瑞利波技术在煤矿井下超前探测中的应用

林纲虎

摘 要：本文通过瑞利波技术勘探原理、井下数据采集及资料处理方法的介绍并通过该技术在乌苏四棵树煤矿八号井井下巷道跟踪超前探测中的实例应用，论述其地质探测效果。实验证明此项技术在煤矿井下短距离超前探测构造和采空区方面效果明显。

关键词：瑞利波；频散曲线；超前探测；探测距离

0 引言

瑞利波探测技术是西安煤科总院西安研究院科技攻关项目，此项科研成果在地面岩土工程勘察中运用较多，但在解决煤矿井下地质方面运用较少。利用瑞利面波的传播特性，在井下巷道迎头开展瑞利波跟踪超前探测，实践证明该方法分辨率高、探测和处理数据的速度快、探测数据直观、操作简便，不仅用于探测掘进巷

道前方的地质构造，也可用于探测采煤工作面内的陷落柱和小断层。

1 瑞利波超前勘探原理

瑞利波属于面波，它的质点合成运动以逆时针方向的椭圆轨迹行进，在介质自由表面附近按圆柱形波前方式传播，其传播速度根据频率的变化而变化，瑞利波能量主要集中在距地表一个波长（λR）尺度范围内，故波长不同勘探深度不同。瑞利波是一个宽频带的脉冲，由许多简谐波分量叠加而成的。简谐波波动位移方程可写为：

Y=Kcosω（t-Δt）（1）

式中：K为常数，ω=2πf，是角频率，t为时间，Δt为波传播到某一位置点x所需的时间， 假定每一个简谐波都以一定的相速度Vr传播，那么式（1）也可以写成：

Y=Kcosω（t-）（2）

将ω=2πf代如式（2），可以得到：

Y=Kcos（ωt-）（3）

式中是瑞利波传播到x位置处的相位角。

那么我们设离震源一定距离处有一观测点A，距离震源的距离为x1，记录到的瑞利波设为Y1：

Y1=Kcosω（t-）

在波的前进方向上与A点相距Δx的观测点B，距离震源的距离为x2，同样也记录到一个波形Y2：

Y2=Kcosω（t-）

我们已知A、B两点之间的距离为（x2-x1）=Δx， 根据（3）式， 就可以计算出A、B两点之间相位差为：

Δ?=2πf（x2-x1）/Vr=2πfΔx/Vr（4）

A、B两测点间的距离Δx是已知的，我们利用频谱分析技术就可以计算出瑞利波每一频率点上的相位差 Δ?。根据（4）式求出相速度Vr：

Vr=2πfΔx/Δ?（5）

相速度是瑞利波确定地层构造的关键参数，因此，瑞利波勘探方法和资料处理都是围绕准确求取相速度而进行的。

从式（5）中我们可以看出，瑞利波的传播速度Vr是频率f的函数，用Vr～f的关系就可以绘制出频散曲线。

2 数据采集

为了提高仪器探测精度以及深度，我们借用地面地震勘探中多次覆盖的理论，通过多道迭加使得频谱能量加大、精度加大，抗干扰减小。

根据井下施工条件，经过长期的实践研究，在巷道迎头超前探测中，一般采用Δx=0.5m，而在侧帮探测中我们采用Δx=1.0m两种施工方式。施工过程中，附近停止一切震动，采用重锤锤击，尽可能获得更多的低频瑞利波成分。

3 数据处理

在原始数据采集过程中，常遇到掘进头凹凸不平，煤层破碎，顶板岩层冒落等情况，不可避免采集到干扰信息，在数据不理想的情况下，首先通过处理软件的分析和编辑功能，提高数据质量，然后进行数字滤波，剔除干扰信息，最后经过反演计算得到频散曲线，如图1所示。

实践表明直接利用测得的瑞利波频散曲线进行地质解释，误差较大，而实测的瑞利波传播速度代表着某一深度内各層的传播速度的加权平均值（权系数与层厚度有关），因此根据实测频散曲线，从平均速度中计算出各层的传播速度，利用平均速度与各层层速度的关系将探测结果以图2所示曲线方式显示，纵坐标表示探测深度，横坐标表示异常幅值（无量纲的量），图上出现红色波峰的地段即表示有异常出现，当然异常变化出现，则红色波峰隆起越大，表示构造出现断层及裂隙的可能性加大，平直线条表示正常区。由于该区域无大的地质变化及采空区分布，图上直观显示变化会有大的红色波峰出现则推测该段为断层，而小的红色隆起异常多半为煤岩层破碎或节理发育所致。

图1 典型频散曲线 图2 成果显示图

4 工程实践应用

乌苏四棵树煤矿八号井建井时间为2007年，井田位于天山北麓低中山区，地势西、南高，东、北低，Ⅸ线以西，海拔1400～1600m，高差不大，但地形切割剧烈，沟谷纵横，高差可达400m左右。可采煤层与地表平均高差为100-200m之间，由于历史原因井田内有二处小窑，现已闭坑。但因地质资料不全，小窑遗留采空区对该矿生产存在潜在威胁。针对其2采区三条集中大巷进行瑞利波超前探测，探测三条集中上山前方顶部及侧帮部有无地质异常是此次工程探测的任务。

三条集中上山巷布置简图如图3所示：