瑞利波在煤矿中的应用Word文档格式.docx

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瑞利波探测法具有仪器体积小、重量轻、便于携带、操作方便、探测速度快等优点,对断层、火成岩、老窑、岩溶陷落柱等地质构造的位置能够进行准确预报。

此外,仪器对使用环境要求不高,能在井下狭窄的空间有效地工作。

瞬态瑞利波探测技术是一种快捷、方便的原位测试技术,其能量衰减慢,施工采用锤击震源。

根据其探测原理及探测实践,地质构造等灾害性地质异常在瑞利波频散曲线上均会有明显的显示,利用瑞利波传播的频散特性,从而对探测前方的地质构造进行解析判断。

瑞利波探测原理主要利用瑞利波的两个特性:

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。

瑞利波探测方法分为稳态和瞬态,稳态瑞利波是每次激发一种频率,在一个测点通过多次激发和接收完成不同深度的探测;

瞬态瑞利波采用瞬态冲击震源,一次激发和接收,可以获得宽频带的瑞利波振动信号,这相当于稳态成百上千次激发的信息。

同一波长的瑞利波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况,不同波长的瑞利波传播特性则反映了不同深度的地质情况。

关键词：

煤矿煤矿地质瑞利波探测仪

Abstract

Abstract:

theapplicationofRayleighwaveflaw-detectingapparatusincoalmineroadwayprobingintoforwardgeologicalstructure,faultwaterproofcoalpillarwidth,andtheextendingdirectionoffaultthrow,subsidedcolumnandachievedgoodeffect,makethegeologicalforecast,forecastfromqualitativetoquantitative.Rayleighwavedetectionmethodwithsmallvolume,lightweight,convenientcarrying,convenientoperation,fastdetectionetc.,fault,igneousrock,gob,karstcollapsecolumnandgeologicalstructurepositionaccuratelyforecast.Inaddition,instrumentsontheuseofenvironmentalrequirementsisnothigh,intheundergroundconfinedspaceworkeffectively.TransientRayleighwavedetectiontechniqueisaquick,convenientandinsitutestingtechnology,theenergyattenuation,constructionusesthehammersource.Accordingtotheprincipleofdetectionandexplorationpractice,thegeologicaldisastergeologicalanomalyintheRayleighwavedispersioncurvewillhaveobviousdisplay,usingRayleighwavedispersion,therebytodetectthefrontgeologicalstructureanalyticjudgment.1RayleighwavedetectionprincipleofRayleighwavedetectionprincipleofRayleighwavetwocharacteristics:

oneisthewavepropagationinlayeredmediumfrequencydispersioncharacteristics;

twoisthewavepropagationspeedofmediumandthephysicalandmechanicalpropertiesarecloselyrelated.Rayleighwavedetectionmethodforsteadystateandtransient,steadystateRayleighwaveiseachexcitationfrequency,inameasuringpointthroughmultipleexcitationandreceivingcompletionofdifferentdepthdetection;

instantaneousRayleighwaveusingtransientimpactseismicsource,anexcitationandreceiving,canobtainthebroadbandRayleighwavevibrationsignal,thiscorrespondstoasteadystatehundredsofexcitedinformation.ThesamewavelengthasthepropagationofRayleighwavereflectsthegeologicalconditionsinthehorizontaldirectionchanges,differentwavelengthsofthepropagationcharacteristicsofRayleighwavesisreflectedinthedifferentdepthofgeologicalcondition.

Keywords:

coalminegeologicalRayleighwavedetecting

引言

在煤矿生产过程中，查清掘进面前方地质小构造，特别是断层、老窑、岩溶等灾害性构造情况，直接关系到煤矿安全生产以及经济效益和社会效益，甚至威、胁井下人员的生命安全。

国内外近年来对煤矿井下地质小构造探测问题进行了大量研究，现有的可用于煤矿井下地质小构造的物探技术主要有瞬态瑞利波法、槽波地震法、坑道无线电透视、矿井地质雷达及井下直流电法等。

经大量的工业性试验表明，瑞利波探测法具有仪器体积小、重量轻、便于携带、操作方便、探测速度快等优点,对断层、火成岩、老窑、岩溶陷落柱等地质构造的位置能够进行准确预报。

一、瑞利波探测概括

瑞利波探测法是近年来地球物理勘探的新技术，新工艺，它是通过采集人工地震波所携带的地下信息来分析地层结构，目前有两种方法，一种是面波变频探测法，亦称稳态法，这种方法由于激振器较笨重，在某些工程场地使用困难，特别是煤矿井下无法采用。

