆状 ，煤层倾角 平均 1 0 。 左右，处于南 1 与南 l 4断层之间 ，构造比 较复杂；断层均为正断层 ，且次生断层较发育 ，落 差大于 3 m的断层有 l 0 余条， 纵横交错 ， 对煤层影 响很大，瓦斯量较大。本 区有 4个主采煤层 ，分别 是 1 5 ． 1 、1 5 2 、1 5 3和 1 8 2煤层 ，l 5 1与 1 5 2煤 层相距较近，在北翼只有 0 ． 4 IT I 左右 ，在南翼间距 1 i n左右。本区中部 1 5 ． 2分出 l 5 3 煤层 ，向南间距 逐渐加大。受南 l 4断层影响，其附近 1 5 2与 1 8 2 煤层 局部有 合 并现象 ，其余 大部分 地 区间 距在 2 6 3 0 m。本区 1 5 ． 1 煤层夹矸较多 ，灰分较大，其 它几层煤煤质较好 ， 煤层顶底板均为灰 白色细砂岩。 c ． 探测 目的 探测 1 5 层溜子道下方 l 8 煤层的 位置。 d ． 探测模式垂直探测。 e ．探测结果如图 3 所示，在 2 6 i n处有一明 显异常 ，应是 1 8 层煤 的反映。 f ． 钻探验证该区 1 5层煤与 1 8层煤间距在 2 6 3 0 m，与探测结果基本吻合 。 3 ． 2 实例二 a ．探测地点 南山矿西三区北部 l 8层一分段 切 眼 。 藿 鎏 一 【 l l I I I ● t 一 一 O-- - J 1 ． L ● J J． J I ● 0 0 0 0 C 8 0 一 寸I 广 t “ q n t - 赚 图 3 1 5屋溜子道中实测曲线 Fi g． 3 Se i s mog r a m o f pa s s a g e wa y i n r o om 1 5 b ．地质 概 况西三 区位 于南 山矿井 田西 部 ， 区 内地质构造极其复杂， 落差大于 3 m的断层有 5 条 ， 纵横交错 ，对煤层影响很大。本 区煤层属于单斜构 造 ，煤层倾角较大， 平均 2 8 o 左右 ，1 8 ． 2 煤层为本区 主采煤层 ，平均厚度 1 5 In左右，受地质构造影响 ， 煤层厚度变化较大 ，夹矸较多 ，灰分较大，煤层顶 底板均为灰 白色细砂岩 。 c ． 探 测 目的 通过对 西三 区北 部 l 8层一分 段 切眼探测 ，查明切眼前方有无构造 ，并对构造走向 进行控制，达到提前预测 ，指导生产 ，合理圈定回 采工作面的 目的。 d ．探 测模 式超 前探测 煤 巷 。 e ．探 测 结 果 如 图 4 所 示 ，在 2 2 ． 5 m 和 6 6 ． 5 6 8 ． 0 m 处均有明显的异常 ，推断为异常构造 显示 。 J l l I I t l 苫 ⋯ l ⋯ 秀 耋 螽 l I II l ⋯ 0 0 噬 In n 寸 In 图 4 1 8层一分段切眼实测曲线 Fi g． 4 Se i s mo gr a m o f fir s t s e c t i on of l a y e r 1 8 f ．验证结果在 2 4 in处遇断层 ，坍塌厉害未 能通过 ； 致 6 8 in处断层未能验证 ， 但与地质资料推 断相符合 图 5 。 图 5 1 8层一分段切眼探测验证结果 Fi g． 5 Ve r i f i e d r es u l t o f f i r s t s e c t i on of l a y e r 1 8 3 ． 3 实例三 a ． 探测地点 南山矿西二区 l 8 ． 2层三分段回 风 返上 。 第 4期 丁宝国等瑞利波探测技术用于矿井地质超前探测 6 3 b ．地质概 况西 二 区位 于南 山矿井 田西部 ， 本 区处于南 1 断层附近 ，构造极其复杂。南 l 正断层 走向平均 N5 o E ， 落差 5 0 ～ 3 0 0 m，其次生面较发育， 落差大于 3 m的断层有 1 0 余条 ， 纵横交错 ， 对煤层 影响很 大 。 本区煤层属单斜构造 ， 煤层倾角平均 1 0 。 左右 ， 1 8 ． 2 煤层为本区主采煤层 ， 本区 1 5 2 煤层已采 ，附 近 l 8 2层已基本采完 ，本工作面受地质构造影响， 煤层变薄，夹矸较多 ，灰分较大，煤层顶底板均为 灰 白色细砂岩 。 