瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常_李胜.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-11-05 基金项目 国家自然科学基金项目（51004063）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目（LJQ2011029） 作者简介 李胜（1976），男，四川资中人，教授，博士生导师，从事矿山压力与矿井动力灾害防治研究. E-maillisheng76 引用格式 李胜， 祁晓鑫， 李军文. 瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常［J］. 煤田地质与勘探， 2015， 43（1） 96-99. 文章编号 1001-1986（2015）01-0096-04 瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常 李 胜，祁晓鑫，李军文 （辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000） 摘要 掘进工作面前方存在断层、溶洞、陷落柱、含水层等地质构造，常常导致透水、冒顶等灾害性 事故。采用 YTR（D）瑞利波探测仪对山西潞安集团五阳煤矿 7603 掘进工作面进行超前探测，并对现场 采集的数据进行处理和分析。结果显示，2 个测点共发现 9 处异常区，通过后期工程验证，有 7 处探 测异常区与实际揭露的结果基本一致，探测与实际揭露异常区域位置误差均在 4 m 以内。 关 键 词瑞利波；地质异常；超前探测 中图分类号TD 15；TD 166 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.020 Advanced detection technology of Rayleigh wave for detection of abnormal geological structure in excavation face LI Sheng， QI Xiaoxin， LI Junwen （College of Mining， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China） Abstract In the front of excavation face， there exist abnormal geological structures such as fault， karst cave， col- lapsed pillars and aquifer， which usually bring about hazards like “pervious to water” and “roof fall” etc. How to accurately and effectively detect the geological structure in the front of excavation face has became a problem ur- gently needed to solve during production in coal mine. TYR （D） Rayleigh wave detector was adopted in advanced detection in driving face 7603 of Wuyang mine. The collected data were processed and analyzed， the conclusion is basically consistent with the engineering verification， thus obtaining good application effect. Key words Rayleigh wave； geological anomaly； advanced detection 有效探测煤矿掘进工作面前方的未知地质构 造，及时准确地做出地质灾害预测及预防，对煤矿 安全生产意义重大。 近些年，国内外技术人员将物探方法用于煤矿 井下超前探测，地震勘探、地质雷达、钻孔透视等 技术均取得了一定的成效，其中一些方法探测距离 可达几百米，并且探测精度很高，但是这些方法对 地质条件的要求比较苛刻，投入成本较高。瑞利波 勘探技术具有探测距离远、探测可靠性高、携带方 便、操作简单以及探测结果实时显示等优点，有利 于掘进工作面前方地质异常情况的超前探测［1-2］。