劉廣亮

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

?

瑞利波技術(shù)在煤礦地質(zhì)構(gòu)造超前探測中的應(yīng)用

劉廣亮

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

瑞利波探測技術(shù)作為目前先進(jìn)的井下構(gòu)造探測方法在各大礦區(qū)有著廣泛的應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)不僅為地質(zhì)工作者帶來了先進(jìn)的探測手段，而且為煤礦安全生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要介紹了瑞利波探測技術(shù)原理及施工方法，并且利用該技術(shù)成功解決了幾個(gè)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的超前預(yù)測預(yù)報(bào)問題。在探測過程中不斷嘗試新的施工方法，改善儀器的性能，調(diào)整儀器的處理參數(shù)，從而逐步提高儀器的探測精度和探測距離，使這項(xiàng)技術(shù)在煤礦地質(zhì)超前探測中發(fā)揮更大的作用。

瑞利波；速度曲線；探測方法；斷層

1　煤礦構(gòu)造探測方法綜述

目前大多數(shù)煤礦都存在地質(zhì)構(gòu)造探查不清的問題，如果這類問題不解決，將影響到采掘工作面的布置、巷道開采走向，甚至?xí)斐赏咚雇怀?、突水等傷亡事故。因此探查清楚煤礦地質(zhì)構(gòu)造對預(yù)防事故的發(fā)生至關(guān)重要?，F(xiàn)在常用的探測方法有震動(dòng)法和電磁波法[1-3]，包括震動(dòng)波發(fā)射法、瑞利波面波勘探、電磁波透視法、地質(zhì)雷達(dá)等[4-6]。各種方法都有各自的特點(diǎn)，比如震動(dòng)波發(fā)射法探測距離遠(yuǎn)、施工繁瑣；電磁波法施工便捷、分辨率高，但受井下條件干擾大，特別是受鐵器等強(qiáng)磁干擾較大。將目前幾種常用的勘探方法的技術(shù)指標(biāo)做了對比，如表1所示。從表1可以看出，目前新型瑞利波探測儀取得了礦井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)80m以上的探測效果，探測準(zhǔn)確率、穩(wěn)定性和重復(fù)性得到了提高，小信號分辨能力增強(qiáng)，具有定向性(點(diǎn)狀目標(biāo))好，可用于井下全方位探測(既可以用于掘進(jìn)頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂?shù)装逄綔y等)，且探測距離大、施工快捷、3～4人即可在井下進(jìn)行施工勘查等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。目前，對于推廣在國內(nèi)各個(gè)礦區(qū)開展礦井地質(zhì)災(zāi)害的勘查工作，具有現(xiàn)實(shí)意義[10,11]。

根據(jù)長期對國內(nèi)外儀器試驗(yàn)對比，對目前比較常用的幾種小構(gòu)造探測儀器的技術(shù)指標(biāo)也做了對比，對比結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，瑞利波探測儀的動(dòng)態(tài)范圍為138dB，對小信號的分辨能力比其他儀器要強(qiáng)，另外還具有現(xiàn)場處理、性能自檢功能。從這幾個(gè)方面的對比分析充分說明了瑞利波探測儀在小構(gòu)造探測方面具有明顯的優(yōu)勢。

表1幾種探測方法對比

Table1Comparisonofseveraldetectionmethods

超前探測技術(shù)超前距離/m探測時(shí)間/min處理時(shí)間/min可靠性/%距離誤差/%原瑞利波探測30^40201207010YTR(D)瑞利波60^80205^10805瑞典TSP隧道150901802515煤礦井TSP煤礦150501206010探地雷達(dá)8^3020158010

表2幾種探測儀器技術(shù)指標(biāo)對比

Table2Comparisonoftechnicalindexesofseveralkindsofdetectinginstruments

指標(biāo)項(xiàng)目KDZ1114-3YTR(D)TSP203DMT生產(chǎn)單位淮南理工西安研究院瑞典Amberg德國DMTA/D轉(zhuǎn)換12242424動(dòng)態(tài)范圍70dB138dB120dB120dB相位精度-0.3°--界 面中文中文英文英文防爆性能本安/MA本安/MA無德國本安現(xiàn)場處理無有無無性能自檢無有無無

