瑞利波勘探在矿井断层探测中的应用.pdf

2 0 1 3 年第 9 期 西部探矿工程 1 0 9 瑞利波勘探在矿井断层探测中的应用 张 军 ， 赵 莹 1 ． 中煤科工集 团西安研究院， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 ； 2 ． 西安大地测绘工程有限责任公司， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘 要 瑞利波可对煤矿井下进行全方位探测， 具有简便、 快速、 应用范围广的优点。介绍了瑞利波 依据瞬态瑞利波井下探测原理 ， 对影响探 测精度 的因素进行 了分析。在井下用瑞利波方法探 测超前 探测煤巷 、 岩巷前方断层等构造 ， 取得 了满意的效果。利用瑞利波勘探技术进行地下介质分层 时， 其 优势十分明显。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 ； 频散特性 中图分类号 P 6 3 1 ． 4文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 0 1 3 0 9 0 1 0 9 - 0 3 在煤矿生产掘进过程 中， 由于前方地质情况不明 ， 例如 断层、 破碎带、 陷落柱、 采空区等， 常常伴随出现瓦 斯、 涌水、 塌方等地质灾害险情。这些问题的发生严重 影响煤矿 的高产高效以及安全生产。如何有效探测矿 井掘进前方隐伏地质构造 ， 及时准确做出地质 灾害预 测和预报 ， 是煤矿生产过程 中尚未完全攻 克的技术难 题 。由于传统的钻探方法费时费力 ， 较 为科学 的做法 是采取井上、 井下相结合的立体式综合物探勘查模式， 用有效的技术手段 和方法进行地质构造 的超前探测 ， 是 目前妥善解决矿井地质 问题 的有效方法口 ] 。 长期 以来 ， 煤 矿井 下巷道掘 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r I ] 。 I 瑞利波探测原理 叫 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 传播 。 是 厂 的函数 ， 最后导 出相速度 。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 ，1 ，1 ， V r ／f， 并根据半波长 解释法确定探测深度 H H2 ， ／ e ／ 2 厂 1 瞬态法瑞利波勘探的工作过程是在放炮点上产 生 一 个瞬态冲击振动作为震源 ， 该震源产生一定频率范 围的瑞利波 ， 不同频率和振 幅的瑞利波叠加在一起 向 前传播 ， 在距震源 处的测线上 ， 采用纵观测系统 ， 即 震源和传感器排列在一条直线上 ， 以道 间距为 △z 安置 有两个或两个以上单分量加速度传感器 ， 对于布置传 感器的道间距 ， 理论上讲 越 大 ， 所接收瑞利波 频谱的低频成分越丰富， 对加大勘探深度非常有利。 如果 太小 ， 所 接收的各道信号就 没有 足够的相位 差 ， 从而无法保证资料处理。多道瞬态法瑞利波探测 原理如图1 所示。 由于施工现场条件 限制 ， 应视施工现场场地大小 来 决定 ， 在通常情 况下 ， 道 间距 布置 为 1 0 0 c m 左 右。震 源激发点距第一个传感器 △ r也布置约 }收稿 日期 2 0 1 3 - O 1 2 3 第一作者简介 张军 1 9 8 1 一 ， 男 汉族 ， 陕西三原人 ， 工程师， 现从事瞬变电磁学的研究工作。 1 1 0 西部探矿工程 2 0 1 3 年第 9 期 机械震源 A 、B ⋯F 为传感器 机械震源 图1等距离观测系统 A 、B ⋯F 为传感器 图2不等间距观测系统 1 0 0 c m左 右 。由于巷道超前探 测受 到巷道宽度 的限 制， 传感器装置采用特殊的施工布置， 超前探测施工布 置示意图如图2 所示。其中 布置仍为1 0 0 c m左右， 为 2 0 c m。探测物理点位置在 C与D的中心。 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 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， 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 A x， 通过计算得 到每个频率相应的 值 v r 2 f A x ／ A 2 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 瑞利波探测的影响因素 测线 、 测点布置可垂直于岩层或构造走向， 也可顺 岩层 如顺煤层追踪其走向 走向， 测线尽可能布置成直 线 。