羅明坤 ，賈 策 ，李 勝 ，孫 浩 ，徐令金 ，何 良 ，王 琨

（1.山西潞安化工集團(tuán)有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

我國煤炭消耗量逐年上升，淺部資源逐漸枯竭，開采煤層的深度逐步增加，圍巖地質(zhì)條件變得更加復(fù)雜[1-2]。在我國華北煤田廣泛存在巖溶陷落柱（簡稱陷落柱），屬于煤礦地質(zhì)構(gòu)造，實(shí)際上是一種特殊斷陷斷層[3-4]。由于陷落柱形成條件復(fù)雜，與其他地質(zhì)構(gòu)造并存性差[5-6]、隱蔽性好不易被勘查[7-8]、空間幾何形態(tài)呈不規(guī)則橢圓狀[9-10]，過陷落柱破壞區(qū)的巷道在施工過程中容易發(fā)生安全事故[11-12]。因此，針對開拓大巷前方存在的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前探測，可以有效指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者[13-17]采用物探技術(shù)應(yīng)用與煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的超前探測，現(xiàn)常用的主要物探手段有：瞬變電磁法[18]、礦井直流電法[19]、地質(zhì)雷達(dá)[20]；但是使用這些手段局限性高，并且經(jīng)濟(jì)效益差。掘進(jìn)頭處存在掘進(jìn)機(jī)、金屬網(wǎng)等金屬設(shè)備，這些設(shè)備對于瞬變電磁法、礦井直流電法均有影響。然而，瑞利波探測技術(shù)可以避免這些問題，其具有探測距離遠(yuǎn)、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在掘進(jìn)迎頭處超前探測。例如，位新建[21]、李斌坤[22]、謝伏巨[23]、于明科等[24]采用瑞利波技術(shù)對煤礦井下進(jìn)行超前探測。

上述學(xué)者研究僅對瑞利波技術(shù)應(yīng)用煤礦井下探測進(jìn)行了說明，但是對瑞利波探測技術(shù)原理的闡述不明確。為此，基于簡諧波波動(dòng)位移方程、頻譜分析技術(shù)計(jì)算出波的相速度vr，從理論計(jì)算的角度說明頻散曲線的由來；并將瑞利波技術(shù)成功應(yīng)用到漳村煤礦480 采區(qū)8#聯(lián)巷的超前探測。

1 瑞利波探測技術(shù)原理

瑞利波超前探測主要是利用機(jī)械震動(dòng)產(chǎn)生的人工地震波來分析地層結(jié)構(gòu)。地震波主要分為體波和面波2 大類別，其中體波包含P 波與S 波，面波包含瑞利波和拉夫波。地震波傳播速度示意圖如圖1。

圖1 地震波傳播速度示意圖Fig.1 Schematic diagram of seismic wave propagation velocity

人工地震波中的各種波在介質(zhì)中傳播，根據(jù)各波的傳播速度，到達(dá)離震源一定距離的觀測點(diǎn)由先到后的順序依次為P 波、S 波、拉夫波和瑞利波。瑞利波以逆時(shí)針的橢圓軌跡擴(kuò)散，在傳播介質(zhì)表面以圓柱形向前傳播。相對于其他波，瑞利波在地層中傳播時(shí)平行于波傳播方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)垂直于波方向運(yùn)動(dòng)。瑞利波具有能量強(qiáng)、傳播衰減慢、傳播距離遠(yuǎn)、容易辨別的特點(diǎn)。由于瑞利波傳播具有以上特點(diǎn)，因此滿足煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造超前探測。

首先，人工使用銅錘敲擊產(chǎn)生人工地震波，通過2 個(gè)距離震源不同位置的檢波傳感器A、B 采集瑞利波并傳輸?shù)饺鹄▋x中保存；其次，采用快速傅里葉變換（FFT）和頻譜分析技術(shù)，通過相干函數(shù)的互功率譜得到相位展開譜；最終，通過2路不同頻率下瑞利波由于時(shí)滯在傳播過程中產(chǎn)生的相位差計(jì)算在介質(zhì)中的傳播速度，從而得到瑞利波在探測點(diǎn)的頻散曲線，地質(zhì)異常是通過曲線發(fā)生的突變情況判斷。瑞利波技術(shù)原理示意圖如圖2。