2　探測原理及施工方法

瞬態(tài)瑞利波勘探利用了瑞利波的兩個(gè)特有性質(zhì)，一個(gè)是特有的頻散特性，一個(gè)是瑞利波的傳播速度與巖石的密度、孔隙度、泊松比等參數(shù)有關(guān)。

煤礦巷道及工作面瑞利波超前探測主要用錘擊及炮震作為震源，利用“一字型”布置的六道震動(dòng)傳感器接收信號。利用其中的任意兩道進(jìn)行傅里葉變換和頻譜分析，通過相干函數(shù)的相位譜進(jìn)行覆蓋及疊加技術(shù)，獲得瑞利波在不同頻率f的平均速度VR(VR=Δx/Δt,Δx為相位差)。瑞利波的探測深度一般為波長的二分之一，波長又是速度和頻率函數(shù)，從而得到H-VR曲線[12]，也就是H=λr/2=VR/2f。

六道瞬態(tài)瑞利波探測原理見圖1所示。

圖1　六道瞬態(tài)瑞利波探測原理示意圖Fig.1　Schematic diagram of the principle of multi pass transient Rayleigh wave detection

瑞利波探測技術(shù)可用于井下全方位探測[13](既可以用于掘進(jìn)頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂?shù)装逄綔y等)，同時(shí)可進(jìn)行淺層探測、深層探測及超前探測。淺層探測用于預(yù)計(jì)探測目的層比較淺(不大于15m)，如探測剩余煤層厚度等，一般得到9個(gè)物理點(diǎn)的結(jié)果，探測原理如圖2所示[14]。深層探測和超前探測模式探測距離一般為3～80m，六道傳感器只得到1個(gè)探測結(jié)果，探測原理如圖3所示。

圖2　淺層探測原理示意圖Fig.2　Schematic diagram of the shallow layer detection principle

圖3　深層探測原理示意圖Fig.3　Schematic diagram of deep detection principle

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1新強(qiáng)礦五采區(qū)54層左三片側(cè)幫探測實(shí)例

以新強(qiáng)礦五采區(qū)54層左三片側(cè)幫探測為例，探測時(shí)間為2010年11月3日，共布置4個(gè)測點(diǎn)。經(jīng)井下數(shù)據(jù)采集后利用“井下瑞利波處理軟件”對探測結(jié)果進(jìn)行了解釋，并根據(jù)實(shí)際揭露情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4為錘擊探測頻散曲線圖。圖5為速度曲線圖，是通過頻散曲線演變而來，圖中紅色凸起表示瑞利波傳播速度發(fā)生變化，從而判斷地層條件可能發(fā)生變化。結(jié)合頻散曲線和速度曲線可以看出，四個(gè)測點(diǎn)反應(yīng)出三個(gè)異常層位分別位于5m附近、20～30m、50～60m，說明三個(gè)異常層位有地質(zhì)分層或地質(zhì)構(gòu)造。

圖4　錘擊探測頻散曲線Fig.4　The dispersion curve of thump detection

圖5　錘擊探測速度曲線Fig.5　The velocity curve of thump detection

圖6為炮震探測頻散曲線圖。圖7為速度曲線圖，是通過頻散曲線演變而來，圖中紅色凸起表示瑞利波傳播速度發(fā)生變化，從而判斷地層條件可能發(fā)生變化。結(jié)合頻散曲線和速度曲線可以看出，四個(gè)測點(diǎn)反應(yīng)出兩個(gè)異常層位分別位于20～30m、50～60m。

