瑞利波探测技术在矿井中的应用.pdf

1 9 9 7 年第 1 期 矿 井 ． 地 质 ． 总第 1 7 期 ， 一一 ，f a m O l D 瑞利波探测技术在矿井中的应用 邢燮 ‘ 量 盎． 卫 伟 ￡ 新宇 摘要 本文简 要 介绍了瑞利波探剥的基本原理及其在矿井地质中的应用。 关 键词 塾 ， 彩暖 1 前 言 ／ 根据弹 性 渡理 论， 瑞 利渡 是能量主 要集中 瑞利渡勘探方法是国外最近十年发展 起来的新的浅屡地震勘探方法， 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 是纵波和横渡。在浅层勘探中与其它常规 物探方法相比， 它具有分辨率高、 应用范围 广、 受场地环境影响小等优点。 瑞利渡勘探技术是 日本 V I C公司 1 9 8 1 年开发成功的。 他们研制的G R 一8 l 0 全自动地下勘探机主要用于地基、 桥基、 坝 址、 滑坡界面等勘查。但该套设备价格昂 贵， 体积宠大， 震源过重． 功耗太大， 不能解 决防爆问题， 不适合直接在井下使用。 煤炭科学研究总院西安分院在引进日 本佐藤式瑞利渡勘探仪的基础上， 研制成 功适用于井下的MR D -- I 型瑞利渡勘探 仪， 经改进又研制成功了I 型瑞利波勘探 仪， 使得该技术应用于煤矿井下成为可能。 经多年的应用， 效果较好。 2 瑞利波勘探的基本原理 瑞利波勘探属于浅层地震勘探 ， 它是 基于不同振动频率瑞利波在传播方向上的 衰减差异， 反映不同勘探深度的地质构造。 在介质自由表面附近传播的面渡， 其深度 差不多在一个波长尺度范围之内。一般认 为， 它是由不均匀的纵波和横波耦合而成。 仅分布在自由表面附近， 其波速既小于纵 波， 也小于横渡， 能量按 1 ／ √ r的比例缓 慢衰减。在致密弹性体中人工激发产生并 以柱前波方式传播的这种瑞利被在遇到液 相和气相介质如水和空气时， 将迅速衰减、 分解和转化， 在软岩层或破碎带中其衰减 也很迅速。 因此， 利用瑞利波的传播特性可 以探测并识别地质异常体， 如断层、 空洞、 岩溶、 陷落柱、 破碎带等。 经研究发现， 在圆柱形衬垫上施加一 个垂直冲击力， 将产生占总能量约 6 7 的 瑞利波、 2 6 的横渡、 7 的纵波， 即有约 2 ／ 3的冲击能量转换成瑞利波。瑞利波勘 探方法正是利用了其能量大、 衰减慢的特 点。 在理想半无限弹性空间， 即在没有地 质分层的情况下． 瑞利波的速度是仅取决 于介质密度和泊松比等弹性特征而与频率 无关的常量， 即 V l， 式中 一瑞利波的传播速度； 邢相荣t 工程师， 山东省肥城市王瓜店镇 邮编 2 7 1 6 0 8 维普资讯 瑞划披探摆 I 技术在矿井中的直用 o 4 1 ， 一频率； 一波长。 可以认为． 瑞利波主要分布在一个波 长的深度范围内。从式中可以看出， 当 不变时， 和 ，成反比， 即当频率较高时， 波长就较小， 因而只能反映地下较浅层的 岩土特性； 反之当频率较低时， 波长就较 大． 因而能勘探地下较深处的岩土特性 所 以可通过改变频率的大小来改变勘探的深 度。 在非均匀弹性介质中， 不同频率的振 动以不同的速度传播， 这就是瑞利波的频 率分散特性， 平均波速与频率或波长的关 系曲线称频散曲线， 当瑞利波在传播中遇 到断层、 破碎带等地质异常体时， 频散曲线 会突然中止或产生畸变， 据此可以划分地 层和识别地 贡异常体。 3 瑞利波勘探方法 3 ． 