绕射波在掘进巷道中超前探测小构造的应用.pdf

科技情报开发与经济 S C I T E C H I N F O R M A T I O N D E V E L O P M E N T＆E C O N O M Y 2 0 0 6 年第1 6卷 第 1 0 期 文章编号 1 0 0 5 6 0 3 3 2 0 0 6 1 0 0 2 6 8 0 2 收稿日期 2 0 0 5 1 2 1 3 绕射波在掘进巷道中超前探测小构造的应用 杨 霖 凤凰山矿地测队， 山西晋城 ， 0 4 8 0 0 7 摘要 便携式矿井探测仪是应用绕射渡来超前探测巷道掌子面前方小构造的， 在速 度低于上下围岩的 中等速度的特定层位中，地震波将在前方的小断层或小构造处反 射， 以绕射波形式返回到检波器， 其最远的探测距 离达 1 8 4 m， 成为在掘进巷道中预测 预报的有效辅助工具。 关键词； 绕射波； 超前探测； 小构造 中图分类号 T Dl 7 8 ； T B 5 1 文献标识码 A 在超前探测巷道前方反射界面时， 速度的取值是非常重要的。由于 岩石中地震波的传播速度较大， 如果所测速度误差较大时， 那么对前方 具有明显波组抗差异的界面， 距离误差也就比较大， 所以， 在超前探测 时， 耍比 较准确地测试出岩石中地震波波速。矿井巷道常常是沿某一特 定层位工作的， 这一特定层有时正是岩层速度分层中、 高 、 低或高 、 中、 低 的速层。应用声波超前探测小构造时， 声波将以它特定的形式使阵面的 垂直方向不再扩展；而前方有岩层不整合体时它将以绕射波形式返回。 接收到的绕射波是从发射到反射体，再从反射体到接收的最大双波程。 要求所测岩层的波速必须是介于上 、 下两个高速岩层之间， 层位基本稳 定， 所测岩层基本上是均质的， 断层落差 大于所测岩层厚度的 1 ／ 2 检 波器和击发器均耍平行地与所测岩层实体符合。 1 波的传播特征 声波在均匀介质中是以球面波形式传播， 能量呈球面发散效应。当 在掘进过程中， 所测岩层波速符合上述条件， 平行岩层击发， 且击发点位 于所测岩层垂直厚度中部时， 波的最初传播形态为锥体波 而后由于波 大值。五是在_ r J _F 励磁调节控制装置电路中增加丢脉冲、 晶闸管故障指 示回路． 以便故障处理。 六是如果各环节正常而无整流输出， 应怀疑相序 错 控制脉冲与电源不同步 ； 如果有输出电压而无直流电流输出， 应检 查电动机滑环， 碳刷接触情况。七是更换晶闸管 平板式 时必须强调工 艺性， 在晶闸管的接触面涂硅油， 装接过紧或过松均会影响闸管性能。 与 晶闸管 A ， K极面接触的散热器凸台若错位， 就会损坏晶闸管。八是同步 电动机故障停机后必须仔细检查励磁装置。 同步电动机正常停机时有 5 s的逆变消磁过程， 故障停机易造成逆变颠覆， 晶闸管击穿、 快熔熔断。 如 果装置丢脉冲、 晶闸管性能不佳， 易造成逆变颠覆。 九是用示波器观看直 流电压输出波形 ， 如果少了一个脉动， 应肯定为丢脉冲， 如果一只晶闸管 不导通， 输出波形将少两个脉动 十是三相全控桥每一个桥臂一周期通 过 1 2 0 。 矩形电流， 可在每一个桥臂加装直流传感器L E M块监视， 与脉冲 监视回路共同组成故障判断系统，基本不用示波器， 处理故障非常方 便。 实习编辑 李敏 入射到上、 下两个高速岩层的入射角随着波的传播逐渐大于岩层的临界 角， 因此， 波的传播形式可有下面几种 第一． 沿高速层滑行 ； 第二， 高速 层的反射波； 第三， 很少部分透射； 第四， 一部分沿所测岩层的介质传播， 但这部分波的波阵面的垂直方向受高速层的限制不再扩展， 球面发散效 应在波阵面的垂直方向不再起作用，只影响波在水平方向的能量传播。 因此 ， 波沿岩层的传播 ， 波阵面的方向基本是不变的， 见图 1 。图 1 中， 表示巷道， A 表示震源， 口 表示直达波， 表示滑行波， D 表示反射波， 表 示渡阵面 2 超前探测原理 在井下复杂的条件下 ， 超前探测的弹性波沿煤层传导。 传递波的介 质位于顶底板两个高速岩层之问。弹性波在煤层中传播时， 受上下两个 高速层的限制， 波面扩展很难超过煤层。 渡阵面以球面波形式向前延展， 当 遇到凸起和棱角时 即煤层不连续处 。 根据惠更斯原理， 该处将形成新震 源， 再次发射球面波向周围传播， 这就叫绕射波。绕射波沿煤层向回传播 时， 在巷道壁上的检波器就可以收到绕射波信息。 