瑞利波技術(shù)在煤礦井下超前探測(cè)中的應(yīng)用

林綱虎

摘 要：本文通過(guò)瑞利波技術(shù)勘探原理、井下數(shù)據(jù)采集及資料處理方法的介紹并通過(guò)該技術(shù)在烏蘇四棵樹煤礦八號(hào)井井下巷道跟蹤超前探測(cè)中的實(shí)例應(yīng)用，論述其地質(zhì)探測(cè)效果。實(shí)驗(yàn)證明此項(xiàng)技術(shù)在煤礦井下短距離超前探測(cè)構(gòu)造和采空區(qū)方面效果明顯。

關(guān)鍵詞：瑞利波；頻散曲線；超前探測(cè)；探測(cè)距離

0 引言

瑞利波探測(cè)技術(shù)是西安煤科總院西安研究院科技攻關(guān)項(xiàng)目，此項(xiàng)科研成果在地面巖土工程勘察中運(yùn)用較多，但在解決煤礦井下地質(zhì)方面運(yùn)用較少。利用瑞利面波的傳播特性，在井下巷道迎頭開展瑞利波跟蹤超前探測(cè)，實(shí)踐證明該方法分辨率高、探測(cè)和處理數(shù)據(jù)的速度快、探測(cè)數(shù)據(jù)直觀、操作簡(jiǎn)便，不僅用于探測(cè)掘進(jìn)巷

道前方的地質(zhì)構(gòu)造，也可用于探測(cè)采煤工作面內(nèi)的陷落柱和小斷層。

1 瑞利波超前勘探原理

瑞利波屬于面波，它的質(zhì)點(diǎn)合成運(yùn)動(dòng)以逆時(shí)針?lè)较虻臋E圓軌跡行進(jìn)，在介質(zhì)自由表面附近按圓柱形波前方式傳播，其傳播速度根據(jù)頻率的變化而變化，瑞利波能量主要集中在距地表一個(gè)波長(zhǎng)（λR）尺度范圍內(nèi)，故波長(zhǎng)不同勘探深度不同。瑞利波是一個(gè)寬頻帶的脈沖，由許多簡(jiǎn)諧波分量疊加而成的。簡(jiǎn)諧波波動(dòng)位移方程可寫為：

Y=Kcosω（t-Δt）（1）

式中：K為常數(shù)，ω=2πf，是角頻率，t為時(shí)間，Δt為波傳播到某一位置點(diǎn)x所需的時(shí)間， 假定每一個(gè)簡(jiǎn)諧波都以一定的相速度Vr傳播，那么式（1）也可以寫成：

Y=Kcosω（t-）（2）

將ω=2πf代如式（2），可以得到：

Y=Kcos（ωt-）（3）

式中是瑞利波傳播到x位置處的相位角。

那么我們?cè)O(shè)離震源一定距離處有一觀測(cè)點(diǎn)A，距離震源的距離為x1，記錄到的瑞利波設(shè)為Y1：

Y1=Kcosω（t-）

在波的前進(jìn)方向上與A點(diǎn)相距Δx的觀測(cè)點(diǎn)B，距離震源的距離為x2，同樣也記錄到一個(gè)波形Y2：

Y2=Kcosω（t-）

我們已知A、B兩點(diǎn)之間的距離為（x2-x1）=Δx， 根據(jù)（3）式， 就可以計(jì)算出A、B兩點(diǎn)之間相位差為：

Δ?=2πf（x2-x1）/Vr=2πfΔx/Vr（4）

A、B兩測(cè)點(diǎn)間的距離Δx是已知的，我們利用頻譜分析技術(shù)就可以計(jì)算出瑞利波每一頻率點(diǎn)上的相位差 Δ?。根據(jù)（4）式求出相速度Vr：

Vr=2πfΔx/Δ?（5）

相速度是瑞利波確定地層構(gòu)造的關(guān)鍵參數(shù)，因此，瑞利波勘探方法和資料處理都是圍繞準(zhǔn)確求取相速度而進(jìn)行的。

從式（5）中我們可以看出，瑞利波的傳播速度Vr是頻率f的函數(shù)，用Vr～f的關(guān)系就可以繪制出頻散曲線。

2 數(shù)據(jù)采集

為了提高儀器探測(cè)精度以及深度，我們借用地面地震勘探中多次覆蓋的理論，通過(guò)多道迭加使得頻譜能量加大、精度加大，抗干擾減小。

根據(jù)井下施工條件，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐研究，在巷道迎頭超前探測(cè)中，一般采用Δx=0.5m，而在側(cè)幫探測(cè)中我們采用Δx=1.0m兩種施工方式。施工過(guò)程中，附近停止一切震動(dòng)，采用重錘錘擊，盡可能獲得更多的低頻瑞利波成分。

3 數(shù)據(jù)處理

在原始數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，常遇到掘進(jìn)頭凹凸不平，煤層破碎，頂板巖層冒落等情況，不可避免采集到干擾信息，在數(shù)據(jù)不理想的情況下，首先通過(guò)處理軟件的分析和編輯功能，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后進(jìn)行數(shù)字濾波，剔除干擾信息，最后經(jīng)過(guò)反演計(jì)算得到頻散曲線，如圖1所示。

實(shí)踐表明直接利用測(cè)得的瑞利波頻散曲線進(jìn)行地質(zhì)解釋，誤差較大，而實(shí)測(cè)的瑞利波傳播速度代表著某一深度內(nèi)各層的傳播速度的加權(quán)平均值（權(quán)系數(shù)與層厚度有關(guān)），因此根據(jù)實(shí)測(cè)頻散曲線，從平均速度中計(jì)算出各層的傳播速度，利用平均速度與各層層速度的關(guān)系將探測(cè)結(jié)果以圖2所示曲線方式顯示，縱坐標(biāo)表示探測(cè)深度，橫坐標(biāo)表示異常幅值（無(wú)量綱的量），圖上出現(xiàn)紅色波峰的地段即表示有異常出現(xiàn)，當(dāng)然異常變化出現(xiàn)，則紅色波峰隆起越大，表示構(gòu)造出現(xiàn)斷層及裂隙的可能性加大，平直線條表示正常區(qū)。由于該區(qū)域無(wú)大的地質(zhì)變化及采空區(qū)分布，圖上直觀顯示變化會(huì)有大的紅色波峰出現(xiàn)則推測(cè)該段為斷層，而小的紅色隆起異常多半為煤巖層破碎或節(jié)理發(fā)育所致。

圖1 典型頻散曲線 圖2 成果顯示圖

4 工程實(shí)踐應(yīng)用

烏蘇四棵樹煤礦八號(hào)井建井時(shí)間為2007年，井田位于天山北麓低中山區(qū)，地勢(shì)西、南高，東、北低，Ⅸ線以西，海拔1400～1600m，高差不大，但地形切割劇烈，溝谷縱橫，高差可達(dá)400m左右?？刹擅簩优c地表平均高差為100-200m之間，由于歷史原因井田內(nèi)有二處小窯，現(xiàn)已閉坑。但因地質(zhì)資料不全，小窯遺留采空區(qū)對(duì)該礦生產(chǎn)存在潛在威脅。針對(duì)其2采區(qū)三條集中大巷進(jìn)行瑞利波超前探測(cè)，探測(cè)三條集中上山前方頂部及側(cè)幫部有無(wú)地質(zhì)異常是此次工程探測(cè)的任務(wù)。

三條集中上山巷布置簡(jiǎn)圖如圖3所示：