本 文采用 YTR（D）瑞利波探测仪， 对山西潞安集团五阳 煤矿 7603 掘进工作面进行超前探测研究， 以期对煤 矿掘进工作面安全施工有指导意义。 1 瑞利波探测原理 瑞利波探测原理利用了瑞利波的两个特性一 是波在分层介质中传播时的频散特性；二是波的传 播速度与介质的物理力学特性密切相关。 当波在分层介质中传播时，瑞利波信号在不同 频率 f 的平均速度 VR与介质特性密切相关，在岩层 发生变化的界面就会出现波阻现象，即产生瑞利波 频散特性。由此得到该测点r- rVλ频散曲线，通过利 用小波分析法对瑞利波做出奇异性显示方式，使岩 性介面分层频散突点在探测深度曲线上直观显示出 来，便于做出物探异常推断解释（图 1）。 当在地面或者掌子面上，施加一个瞬间激振力 后，在地面表层就有瑞利波的传播。这种方式产生 的瑞利波是一个宽频带的脉冲，由许多简谐波分量 叠加而成。每一个简谐波都以一定的相对速度 Vr 传播，Vr 是频率 f 的函数。 那么，设离震源一定距 离 处 有 两 个 测 点 A 、 B ， 两 点 之 间 的 距 离 为 （X2-X1）Δx，可以计算出 A、B 两点之间相位差为 ChaoXing 第 1 期 李胜等 瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常 97 图 1 多道瑞利波施工布置图 Fig.1 The layout of Ralyleigh wave detection 21 2π （）2π rr f XXf x VV φ -Δ Δ （1） A、B 两测点间的距离 Δx 是已知的，利用频谱分析 技术就可以计算出瑞利波每一频率点上的相位差 Δφ。根据式（1）求出相速度 Vr 2π r fx V φ Δ Δ （2） 相速度是瑞利波确定地层构造的关键参数。因 此，有了相速度和频率的关系，在知道波长与频率 的关系，就可以求出相应的波长为 r r V f λ （3） 目前确定瑞利波探测深度一般都采用半波长解 释法，也就是说探测深度 H 为 rr 22 V H f λ （4） 这样，做出以横坐标为rV，纵坐标为深度，能 更清楚的描述出速度与深度的关系及变化规律的频 散曲线，可以更直观地对频散曲线做出解释［3-5］。 2 五阳煤矿 7603 掘进工作面探测 2.1 地质概况 潞安集团五阳煤矿核定生产能力 300104 t/a， 7603 运输巷掘进工作面位于 76 南部放水巷和 76 皮 带巷之间，7605 采空区以南，与 7605 回风巷平行， 相距 30 m，供 7603 综放工作面回采。7603 运输巷 掘进工作面沿煤层伪倾向布置，沿巷方向自然坡度 为-5～6，底板主要为泥岩，局部为细粒砂岩或粉 砂岩。工作面开采对象为山西组中下部 3 号煤层， 赋存稳定，平均厚 6.16 m，含两层夹矸，分 3 个自 然分层。根据三维地质勘探资料及附近巷道掘进资 料分析，在掘进过程中会有地质构造异常情况，对 煤矿安全生产造成了威胁。 2.2 测点布置与数据处理 在五阳煤矿 76 采区 7603 综采工作面运输顺槽 掘进工作面分别对掘进头和底板进行井下瑞利波超 前探测和深层探测， 获得其地质变化带的分布情况。 根据 YTR（D）瑞利波探测范围（0～200 m）及 7603 工作 面巷道布置和实际生产情况，瑞利波探测位置布置 图如图 2 所示，图 2 中 1 点为掘进头超前探测点位 置，2 点为掘进头底板深层探测点位置。 1 号测点超前探测选择在 7603 工作面运输巷 350 m 处的掘进头。已知 7603 工作面掌子面宽度为 5.5 m，因此采用短观察系统，即两道检波器之间距 离 50 cm，震源距离第一道检波器距离也为 50 cm 的布置方式。布设时，应确保掌子面上的岩石完整、 无松动脱落，并且测点布置位置尽量选择宽度最大 的地方布设（图 3）。 2 号测点底板深层探测选择距掘进头 15 m 处的 底板。检测采用 6 道观察系统，道间间隔 1 m，震 图 2 瑞利波探测位置布置图 Fig.2 Arrangement plan of Rayleigh wave detection ChaoXing 98 煤田地质与勘探 第 43 卷 源距第一道间距 1 m，观测系统共计 6 m。布设时， 钢钎尽量避开巷道内的钢轨，保证工作地点附近没 有打钻或矿车经过等干扰影响［3］（ 图 4）。 