瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用

高永祥

（云南金沙礦業(yè)股份有限公司，云南 東川 654100）

隨著經(jīng)濟的進(jìn)步，礦山開采工程發(fā)展越來越迅速，開采規(guī)模、開采強度和開采深度也在不斷加大，但是近年來由于地質(zhì)因素導(dǎo)致的災(zāi)難越來越突出，斷層、陷落柱、破碎帶等地質(zhì)問題直接引發(fā)涌水、塌方，為人的生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失。在礦山開采之前了解礦山地質(zhì)情況變得十分重要，也成為了一個技術(shù)難點，然而傳統(tǒng)的鉆探檢測方法需要花費大量的人力資源和物力資源，取得的效果也不盡人意，不能滿足目前對礦山地質(zhì)情況預(yù)測的要求[1]。為了解決這一問題，我們必須要尋找出更加有效的礦山地質(zhì)情況預(yù)測手段，從而為工作人員開采提供更加有效的依據(jù)，保證他們的生命安全。瑞利波是一種常見的界面彈性波，在1887年由L.瑞利于首先指出，能夠沿著半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑?，是一種偏振波。在地震學(xué)中，瑞利波也稱之為R波或L波，具有低速、低頻和強振幅的特點，能夠深入到地質(zhì)內(nèi)部，通過波形反應(yīng)地質(zhì)情況[2]。本文對瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用進(jìn)行研究，利用D矩陣和F矩陣矢量法分析了瑞利波數(shù)據(jù)，通過實驗探討了該技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中起到的效果。

1 瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用過程

瑞利波能夠沿著彈性體自由面?zhèn)鞑?，質(zhì)點的運動軌跡為橢圓，但是在彈性體自由面表層和離表層0.2個波長的深度運動方向相反，表層運動速度很快，是下層的1.5倍左右。瑞利波的波速只受介質(zhì)彈性常數(shù)影響，而不受頻率影響，速度極快，能夠達(dá)到同介質(zhì)中橫波波速的0.862～0.955倍，因此用其測試地質(zhì)分布情況十分合適[3]。

在預(yù)測礦山地質(zhì)情況過程中，瑞利波探測法是通過不同的“點”來進(jìn)行探測，形成的震源通常是瞬態(tài)沖擊振動引發(fā)的，在一定范圍內(nèi)瑞利波會出現(xiàn)不同的波形，并且產(chǎn)生疊加。當(dāng)傳感器與震源排列在同一條直線上時，需要引入5個以上單分量加速度傳感器測量瑞利波波速，傳感器與傳感器之間的間隔距離要相同[4]。通常，間隔距離越大，保證的相位差就越豐富，地質(zhì)勘探就越容易，測量結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

瑞利波能夠沿著二維表面自由擴展，產(chǎn)生一定的摧毀力，在距波源較遠(yuǎn)處的摧毀力要小于在距波源較近處的摧毀力。瑞利波傳播曲線能夠反映當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特征，不同的地質(zhì)特征傳播曲線會有很大的不同。瑞利波波速計算過程如下：

其中，?x表示瑞利波傳播距離，通過不同的檢測器來測量，?t表示在傳播距離?x下對應(yīng)的傳播時間。除了上述方法能夠計算VR外，公式（2）的計算過程也能計算出瑞利波波速VR。

公式（2）中，T代表瑞利波周期，?φ表示測量波頻率，在礦山地表等間距中安置n+1個檢波器，測試每段間距的距離。通過每段距離的速度，測試內(nèi)瑞利波的平均波速，公式（1）對應(yīng)的平均波速計算過程如下：

公式（2）對應(yīng)的平均波速計算過程與公式（3）不同，計算過程如下：

在同一段距離中，該表不同的因素，就會對應(yīng)得到不同的瑞利波波速VR，從而得到不同的關(guān)系曲線圖，如改變?nèi)鹄ǖ闹芷赥就能得到VR—T關(guān)系曲線圖；改變?nèi)鹄ǖ臏y量波頻率?φ就能得到VR—?φ關(guān)系曲線圖，通過這些曲線圖來判斷當(dāng)?shù)氐V山地質(zhì)構(gòu)造，從而進(jìn)行進(jìn)一步的反演，分析礦山地層介質(zhì)的物理特性以及巖石特性[5]。瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用過程如下圖1所示：

圖1 瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用過程

瑞利波探測技術(shù)首先要完成數(shù)據(jù)采集和處理，通過不同的探測點采集數(shù)據(jù)，采集過程需要經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個方法階段。穩(wěn)態(tài)方法能夠提高處理精度，瞬態(tài)方法則適應(yīng)范圍很廣，因此在測量時兩種方法要同時使用，從而提取出可靠、有效的瑞利波頻散曲線。瑞利波曲線的提取方法較多，包括F-K變換方法、Z-P變換方法、表面波譜分析法、互相關(guān)法等，每種方法都能夠準(zhǔn)確地結(jié)合多重數(shù)據(jù)，然后分離成不同的模式，在解決假性循環(huán)問題上效果十分顯著。瑞利波探測技術(shù)需要反復(fù)檢測，得到多次波動效果圖，這樣才能準(zhǔn)確地分析出當(dāng)?shù)氐V區(qū)地質(zhì)特征。