通過錘擊和炮震兩種探測手段來看，20～30m和50～60m兩個(gè)異常層位為主要異常。

圖6　炮震探測頻散曲線Fig.6　The dispersion curve of blasting >seismic detection

圖7　炮震探測速度曲線Fig.7　The velocity curve of blasting seismic detection

驗(yàn)證結(jié)果：54層左三片上幫分別在4個(gè)測點(diǎn)附近掘進(jìn)了4條探巷，在掘進(jìn)過程中都發(fā)現(xiàn)斷層。測點(diǎn)2附近探巷掘進(jìn)到19m時(shí)發(fā)現(xiàn)一落差1.7m，傾角63°斷層；測點(diǎn)3附近探巷掘進(jìn)到20m時(shí)發(fā)現(xiàn)一落差1m，傾角68°斷層；測點(diǎn)3和測點(diǎn)4中間的探巷掘進(jìn)到26m時(shí)發(fā)現(xiàn)一落差2.3m，傾角55°斷層；測點(diǎn)4附近探巷掘進(jìn)到3m時(shí)發(fā)現(xiàn)一落差0.7m，傾角80°斷層，掘進(jìn)到5m時(shí)發(fā)現(xiàn)一落差0.2m，傾角50°斷層，掘進(jìn)到30m時(shí)發(fā)現(xiàn)一落差2.1m，傾角60°斷層。驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。

從實(shí)際揭露斷層來看，工作面內(nèi)部20～30m存在一走向斷層，從瑞利波探測結(jié)果來看，20～30m異常層位就是這條走向斷層引起的。50～60m異常層位是由對面空巷引起的。

圖8　實(shí)際揭露與探測結(jié)果對Fig.8　The comparison of actual exposure and detection results

3.2龍湖礦東一采區(qū)左四片57上采煤工作面探測實(shí)例

龍湖礦于2010年11月12日在東一采區(qū)左四片57上采煤工作面進(jìn)行了1次瑞利波探測，經(jīng)井下數(shù)據(jù)采集后利用“井下瑞利波處理軟件”對探測結(jié)果進(jìn)行了解釋，并根據(jù)實(shí)際揭露情況進(jìn)行了驗(yàn)證。在同一地點(diǎn)分別用了錘擊和炮震兩種探測方法，www03011-www03055為數(shù)據(jù)編號，表示同一地點(diǎn)重復(fù)測量了5次。

結(jié)果分析：圖9和圖10分別用頻散曲線和速度曲線表示了瑞利波探測結(jié)果。圖10中紅色凸起表示瑞利波傳播速度發(fā)生變化，從而判斷地層條件可能發(fā)生變化。圖中最后一條曲線表示利用放炮作為震源得到的結(jié)果。從錘擊探測和炮震探測結(jié)果來看，結(jié)合頻散曲線[15,16]和速度曲線，在15m處瑞利波傳播速度變化最明顯，說明此處可能存在地質(zhì)分層或地質(zhì)構(gòu)造。

驗(yàn)證結(jié)果如圖11所示，經(jīng)采煤工作面開采驗(yàn)證在15m處發(fā)現(xiàn)巷道揭露斷層延伸到此，說明探測結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

圖9　工作面探測頻散曲線　Fig.9　The dispersion curve of working face detection

圖10　工作面探測速度曲線　Fig.10　The speed curve of working face detection

圖11　實(shí)際揭露與探測結(jié)果對比Fig.11　The comparison of actual exposure and detection results

4　結(jié)　語

通過幾年的實(shí)際應(yīng)用，認(rèn)為瑞利波技術(shù)作為一種煤礦地質(zhì)構(gòu)造超前預(yù)測預(yù)報(bào)的手段是行之有效的，具有探測距離遠(yuǎn)、精度較高、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。在探測過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，得到了一些能夠提高探測精度、避免漏報(bào)誤報(bào)的施工及操作方法，現(xiàn)總結(jié)如下：

1)在探測過程中應(yīng)該淺層、深層處理相結(jié)合，減少漏報(bào)。

2)通過對探測結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)了資料處理時(shí)初始速度的選取規(guī)律，一般煤層探測初始速度為410～450m/s，巖巷探測初始速度為900～1 000m/s。

3)常規(guī)瑞利波探測可繼續(xù)使用錘擊作為震源；如果增大探測距離，可將炮震作為震源，并利用專門開發(fā)的超深層瑞利波勘探數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

4)可利用調(diào)整偏移距的方法減少多報(bào)，偏移距的調(diào)整的范圍一般為1～2m。

5)針對一致性不穩(wěn)定的問題，主要對施工參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。結(jié)果不穩(wěn)定主要與現(xiàn)場施工條件有關(guān)，今后探測時(shí)可增加探測次數(shù)；施工過程中可采用加長鋼釬，使之固定牢靠。