c ．探 测 目的 通 过对西 二区 1 8 2层 三分段 回 风返上的超前探测 ， 对岩巷前方 l 8 2煤层构造进行 有效的控制 ，做到提前预测 ，预防瓦斯突出，保障 煤矿安全生产。 d ．探测模 式超前探测 岩巷 。 e ．探 测结果如图 6 所 示 ， 在 1 4 ． 5 m处 和 5 0 m 处均有明显的异常，推断为岩性界面 含揭煤显示 。 一 ⋯ ⋯l 蚕兰 ⋯l j ⋯ I L g量 l l l l I ⋯ 童 0 0 。 0 8 0 t n n I n 图 6 1 8 ． 2层三分段 回风返上实测曲线 F i g ． 6 S e i s mo g r a m o f t h i r d s e c t i o n o f l a y e r 1 8 - 2 f ． 揭露验证l 4 ． 5 m处为岩石界面 ； 5 4 m处揭 煤 ，深度相差 4 m，分析与探测方向及煤层斜交的 角 度有关 。 4结 语 经过在南山矿近 1 a的试验 ， 井下瑞利波探测方 法较好地完成了各种相关 目的的探测工作 ，形成以 下看 法和经 验 I i ．工作场地 、 接地条件的好坏直接影响到探测 结果 。针对不同的场地条件和所要解决的地质问题 ， 自制了2套探测用铁钎 一种直径 2 0l n n l 、 长 6 0 0m l n 的细长钢钎， 主要用于松散煤层 ； 一种直径2 0 ～ 4 0 m m、 长度较短的钢钎用于岩巷， 保证了较好的接地条件， 对获得 良好探测效果作用明显。 b ．当岩石或煤层的密度发生变化时，因为波的 传播速度发生变化 ，在探测结果曲线上会出现异常 反映。从实测结果看，只要有此类变化 ，记录曲线 就有反映 ，基本不会漏报。 c ．有些反映岩性细微变化的异常，并不是探测 的目标。在资料分析解释时，如何从所有异常中剔 除那些由于岩性的不均匀或致密程度不同、煤层 内 部密度不均匀或裂隙发育等因素造成的异常，是解 决实际地质问题的关键。解决这个问题 ，主要靠地 质分析的配合 、综合物探方法的使用和长期工作经 验 的积 累。 总之 ，在煤矿生产掘进过程中，瑞利波探测方 法能有效地探测出掘进面前方的隐伏地质构造 ，是 目前解决矿井地质问题的一种有效方法。 参考文献 【 l 】杨成林．瑞雷波勘探 【 M】 ． 北京 地质出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】赵 明 ．瑞利 波法 在工 程勘 探 中的应用 【 J 1 ．勘探科 学 技术 ， 1 9 9 6 5 5 4 5 7 ． 上接 第 6 O页 c ．滑带土抗剪强度参数是 由滑坡地质条件 、室 内试验、现场原位试验、反分析法 、工程类比法等要 素组成的一个系统问题，需进行系统分析与综合评 价，而不能仅以试验成果 、 反演分析法等某几个方面 去孤立地确定抗剪强度参数 ， 并应注重多种确定方法 的综合应用并相互验证 ， 以求获得技术上可靠 、 经济 上合理 的结果 。 参考文献 【 1 】李智毅， 王智济， 杨裕云． 工程地质学基础【 M】 ． 武汉中国地 质大学出版社 ，1 9 9 0 ． 【 2 】杨光熙． 滑带、滑面及其抗剪强度【 M】 ． 武汉 长江水利委员会 长江勘查规划设计院 ，2 0 0 4 ． 【 3 】 中华人民共和国水利部． S L 2 3 7 1 9 9 9土工试验规程【 S 】 ． 北京 中国水利水电出版社，1 9 9 9 ． [ 4 】 中华人民共和 国建设部． GB 5 0 0 2 1 2 0 0 1岩土工程勘察规 范【 S 】 ． 北京 中国建筑工业出版社 ，2 0 0 2 ． 【 5 】张勤 ，陈志坚 ，朱代洪 ，等．层状裂隙岩体稳定性分析的主要 问题【 J 】 ． 岩土工程学报，2 0 0 1 ，2 3 6 7 5 3 7 5 6 ． 【 6 】周庆华． 边坡岩体抗剪强度计算参数取值方法的探讨【 J 】 ． 矿业 快报 ，2 0 0 6 ，4 4 1 9 - 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