圖2 瑞利波技術(shù)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of Rayleigh wave technology

人工地震波攜帶各種簡諧波，簡諧波波動(dòng)位移Y為[25]：

式中：K為常數(shù)；ω為波的角頻率；t為時(shí)間；x為波傳播到某一位置點(diǎn)的距離；vr為波相速度。

將w=2πf代入式（1），得到：

式中：f為頻率。

檢波器A、檢波器B 與震源距離為x1、x2，則檢波器A、檢波器B 記錄到的波位移Y1、Y2為：

檢波器A、檢波器B 之間的距離Δx=（x2-x1），由式（2）得到檢波器A、檢波器B 之間相位差Δ φ為：

利用頻譜分析技術(shù)計(jì)算得到瑞利波各頻率點(diǎn)的相位差 Δφ，由于A、B 之間的距離Δx為已知，根據(jù)式（4）求出相速度vr：

根據(jù)相速度vr與頻率f的關(guān)系，波長與頻率的關(guān)系，則波長λr為：

根據(jù)文獻(xiàn)可知，瑞利波探測深度一般采用半波長，則探測深度H為：

最終以相速度vr為橫坐標(biāo)，深度H為縱坐標(biāo)，繪制成頻散曲線圖，進(jìn)而通過頻散曲線解釋迎頭前方的地質(zhì)異常。

2 含陷落柱的瑞利波波場數(shù)值模擬

基于有限差分（FDM）方法建立二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模型示意圖如圖3。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model schematic

為了研究瑞利波在含陷落柱的圍巖中傳播規(guī)律，模型內(nèi)部設(shè)置1 個(gè)10 m×35 m（長×高）的陷落柱。覆蓋參考文獻(xiàn)[26]的范圍，將圍巖與陷落柱設(shè)置了不同的數(shù)值模擬參數(shù)，具體為：①圍巖：縱波波速1 800 m/s，橫波波速960 m/s，面波波速870 m/s，泊松比0.42；②陷落柱：縱波波速1 000 m/s，橫波波速400 m/s，面波波速365 m/s，泊松比0.32。瑞利波探測時(shí)通常采用銅錘敲擊產(chǎn)生震源，其震源具有一定帶寬，參考文獻(xiàn)[27]選取雷克子波作為震源，為波形可使效果更好，采用0相位雷克子波作為震源。根據(jù)文獻(xiàn)[28]，考慮近場效應(yīng),機(jī)械震源與觀測點(diǎn)的距離需要大于中心頻率對應(yīng)瑞利波波長的2 倍。網(wǎng)格尺寸劃分會影響記錄數(shù)據(jù)的精度，文獻(xiàn)[29]表明網(wǎng)格尺寸必須小于波長的1/8～1/10，劃分網(wǎng)格為25 mm。模型兩側(cè)及底部設(shè)置為靜態(tài)邊界用于吸收入射角大于30°的入射波。

瑞利波在均質(zhì)介質(zhì)中波場云圖如圖4，瑞利波在非均質(zhì)中波場云圖如圖5。

圖4 瑞利波均質(zhì)介質(zhì)波場云圖Fig.4 Wave field cloud diagrams of Rayleigh wave homogeneous medium

圖5 瑞利波非均質(zhì)介質(zhì)波場云圖Fig.5 Cloud diagrams of Rayleigh wave field in heterogeneous media

從圖4 可以看出：雷克子波震源在均質(zhì)介質(zhì)中傳播的過程中產(chǎn)生了橫波、縱波、瑞利波。傳播速度依次為縱波、橫波、瑞利波；衍射體波隨傳播距離增大而迅速降低；然而，瑞利波能量數(shù)值降低的較慢，與文獻(xiàn)[30]模擬結(jié)果一致。

從圖5 可以看出：瑞利波在0.01 s 時(shí)與圖4 傳播規(guī)律一致，產(chǎn)生了3 種波；當(dāng)0.02 s 時(shí)縱波率先遇見陷落柱，在陷落柱與圍巖相交出發(fā)生能量聚集，同時(shí)也產(chǎn)生了反射縱波；在0.03 s 時(shí)出現(xiàn)透射橫波，在陷落柱邊界處出現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換后的衍射體波；在0.04 s 時(shí)波到達(dá)整個(gè)陷落柱左側(cè)邊界處，在頂部邊界出現(xiàn)反射瑞利現(xiàn)象，并發(fā)生能量積聚。