另一种方法是面波频谱分析法，也叫做瞬态法，它是有震源产生一定带宽的脉冲，通过测线上相距震源不同距离的多个接受传感器，把信号采集到瑞利波仪的记录中，利用FFT和频谱分析技术，通过相干函数的互动率谱相位展开谱，从而得到两个纪录信号在不同频率下瑞利波在传播过程中由于时滞而产生的相位差，根据多路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。

由已知多个接受传感器的安装距离，便可求的不同频率瑞利波的相速度，同时得到该测点的频散曲线。

由于瞬态法在理论上考虑了层状介质中瑞利波的转播理论，其探测精度高于稳态法。

二、瑞利波探测技术

瑞利波探测技术是利用弹性波中的面波在介质中传播特征来探测前方地质构造的物探手段。

仪器体积小,操作简单,探测速度快,效率高,有配套解释软件,探测效果好。

但该仪器在软层中的探测距离较短。

在不同介质中,瑞利波按不同的速度传播,这是瑞利波所具有的频散特征。

瑞利波传播速度VR=△X/△T。

式中△X为两检波器之间的距离;

△T为两检波器的时差。

波速与波长的关系为:

λR=VR/f通过计算机处理,求得不同频率的波长和波速。

频率、速度和深度之间的关系曲线称之为分散曲线。

实践证明:

瑞利波在传播过程中遇到断层破碎带,裂隙带或老塘等地质体时就会出现频散现象,速度突然变小,在分散曲线上出现突变。

用这些突变点绘出分层曲线,再结合现场地质情况,就可作出符合客观实际的地质解释。

该仪器可探测煤矿井下前方、巷道两帮和顶底板30m内的断层、陷落柱、溶洞、老窑等含、导水构造以及隔水层厚度。

三、瑞利波探测技术特点

1.分辨率高。

瑞利波勘探中，通过控制和改变振动的频率，可以到很高的勘探分辨率。

2.不受各层介质速度关系的影响。

在瑞利波勘探中，被勘探的地层中，可以有速度倒转的现象，即在高速层中可以夹低速层，在折射法中可能由于屏蔽效应观测不到厚层高速层下许多速度较低的层。

而反射法则要求各层具有较大的波阻抗差异，而瑞利波法层与层之间只要具有较小的波速差异，即可进行勘探。

基本不受测量场地周围金属物体以及电磁干扰的影响。

这在煤矿井下勘探中是十分有利的。

3.效率高。

特别是瞬态法测量一点只需10min左右，现场就可以得到勘探结果。

四、施工方法及技术

瑞利波探测仪采用了瞬态法瑞利波勘探方法，仪器具有防爆性能，既

可以应用于矿井地质构造勘探，又可以应用于地面工程勘探。

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Dx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Dx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Dx，理论上讲Dx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Dx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。