如果施工现场条件不能满足上述要求 ， 则要计算 出传感器与岩层的夹角， 以便在最终的处理结果 如层 厚度 上修正。采用顺层布置传感器便于物探结果的 解释。 瑞利波探测法通常采用纵观测系统 ， 锤击点与传 感器应布置在同一条直线上， 传感器要尽可能布置在 同一岩层中。不同的表层岩性， 对传感器要采用不同 的安装方法。 瑞利波探测的精度和深度受震源 、 检波器布置、 采 集参数设置及测量工作环境等许多因素的综合影响。 在井下实际工作 中， 应综合考虑各个 因素来确定道间 距、 偏移距、 采样率、 放大增益、 锤击次数、 测线布置等， 选择合理的采集窗口。 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。 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。 3 应 用实例 图 3 是对巷道 1 0 3 断层穿过 1 4 1 2 1 工作面部分进 行探测。根据施工现场条件 ， 道间距 A x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 。经过现场探测 ， 施工结束后在地面 利用计算机对采集到的 3 组数据处理后 ， 分别得到 3 组 瑞利波速度曲线 图3 。图3 中， 尖峰突起即代表异常 所在位置。从 3 个测点反映出的异常情况可以看出， 在 2 0 1 3 年第 9 期 西部探矿工程 l l l 测点一 测点二 测点兰 1 ．0m 1 ， 0 m 1 ． 0 m _ 1 ． 5 1 ． 5 I ． 5 2 2 2 3 ●■ 3 3 ● 4 4 4 5 5 5 ■ ●-‘ 1 O l O 1 O 1 5 ， 1 5 l 2 0 r 2 0 2 0 I I 3 O 3 0 3 0 图3瑞利波探测结果曲线 探测范 围内， 1 0 2 0 m范 围内， 存 在一个较 明显 的异常 层位反映 ， 此层位可认为是断层边界 。 经验证后确定的 1 0 3 断层与瑞利波探测的结果 图 3 对比可以看出， 探测结果基本吻合。瑞利波解释异常 位 置 分 别 为 测 点 一 1 6 ． 2 m， 测 点 二 1 4 ． 7 m， 测 点 三 1 3 ． 6 m。S F1 0 3 断层在 1 4 1 2 1 的切眼和运输顺槽两个 位置均 已揭露 ， 位置基本控制 ， 控制位置见 图4 。该 断 层落差 3 ～5 m， 延展走 向与探测方 向接近垂直 ， 断层 面 距探测地点 1 0 1 5 m； 实验区域 内煤层稳定 ， 顶板为砂 质泥岩 ， 底板为泥岩。 4结语 瑞利波 目前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 囹4 探测测点布置 不意 图 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 。随着方法技术进步 ， 瑞利波勘探技术 的应用领域会更加广阔。但是 ， 同任何一种物探技术 一 样 ， 瑞利波技术 的应用也有其一定的特定前提 ， 也就 是说 ， 勘察对象必须具有能进行 面波勘探 的地球物理 条件。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 ]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 】 ． 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 13 严寿民． 瞬态瑞利波勘探方法 f J 1 ． 物探与化探， 1 9 9 2 ， 1 6 4 l 1 3 -1 1 9 ． [ 4 】 丛皖平 ， 张鹏， 王继矿． 多道瑞利波在矿井独头巷道超前探 中的应用[ J 】 ．煤田地质与勘探， 2 0 0 8 ， 3 6 4 6 7 6 9 ． 【 5 ] 王小波， 王勇． 影响瑞利波在矿井中探测精度的因素[ J ] ． 煤 田 地质与勘探， 2 0 0 9 ， 3 7 1 7 2 7 4 ． 上接第 1 0 8 页 总点数 3 0， 要求 的中误差 5 ． 0 0 0 实际中误差1 ． 8 0 2 ， 粗差点数 超过三倍 中误差r 0 检查结果 符合 国家规范关于数字高程模型的精 度要求 。 4 结论 检查点的精度能够反映数字高程模型的精度 。从 实际效果看 ， 生产结果是令人满意的。在 2 0 1 1 年 民丰 测 区中使用 了此方法 ， 并且顺利通过 自治 区质检站质 检 。这是一种可行的方法 。 参考文献 Ⅲ 1 A r c G i s 9 ． 3 D e s k t o p地理信息系统应用教程[ E 】 ．