3 漳村煤礦+480 m 水平大巷超前探測

漳村煤礦主要開采煤層為3#煤層，煤層平均厚度6.46 m，采用綜采放頂煤開采工藝，頂板自行垮落。礦井異常地質(zhì)構(gòu)造頗多，極易影響正常采掘工作的進(jìn)行。根據(jù)三維地質(zhì)勘探資料，礦井+480 m 水平大巷延伸段掘進(jìn)工作面前方疑似存在陷落柱SX10，其平面形態(tài)近視橢圓形，長軸約305 m，短軸約101 m；同時(shí)該區(qū)域大概率存在小型斷層、褶曲等小型構(gòu)造發(fā)育，巷道圍巖松軟。掘進(jìn)施工過程中容易出現(xiàn)煤壁片幫、頂板破碎塌陷等一系列礦井災(zāi)害，對施工人員生命安全造成極大的隱患，巷道掘進(jìn)過程中可能出現(xiàn)煤墻松軟片幫、頂板破碎等現(xiàn)象，無法保證礦井安全正常地施工。

在漳村煤礦480 采區(qū)8#聯(lián)巷對掘進(jìn)頭前方進(jìn)行井下瑞利波超前探測，獲得超前0～200 m 地質(zhì)構(gòu)造分布情況。根據(jù)480 采區(qū)巷道布置情況、礦井三維地震預(yù)測、實(shí)際生產(chǎn)情況，將瑞利波探測地點(diǎn)布置480 采區(qū)開拓大巷8#聯(lián)巷掘進(jìn)工作面向北探測。

YTRZ 瑞利波探測由西安煤科院研發(fā)，該系統(tǒng)主要分為井下和室內(nèi)使用。其中井下采集系統(tǒng)是由探測主機(jī)、6 個(gè)加速度傳感器、1 個(gè)激發(fā)傳感器、銅錘組成，主要實(shí)現(xiàn)瑞利波產(chǎn)生、激發(fā)、采集等功能。井下設(shè)備均為礦用本安型、進(jìn)行防爆處理。由微型計(jì)算機(jī)（主頻2 GHz 以上）和后處理軟件共同構(gòu)成了室內(nèi)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算、儲存、處理分析。隨后用打印機(jī)將分析結(jié)果打印成圖以便工程數(shù)據(jù)的顯示和備份。

由于掘進(jìn)斷面寬度為5.6 m，斷面寬度大于3.5 m 并小于6 m。根據(jù)瑞利波設(shè)備測試應(yīng)用條件可知，瑞利波探測布置方式為震源激發(fā)點(diǎn)距第1個(gè)激發(fā)傳感器距離約1 m 左右，另外6 個(gè)檢波器道距為0.5 m，整個(gè)觀察系統(tǒng)為3.5 m。6 個(gè)檢波器依次布置于A～F，瑞利波探測施工布置圖如圖6。

圖6 瑞利波探測施工布置圖Fig.6 Rayleigh wave detection construction layout

根據(jù)傳感器施工布置圖，通過卷尺分別標(biāo)記1、0.5 m，利用銅錘將鐵簽子固定到布置圖中的位置，通過傳感器上的吸鐵石固定到鐵簽子上。在將傳感器與瑞利波主機(jī)進(jìn)行連接。設(shè)置儀器參數(shù)：①探測模式：深層探測；②記錄長度：2 048 m；③疊加次數(shù)：5 炮。為防止誤差，針對開拓大巷8#聯(lián)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行4 組不同位置的瑞利波探測。

采用銅錘錘擊的方式對8#聯(lián)巷掌子面的測點(diǎn)進(jìn)行測試，分別進(jìn)行4 組試驗(yàn)，每組進(jìn)行5 次錘擊。將測試生成的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入瑞利波后處理軟件，起始時(shí)間設(shè)置為7.5 ms，結(jié)束時(shí)間設(shè)置為519.5 ms，時(shí)間間隔為0.25 ms；由式（5）、式（7）得到相速度與探測深度，繪制成頻散曲線。第1～第4 組試驗(yàn)頻散曲線如圖7，第1～第4 組試驗(yàn)煤層深度剖面展示如圖8。