2 瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用效果

（1）實驗?zāi)康?。為了檢測瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用效果，設(shè)計了對比實驗。在四川省某一礦區(qū)中同時使用傳統(tǒng)的鉆探方法和本文的瑞利波探測技術(shù)進(jìn)行預(yù)測，然后對預(yù)測效果進(jìn)行分析。

（2）實驗參數(shù)設(shè)定。為保證瑞利波探測技術(shù)和鉆探技術(shù)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)置在地質(zhì)條件完全相同的礦區(qū)進(jìn)行檢測。檢測時間為2小時，檢測內(nèi)容包括礦區(qū)地質(zhì)內(nèi)部巖石硬度，礦區(qū)沙化程度等，得到下述實驗結(jié)果。

（3）實驗結(jié)果分析

圖2 傳統(tǒng)鉆探方法試驗結(jié)果

分析圖2結(jié)果得知，傳統(tǒng)的鉆探方法信號幅值一直較低，能夠檢測到的信號幅值一直在-2～2之間，而且檢測的振幅穩(wěn)定性很差。在0～40min內(nèi)，檢測的信號幅值只能維持在-1～1之間，超過上述范圍的信號，傳統(tǒng)鉆探法都檢測不到；在40min～60min之間，檢測范圍有所增加，檢測的幅值能夠達(dá)到-2～2之間，但是穩(wěn)定性很差，上下頻率變化；而到了60min～80min時，檢測范圍又出現(xiàn)變化，檢測幅值很低，只能維持在-0.5～0.5之間；80min～120min，檢測幅值再次增加到-2～2之間，但穩(wěn)定性依舊較差。

圖3 瑞利波探測技術(shù)試驗結(jié)果

分析圖3結(jié)果得知，瑞利波探測技術(shù)的檢測范圍很廣，檢測信號幅值始終維持在-4～4之間，穩(wěn)定性很好，雖然在不同的時間會出現(xiàn)一定的波動，但對整體影響不大，工作人員檢測起來也非常方便、

（4）實驗結(jié)論。實驗結(jié)果表明，傳統(tǒng)的鉆探方法能夠檢測到的內(nèi)容過少，而且穩(wěn)定性非常差，結(jié)果的準(zhǔn)確率很低，工作人員如果依據(jù)鉆探法得到的數(shù)據(jù)開采礦山，很容易發(fā)生安全事故。瑞利波波形的分辨率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鉆探方法，而且探測過程性能更加穩(wěn)定，移動敏捷度更高，探測的距離更遠(yuǎn)，速度更快，是一種高效實用的探測技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地分析出礦山地質(zhì)情況，從而為開采工作提供合理依據(jù)，對于礦山開采有實際性意義。

3 結(jié)語

近年來，礦山安全事故頻頻發(fā)生，為人民的生命安全帶來巨大威脅，礦山開采工作也充滿危險。為了降低安全風(fēng)險，各個部門和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者一直在尋求有效方法預(yù)測礦山地質(zhì)情況，傳統(tǒng)的鉆探檢測方法在檢測時將鉆頭深入到地質(zhì)中，然后對采集回來的材料進(jìn)行分析來判斷地質(zhì)特征，此種方法需要耗費大量的成本，而且時間很長，開采工期不能得到保障。瑞利波是一種界面彈性波，在地表和地質(zhì)內(nèi)部都能進(jìn)行傳播，且傳播速度高、頻率快，通過分析瑞利波波形能夠準(zhǔn)確地判斷出礦山地質(zhì)的特征，是一種高效率、低成本的方法。本文對瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)情況預(yù)測中的應(yīng)用過程進(jìn)行研究，介紹了瑞利波波速VR的測量方法，并探討了如何得到VR—T和VR—?φ的關(guān)系曲線圖，通過與傳統(tǒng)方法對比實驗分析瑞利波探測技術(shù)的應(yīng)用效果。希望本文的研究能夠?qū)σ院髮W(xué)者研究相關(guān)方面內(nèi)容提供幫助。

[1]賈文青,劉中華．瑞利波探測技術(shù)在礦山地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用研究[J]．礦業(yè)工程,2017,15(2)：7-9．

[2]劉廣亮．瑞利波技術(shù)在煤礦地質(zhì)構(gòu)造超前探測中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報,2016,13(3)：361-366．

[3]張昭年,張帥,謝經(jīng)濤．多元信息融合技術(shù)在車集煤礦超前探測中的應(yīng)用[J]．煤炭技術(shù),2016,35(3)：114-116．

[4]石永生．基于瑞利波技術(shù)的孤島工作面風(fēng)巷底板破壞深度探測[J]．煤礦安全,2016,47(7)：208-210．

[5]張雪松．超聲波探測煤礦采空區(qū)應(yīng)用技術(shù)研究[J]．山東煤炭科技,2016(11)：154-156．