由于施工现场条件限制，应视施工现场场地大小来决定Dx，在通常情况下，道间距Dx布置约为100cm左右。

震源激发点距第一个传感器Dx也布置约100cm左右,

如图4-1所示。

图4-1.施工布置示意图

实际上在整个施工过程中应包括：

踏勘、布置测线、在测线上激发（放炮）并采集数据、资料处理与解释，下面分别进行介绍。

4.1施工现场踏勘

施工现场踏勘是正确安排施工各项工作不可缺少的一个重要环节，必须认真进行。

因此，在布置测点/测线前，要充分搜集和研究已有的地质、钻探、物探资料并进行实地踏勘。

踏勘应注意观察和了解地形、地物、布置传感器地表的岩性（不同的岩性，对传感器要采用不同的安置方法）等有关施工现场工作条件，供以后施工勘探设计和开展各项工作参考。

瑞利波的施工方法可以沿测线进行探测，提供每一条测线上的瑞利波等值线剖面图。

如果施工场地狭小，如煤矿井下掌子面超前探测，可进行瑞利波的点探测，其结果得到该物理点上的瑞利波RRV~l（波长Rl可变换为深度H）曲线。

为了准确而迅速地探明测区地质情况，必须注意测点或测线的合理布置，以满足地质解释工作的需要。

4.2测线/测点布置原则

瑞利波勘探的测线/测点布置原则与其它物探方法一样，要根据探测对象、施工环境、生产任务、地质构造和地形等条件来确定，请按照如下几点要求：

⑴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，以便最终处理结果（如层厚度）的修正。

⑵瑞利波探测法通常采用纵观测系统，锤击点（放炮点）与传感器应布置点在同一条直线上。

⑶不同的地表岩性，对传感器采用不同的安装方法。

在测线/测点上安装传感器时，可用钢钎固定法、各种粘接法（如：

502粘接剂、双面胶带、石膏粉、快干水泥）、磁铁座等安装方法，传感器必须固定牢靠，与岩层达到较好耦合。

⑷在滚动施工时，要求各道传感器的道间距Dx相等，以便资料处理时进行炮迭加。

4.3探测模式的选择

瑞利波探测仪根据不同的施工对象和目的设置了浅层探测、深层探测、超前探测等三种施工模式。

选择不同的施工模式，检波器布置方式有所不同，资料处理程序针对不同的探测模式也采用了不同的处理方法。

浅层探测模式一般用于预计探测的目的曾比较浅（不大于15m），如探测剩余煤层厚度。

这种模式的优点是探测密度大、效率高。

一般情况下建议使用深层探测模式，这种模式下传感器的布置与浅层探测模式相同，只是所布置的6个传感器只得到1个物理点的探测结果。

探测结果物理点的位置在C与D的中心。

在这种模式下，由于采用了六个信号道叠加处理，Dx增大，所接收瑞利波频谱的低频成分更丰富，而且随着检波器的增加，信息量有了较大增加，这些措施对加大勘探深度非常有利。

如果要在掘进掌子面进行超前探测,由于掌子面的宽度一般不会超过3到4

米，为了适应超前探测的施工要求,必须采用特殊的检波器布置方式，超前探测施工布置示意图如图4-2所示。

其中Dx布置仍为100cm左右,Dx’为20cm。

探测结果物理点的位置在C与D的中心。

需要注意的是，如果要实施这种探测，则必须在系统菜单中“施工模式”项中选择“超前探测”模式。

图4-2.超前探测施工布置示意图

4.4瑞利波的激发

瞬态瑞利波法震源一般采用落重法，即以一定质量为M的重块，提升高度H，自由落下撞击地面，从而产生瑞利波。

因此，当进行浅部探测时（0～2米），可用小锤。

当探测深度较大时，可采用大锤或自由落体重铁块（适用于水平地面）做震源。

瑞利波的激发如图4-1所示的那样，在放炮点上产生一个冲击振动，必须在一个圆形铜垫或铁垫（也可以是其它材料的圆垫）基座上进行。

五、瑞利波物探仪在XX煤矿探测成果及结果验证情况

5.1探测实例一

探测地点：

XX煤矿四采区63煤层右四片顺槽。

探测目的：

探测巷道前方断层的距离，结果如图5-1所示。

探测模式：

水平超前探测模式

采样频率：

4000HZ

记录长度：

1024

叠加次数：

5炮

井下测点采集的原始数据曲线见图5-1所示，数据质量合格，将测量所获得的数据经过瑞利波专用处理软件分析，得到如图5-2所示的放炮点瑞利波分层曲线。

由图可见，在右四片顺槽探测前方7~12米、16~18米、45~60米处有明显的波动，其中21米处的异常，根据实际揭露的地质资料是断层面，探测结果误差3米，由此可见，物探解释结果得到了较好的地质验证。

其它异常反应则是由于煤层内部密度不均匀性或变异因素造成的。

图5-1采集的原始数据曲线

图5-2共炮点瑞利波分层曲线

5.2探测实例二

四采区62A煤层右四片顺槽工作面

工作面前方断层

经对本工作面现场探测，采集数据，经计算机处理后，得到探测结果如图5-3，在工作面15米、20米处有地质异常，经过在本工作面上、下顺槽揭露断层产状一致，再一次证明瑞利波物探仪的可行性（由于放炮震动的影响，10米范围内地质条件不做分析）。

图5-3共炮点瑞利波分层曲线

5.3结论

1）多道瞬态瑞利波技术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；

正是利用这些特性，把多道瞬态瑞利波法用于矿井地质灾害勘查成为可能。

实际资料分析表明，采用多道瞬态瑞利波法，对工作面内陷落柱边界位置的确定，断层走向及位置确定，断层落差的判断，下部煤层探测等方面提供了新的物探技术途径，为超前预测预报和高效综采提供了技术上的支持。

2）实践应用研究表明，以先进的地质理论为指导，采用矿用多道瞬态瑞利波法是煤矿井下进行超前探测的有效方法。

该项技术的推广应用，同时在水文地质条件复杂、极复杂矿井中，能够实现真正意义上的“有疑必探，先探后掘”，大大减少了钻探工作量。

可以预见，这种探测方法的应用将在煤矿开展矿井地质灾害勘查中将发挥重要作用。

参考文献

1、瑞丽波使用说明书，煤炭科学研究总院西安研究所（2006.5）

2、XX煤矿地质内业（2012.2）

致谢

感谢西安研究院为我们做理论指导，同时感谢龙湖煤矿地测科为我们提供的仪器参数及探测成果。