图3 7603 掘进工作面掌子面瑞利波传感器布置图（单位 mm） Fig.3 Arrangement of Rayleigh wave sensor in the working face of driving face 7306 图4 7603掘进工作面底板瑞利波传感器布置图（单位 mm） Fig.4 Arrangement of Rayleigh wave sensor in the floor of driving face 7603 3 探测结果分析与验证 3.1 探测结果分析 采用锤击的方式，对 1 号测点和 2 号测点分别 进行 5 次测试，把测试生成的文件导入计算机生成 探测的原始数据。将测量所获得的数据经过瑞利波 专用处理软件分析，形成的结果曲线如图 5 和图 6 所示。其中，半自动图为单个测点生成的曲线图， 全自动图为经屏幕处理过的几个有关联点的曲线 图。在“频深转换”处理中通过建立速度来矫正探测 深度，并形成深度曲线。建立速度用“全自动”方式。 “全自动”是指计算机根据屏幕上所有的频散曲线的 特征来自动求取平均速度值，并用该平均速度对各 频散曲线分别做频深转换［5］。 由计算机处理后生成的结果可知，1 号探测器 即7603综采工作面运输顺槽350 m处掘进头向前探 测区域 200 m 范围内存在 4 处瑞利波异常，分别出 现在前方17～19 m、30～40 m、80～100 m、140～ 160 m，波峰位于 17.5 m、34 m、85 m、150m 处。 2 号探测器即 7603 综采工作面距掘进头 15 m 处的 底板向深层探测区域 200 m 范围内存在 5 处瑞利波 异常， 分别位于前方 1.2～2 m、 4～5 m、 7～8 m、 12～13 m、 20～30 m，波峰位于 1.5 m、4.4 m、7.6 m、12.5 m、 27 m 处。 3.2 探测结果验证 后期在巷道掘进及工作面回采过程中，对超前 探测区域进行了逐步揭露，与瑞利波探测结果具有 很好的一致性［6-7］（表 1）。 对五阳煤矿 7603 工作面 200 m 范围内 2 个测 点进行了多组探测，共测出 9 个异常区域，经工 程验证有 7 处与地质异常相符。另外两处其中有 一处为未发现异常已经排除，可能由其他未知因 素引起，另一处由于掘进工作并未到达该位置因 此并未揭露。经工程验证所知的实际存在的地质 异常区域与探测结果基本相符，即存在地质异常 的区域通过探测均已测出。由表 1 可知，探测异 常区域经实际揭露， 其位置误差较小， 均控制在 4 m 以内。 图 5 7603 工作面掘进头瑞利波探测结果 Fig.5 Result of Rayleigh wave detection at heading end of working face7603 ChaoXing 第 1 期 李胜等 瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常 99 图 6 7603 掘进工作面底板瑞利波探测结果 Fig.6 Result of Rayleigh wave detection in the floor of working face 7603 表 1 探测与实际揭露异常区对照表 Table 1 Comparison of detection result 测点 探测异常区/m 实际验证异常区 17～19 16.5 m 处断层 30～40 34 m 处断层 90～100 90 m 陷落柱 1号 140～160 未揭露 1.2～2 1.5 m 处断层 4～5 未发现异常 7～8 7.8 m 陷落柱 12～13 12.3 m 处含水层 2号 20～30 23 m 处断层 4 结 论 a. 利用 YTR（D）型瑞利波探测仪，对五阳煤矿 7603 掘进工作面进行多组探测，每组数据均有异常 区显示。探测出的断层、含水层等地质异常区域均 与现场揭露基本一致。 b. 根据瑞利波在分层介质中传播时的频散特 性，以及瑞利波的传播速度与介质的物理力学特性 的相关性，将多道瑞利波法用于井田地质构造勘探 是可行的。 参考文献 ［1］ 李智毅，王智济，杨欲云. 工程地质学基础［M］，武汉中国 地质大学出版社，1990. ［2］ 杨成林. 瑞利波勘探［M］. 北京地质出版社，1993. ［3］ 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，2008，36（4）67-69. ［4］ 马飞，闫建浩. 瑞利波探测技术在塔山矿的应用［J］. 中州煤 炭，2011（11）34-36. ［5］ 焦晓飞. 瑞利波探测技术在王庄矿的应用［J］. 煤炭技术， 2008，27（12）118-120. ［6］ 王小波，王勇. 瑞利波探测仪在矿井探测中影响精度的因 素［J］. 地质装备，2008，9（6）16-18. ［7］ 王维维，陈维新，康宇. 大安山煤矿井下瑞利波超前探测 技术［J］. 煤田地质与勘探，2011，39（1）68-70. （责任编辑 宋震炎） ChaoXing