6)測線/測點(diǎn)布置可垂直于巖層或構(gòu)造走向，布置鋼釬時(shí)可順煤層(如順煤層追蹤其走向)走向，測線盡可能布置成直線。如果施工現(xiàn)場條件不能滿足上述要求，則要計(jì)算出傳感器與巖層的夾角，以便在最終的處理結(jié)果(如層厚度)上進(jìn)行修正。

7)盡量多收集一些瓦斯涌出量和鉆孔K1值的資料，不斷總結(jié)瑞利波探測結(jié)果與瓦斯聚集區(qū)的關(guān)系，對預(yù)防瓦斯突出有一定的作用。

[1]佘建峽,李枝文,宋偉,等.電磁波技術(shù)在礦井物探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(1):55-58.

[2]張亮,王蔚,湯洪志,等.高密度電法和井間電磁波CT法在花崗巖球狀風(fēng)化體探測中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(1):40-44.

[3]朱亞軍,龍昌東,楊道煌.井間電磁波CT技術(shù)在地下孤石探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(6):721-725.

[4]李恒.地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌病害探查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(4):528-532.

[5]祁明松,范志雄,沈博,等.山東單縣百獅坊、百壽坊地基的地質(zhì)雷達(dá)探測[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(6):873-877.

[6]朱能發(fā),孫志輝,陳堅(jiān).地質(zhì)雷達(dá)在公路路面無損檢測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(4):522-527.

[7]張碧星,魯來玉.瑞利波勘探中“之”字形頻散曲線研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2002,45(2):263-274.

[8]張碧星,肖柏勛,楊文杰.瑞利波勘探中“之”形頻散曲線的形成機(jī)理和反演研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2000,43(4):591-601.

[9]劉廣亮.層速度曲線在瑞利波探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(4):520-524.

[10]夏宇靖,楊體仁,楊戰(zhàn)寧.瑞雷波勘探方法的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用效果[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1995,23(3)：29-33.

[11]楊成林.瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版社,1993.

[12]嚴(yán)壽民.瞬態(tài)瑞利波勘探方法[J].物探與化探,1992,16(4)：113-119.

[13]叢皖平,張鵬,王繼礦.多道瑞利波在礦井獨(dú)頭巷道超前探中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2008,36(4):67-69.

[14]王小波,王勇.影響瑞利波在礦井中探測精度的因素[J].煤田地質(zhì)與勘探,2009,37(1):72-74.

[15]肖柏勛,李長征.瑞雷面波勘探技術(shù)研究述評[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(1):38-47.

[16]楊天春,易偉建,何繼善,等.瑞利波勘探中頻散曲線的正演計(jì)算[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(6):469-473.

Rayleighwavedetectiontechniqueiswidelyusedineverylargeminingareaasanadvanceddetectionmethodofundergroundstructures.Thistechnologynotonlybringsadvanceddetectionmeansforgeologicalworkers,butalsohasahugeeconomicbenefitsforcoalminesafetyproduction.ThispapermainlyintroducestheprincipleandconstructionmethodoftheRayleighwavedetectiontechnology,andsuccessfullysolvestheproblemofpredictionandpredictionofseveralcomplicatedgeologicalstructuresbyusingthetechnique.Inthedetectionprocesscontinuetotrynewconstructionmethod,improvetheinstrumentperformance,adjusttheinstrumentoftheprocessingparameters,soastograduallyimprovetheinstrumentsforthedetectionprecisionandthedetectiondistance,thetechniqueinminegeologicalexplorationplayagreaterrole.

Rayleighwave;velocitycurve;detectionmethod;fault

1672—7940(2016)03—0361—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.020

劉廣亮(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事煤礦井下地球物理探測的研究。E-mail:61399936@qq.com

P631.4

A

2016-01-13

Application of Rayleigh Wave Technique in Advanced Detection of Geological Structure in Coal MineLiu Guangliang

(Xi’an Research Institute, CCTEG, Xi’an Shanxi 710077, China)