并且， 绕射波的能量大小 ／ I J 碉 、 ] L ／ s ／ { ／ v D 旦 LT 【 4 『 来 自整流变压器Z L B a 交流传感器 b 直流传感器 图 3 电流反馈回路 1 5 V 1 5 V 0 V 第一作者简介 岳优杰 ， 男， 1 9 6 8 年 1 2 月生， 1 9 9 1 年毕业于山西矿 业学院，工程师，西山煤电集团公司屯兰矿机电科 ．山西省古交市 ， 0 3 0 2 0 6 ， Pr o b e i n t o a n d An a l y z e o n t h e Fa u l t s o f t h e Ex c i t a t i o n De v i c e YU E Yo u - j i e ， L I Z h i - d o n g ABS TRACTT h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e f u n c t i o n s o f t h e e x c i t a t i o n d e v i c e i r a t h e n o r ma l o p e r a t i o n o f t h e ma i n f a n ， a n d c o n n e c t i n g wi t h t h e a c t u a l s i t u a t i o n ， ma k e s t h e t e c h n i c a l a n a l y s i s o n t h e f a u l t s o ft e n o c c u i n g i n t h e e x c i t a t i o n d e v i c e s ． KEY W ORDS e x c i t a t i o n d e v i c e ； ma i n f a n ； s h a f t ； c o a l e n t e r p r i s e 2 6 8 维普资讯 杨霖绕射波在掘进巷道中超前探测小构造的应用 本刊E - m a i h b j b m a i l ． s x i n f o ．n e t 经验交流 图 1 波的传播示意图 与构造界面倾角成正比关系。根据这 基本原理， 便可达到在巷道掘进中 预测预报地质构造的目的． 从而为安全生产提供可靠的地质依据。 在一些超前探测小构造的实际资料中． 发现所测岩层的前方倾角小 于4 5 。 甚至 3 2 。 的构造面也能接收到， 这用压缩波和横波的射线理论很难 说明， 但用绕射波却很好解释。当传播的地震波遇到岩层的不整合体的 突变点、 地层尖灭点 、 断层的棱角 侵人体边缘等岩石物性匣著变化的地 方时， 将以这些“ 棱” “ 角” 点作为一个新震源产生振动， 并向周围传播， 见 图 2 图2 绕射波和时距曲线 在超前探测小构造时， 前方的断层正是岩层的不整合体 ， 同理也产 生绕射渡。绕射波仍遵循波阵面在垂直方向不再扩展的理论， 回到接收 点， 见图3 。 断层倾角大小直接影响接收绕射波的能虽， 断层倾角越小， 接 收绕射波的能量越低。 这样， 可在掌子面上向岩壁击发， 以极小甚至同点 源检距接收， 就可利用回传的绕射波探测前方的构造面。 图 3 层内回波示意图 3 绕射波的识别和计算 在井下岩巷超前探测小构造时． 垂直岩壁击发。当岩层厚度远远小 于超前探测的距离时， 巷道周围的转换波及反射波将仅次于直达波而到 达接收点， 然后是岩层顶部和底部界面的反射波到达接收点， 这些波并 不是要接收的有效波。这部分波一般在震相图的最前面， 而前方界面的 绕射波要迟后到达， 同时它的前面有很清楚的复合波位。下面是从绕射 波的时距曲线 见图2 导出的公式 入射波射线 0 A所需的时间 t l O A ／ v 1 ／ v 、 ／ 7 『 1 绕射波射线A D的传播时间 t A B ／ v ； 1 ／ v 、 ／ 2 波的总旅行时间 t t 。 声 1 ／ v 、 ／ 7 『 、 ／ 二 万 7 『 3 式中， h为绕射点的深度； 2 为A点在地面的投影点与爆炸点之间的 距离； 为锤击点 上述公式是在地面测试时的计算。而在井下掘进巷道中， 其巷道宽 度有一定的限度， 不允许布点太多。为了找其相关性， 一般需多测几个 点， 于是采用小极距或自激自收的方法。 这样， 在巷道中超前探测小构造 时， 可认为 ， 2 均为零值， 即 t 2 h ／ v 4 图 4 为在某巷道顺槽掌面运用探测仪测试的波形记录 从图4中可 以看出， 煤与岩的各种反射波形组特征明显 ， 并且 ， 在 1 0 m s 1 9 m s 。 