1 现场测试 在测试现场， 用两个加速度传感器作 瑞利波接收装置， 再用一个传感器作触发 指示， 以启动微机控制的采集系统工作。 在井下勘探时， 必须用速凝水泥、 双面 胶带等将传感器固定在巷道的顶板、 底板 或侧壁上。这两个传感器对称地布置在探 测目的物两边， 它们之间的距离受探测对 象、 激发条件等限制， 通常在 0 ． 5 ～2 m之 间。振源和触发器布置在传感器的一侧并 排列在一条直线上。 激发一般采用锤击。为激发较强分量 的瑞利波而且有较好的重复性， 以便于多 次锤击后作信号叠加， 在锤点上应加一快 圆铁垫， 在条件允许的情况下还可在传感 器两边对称位置上反复激发， 对测量结果 作累加平均。 3 ． 2 数据处理 现场测得的数据带回室内进行微机处 理。处理的内容包括作出频散曲线并得到 分层曲线 对实测信号经过频谱分析， 计算 其频谱范围、 相干函数和相位曲线。 在从相 干函数曲线中选择出来的频率范围内对每 个频率分量进行计算就可得到频散曲线， 再从频散曲线得到按速度分层的分层曲线 图 1 、 图 2 。 4 探测实例 4 ． 1 肥城矿务局高余煤矿一8 0 m帷幕上 山 图3 ， 利用瑞利波法进行超前探测， 推 断迎头前方 5 ． 8 5 m处有一断层， 巷道掘至 6 ． O m处见一落差 1 ． 2 m的断层， 误差仅为 0 ．1 5 m 。 维普资讯 4 2 矿 井 地 质 圈3 南高余矿一8 0 m帷幕上山超前探测 示意图 4 ． 2 杨庄矿 8 6 0 8 工作面F 。 断层探巷迎 头 图4 ， 利用瑞利波法探测F 断层的位 置， 推断前方 ． 9 8 m处为 断层， 后往前 掘至 B m处见断层， 误差为0 ． 0 2 m。另在 1 0 ． m和 2 9 ． 3 3 m处有二个速度分界面， 因巷道停止掘进， 所以无法验证。 r 断层 L ～ 图4 橱庄矿8 6 0 8 工作面F 探巷超前探测 4 ． 3 曹庄矿 9 2 0 5轨中巷， 沿巷道一帮向 佣方探测 图5 。根据其它巷道揭露断层 的情况推断， 前方约 4 ． 7 m处有一落差为 2 ． 3 m的断层 瑞利波法推断断层的位置 在 4 ． 4 m处， 与地质推断吻合， 误差为 0 ． 3 m 。 4 、 4 煤厚探测。在厚煤层分层开采中， 探 明剩余煤层的厚度， 对煤矿生产具有重要 的意义， 利用 j；}利波法可以较准确地探测 出剩余煤厚。 曹庄矿 3 1 2 0 4 轨中巷 图6 ， 沿巷道底板布置4个煤厚探测点， 向下探 测 3 煤层剩余煤层厚度。测量点附近的 3 号溜煤暇， 揭露煤层的垂直厚度为 6 ． 4 3 m。 各探测点的解释厚度加上采高， 总厚度分 别为 6 ． 5 2 m、 6 ． 4 6 m、 6 ． 5 9 m， 与 3号溜煤 眼揭露的煤层厚度相比， 各点误差分别为 0 ． 0 9 m、 0 ． 0 3 m、 0 ． 1 m和 0 ． 1 6 m。 圈6 曹 芷 矿3 1 2 0 4 轨 中 巷 煤 厚 探 测 5 结束语 瑞利波法最近十年才发展起来的一种 浅层地震勘探方法， 可以有效地探测掘进 迎头前方及工作面内部的断层、 破碎带、 岩 灌、 陷落柱等各种复杂的地质构造， 可以探 测隔水层厚度， 可以进行超前、 侧方、 底橼 顶板全方位探测， 对于煤矿安全生产和防 治水工作具有重要的意义。 参考文献 1 橱成林 ． 瑞利波勘探原理及其应用． 物探与 化探， 1 9 8 9 6 维普资讯