圖7 第1～第4 組試驗(yàn)頻散曲線Fig.7 Dispersion curves of group 1-4

圖8 第1～第4 組試驗(yàn)煤層深度剖面展示Fig.8 Experimental coal seam depth profile display of group 1-4

由圖7 可知：頻散曲線類似“之”字形拐折；第1 組試驗(yàn)曲線在40 、50 m 左右處出現(xiàn)“之”字形拐折；第2 組試驗(yàn)曲線在10 m 左右出現(xiàn)“之”字形拐折；第3 組試驗(yàn)曲線在20、50 m 左右出現(xiàn)“之”字形拐折；第4 組試驗(yàn)曲線在5、10 m 左右出現(xiàn)“之”字形拐折。綜上，當(dāng)瑞利波探測介質(zhì)較均一時(shí)，瑞利波波速隨著探測深度增大而增大，呈線性增大關(guān)系。但是當(dāng)出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，頻散曲線會出現(xiàn)1 個(gè)所謂“之”字形拐折。

由圖8 可知：第1 組試驗(yàn)的煤層深度剖面在40、50 m 左右出現(xiàn)速度異常；第2 組試驗(yàn)的煤層深度剖面在20、40 m 左右出現(xiàn)速度異常；第3 組試驗(yàn)的煤層深度剖面在15、20 m 左右出現(xiàn)速度異常；第4 組試驗(yàn)的煤層深度剖面在30～40 m 左右出現(xiàn)速度異常。

綜上，經(jīng)頻散曲線與煤層深度剖面綜合分析可知：存在3 處異常區(qū)域。經(jīng)工程驗(yàn)證，存在2處與地質(zhì)異常相符合。在漳村煤礦8#聯(lián)巷掘進(jìn)過程中在35～45 m 范圍處頂板表層破碎形成穹型高頂，最深破壞達(dá)0.4 m。在55～65 m 范圍處頂板西側(cè)出現(xiàn)淋水呈現(xiàn)。針對以上異常區(qū)域提前安排將原錨桿支護(hù)排距的1 m 縮小為0.9 m，錨索布置方式由“3-2-3”變?yōu)椤?-3-3”，有效提高了巷道支護(hù)強(qiáng)度，為巷道安全掘進(jìn)提供了理論指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

1）根據(jù)簡諧波波動(dòng)位移方程、頻譜分析技術(shù)計(jì)算出波的相速度vr，從理論計(jì)算的角度得到頻散曲線；基于有限差分（FDM）方法研究了瑞利波在含有陷落圍巖中波的傳播規(guī)律。瑞利波在陷落柱與圍巖交界處發(fā)生能量積聚，出現(xiàn)瑞利波反射現(xiàn)象。驗(yàn)證了瑞利波在均質(zhì)介質(zhì)中傳播規(guī)律，能量衰減較慢，傳播速度慢，可以用于地質(zhì)構(gòu)造異常探測。

2）根據(jù)漳村煤礦地質(zhì)條件、巷道布置情況及生產(chǎn)實(shí)際條件，確定了整個(gè)觀察系統(tǒng)為3.5 m 的方式進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造超前探測，傳感器探頭需避免與金屬網(wǎng)接觸，探頭應(yīng)布置在同一巖性內(nèi)。

3）采用頻散曲線與煤層深度剖面綜合分析漳村煤礦8#聯(lián)巷地質(zhì)構(gòu)造，對比分析4 組試驗(yàn)，最終確定探測點(diǎn)前方20～30 m、35～45 m、55～65 m 處出現(xiàn)3 處異常，經(jīng)過現(xiàn)場施工驗(yàn)證，2 個(gè)異常區(qū)有頂板破碎、淋水等現(xiàn)象。采取縮小錨桿排距，頂板增加補(bǔ)強(qiáng)錨索，提高了巷道支護(hù)強(qiáng)度，有效指導(dǎo)應(yīng)對了地址異常區(qū)域。