3 6 m S 和4 5 m s 左右具有明显的反射波组， 取该煤层综合地震波速 1 8 0 0 m ／ s 计 算， 可得前方 9 m ～ 1 7 m处为构造异常面 即断层的出现 ． 3 5 Ⅱ l 一 - 4 3 r ii 处 为空巷位置。 所解释的界面异常， 是依据波形所得。 需要说明的是， 此次 探测因是初次测试 ， 岩层波速值选取为参考值， 其大小可能会对距离计 算带来一定的误差。 1 ．9 2 4 ． O 8 1 O．O 8 1 6 ． O 8 2 2 ，O8 2 8 ．O 8 3 4．O 8 4 0 ． O 8 46 ．O8 5 2 ， O 8 5 8 ． O 8 ． - ， ● ’ - ～ ， I ． - ．．一 ●． 一 一 ， 一 ．-．● ⋯，_ 。 ／ - ‘ ． d ih ， ． 。 ‘ - ’ ～-- ● 一 一 刍． ● ● ● 一． _ | m ／ ．- 一 4 结语 m s 图4 某巷道探测仪测试的波形记录 便携式矿井探测仪是应用绕射波来超前探测巷道掌子面前方小构 造的， 在目前属一种新的技术 ， 它已成为在掘进巷道中地质预测预报的 有效辅助工具。 在实际工作中． 速度取值的精度至关重要， 目 前采用的测 试速度的方法是透视法， 现场实际取值极方便． 精度也高 只是距离较小 的探测， 其难度相当大， 但可以预测。随着技术的不断进步， 超前探测小 构造技术将会在实际应用中发挥更大的作用， 从而为矿上减少资源浪费 提供可靠依据。 责任编辑 薛培荣 第一作者简介 杨霖， 女， 1 9 7 0 年 9 月生， 1 9 9 2 年毕业于山西省煤 炭工业学校， 助理工程师． 凤凰山矿地测队， 山西省晋城市。 0 4 8 0 0 7 ． Th e Ap p l i c a t i o n o f Di ffr a c t e d W a v e i n t h e Ad v a n c e De t e c t i o n o f t h e S ma l l S t r u c t u r e i n t h e Tu n n e l l i n g YANG Li n ABS TRACTT h e p o r t a b l e mi n e d e t e c t o r ．w h i c h i S u s e d t o ma k e a d v a n c e d e t e c t i o n o f t h e fro n t s ma l l s t r u c t u r e o f t h e mi n i n g f a c e s b y u t i l i z i n g t h e d i f f r a c t e d wa v e ， h a s b e c o me a n e f f e c t i v e a u x i l i a r y t o o l f o r t h e f o r e c a s t i n g i n t h e t u n n e l l i n g ． I n t h e s p e c i a l h o r i z o n s ． w i t h t h e s p e e d b e l o w t h e me d i u m o n e o f t h e u p p e r a n d l o we r wa l I r o c k s ． t h e s e i s mi c w a v e w i l l b e r e f l e c t e d i n t h e fro n t s ina i l f a u l t s o r s ma l I s t r u c t u r e s a n d r e t u r n t o t h e d e t e c t o r w i t h t h e f o r m o f t h e d i f f r a c t e d w a v e ．i t s l o n g e s t d e t e c t i n g d i s t a n c e h a d r e a c h e d 1 8 4 me t e r s ． KEY W ORDS d i f f r a c t e d wa v e ； a d v a n c e d e t e c t i o n ； s ina i l s t r u c t u r e 2 6 9 1 2 34 56 7 8 9 O1 2 维普资讯