瑞利波技术在煤矿地质构造超前探测中的应用

刘广亮

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)



瑞利波技术在煤矿地质构造超前探测中的应用

刘广亮

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

瑞利波探测技术作为目前先进的井下构造探测方法在各大矿区有着广泛的应用。这项技术不仅为地质工作者带来了先进的探测手段，而且为煤矿安全生产带来了巨大的经济效益。本文主要介绍了瑞利波探测技术原理及施工方法，并且利用该技术成功解决了几个复杂地质构造的超前预测预报问题。在探测过程中不断尝试新的施工方法，改善仪器的性能，调整仪器的处理参数，从而逐步提高仪器的探测精度和探测距离，使这项技术在煤矿地质超前探测中发挥更大的作用。

瑞利波；速度曲线；探测方法；断层

1　煤矿构造探测方法综述

目前大多数煤矿都存在地质构造探查不清的问题，如果这类问题不解决，将影响到采掘工作面的布置、巷道开采走向，甚至会造成瓦斯突出、突水等伤亡事故。因此探查清楚煤矿地质构造对预防事故的发生至关重要。现在常用的探测方法有震动法和电磁波法[1-3]，包括震动波发射法、瑞利波面波勘探、电磁波透视法、地质雷达等[4-6]。各种方法都有各自的特点，比如震动波发射法探测距离远、施工繁琐；电磁波法施工便捷、分辨率高，但受井下条件干扰大，特别是受铁器等强磁干扰较大。将目前几种常用的勘探方法的技术指标做了对比，如表1所示。从表1可以看出，目前新型瑞利波探测仪取得了矿井超前地质预报80m以上的探测效果，探测准确率、稳定性和重复性得到了提高，小信号分辨能力增强，具有定向性(点状目标)好，可用于井下全方位探测(既可以用于掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶底板探测等)，且探测距离大、施工快捷、3～4人即可在井下进行施工勘查等优点[7-9]。目前，对于推广在国内各个矿区开展矿井地质灾害的勘查工作，具有现实意义[10,11]。

根据长期对国内外仪器试验对比，对目前比较常用的几种小构造探测仪器的技术指标也做了对比，对比结果如表2所示。从表2可以看出，瑞利波探测仪的动态范围为138dB，对小信号的分辨能力比其他仪器要强，另外还具有现场处理、性能自检功能。从这几个方面的对比分析充分说明了瑞利波探测仪在小构造探测方面具有明显的优势。

表1几种探测方法对比

Table1Comparisonofseveraldetectionmethods

超前探测技术超前距离/m探测时间/min处理时间/min可靠性/%距离误差/%原瑞利波探测30^40201207010YTR(D)瑞利波60^80205^10805瑞典TSP隧道150901802515煤矿井TSP煤矿150501206010探地雷达8^3020158010

表2几种探测仪器技术指标对比

Table2Comparisonoftechnicalindexesofseveralkindsofdetectinginstruments

指标项目KDZ1114-3YTR(D)TSP203DMT生产单位淮南理工西安研究院瑞典Amberg德国DMTA/D转换12242424动态范围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无德国本安现场处理无有无无性能自检无有无无

2　探测原理及施工方法

瞬态瑞利波勘探利用了瑞利波的两个特有性质，一个是特有的频散特性，一个是瑞利波的传播速度与岩石的密度、孔隙度、泊松比等参数有关。

煤矿巷道及工作面瑞利波超前探测主要用锤击及炮震作为震源，利用“一字型”布置的六道震动传感器接收信号。利用其中的任意两道进行傅里叶变换和频谱分析，通过相干函数的相位谱进行覆盖及叠加技术，获得瑞利波在不同频率f的平均速度VR(VR=Δx/Δt,Δx为相位差)。瑞利波的探测深度一般为波长的二分之一，波长又是速度和频率函数，从而得到H-VR曲线[12]，也就是H=λr/2=VR/2f。

六道瞬态瑞利波探测原理见图1所示。

图1　六道瞬态瑞利波探测原理示意图Fig.1　Schematic diagram of the principle of multi pass transient Rayleigh wave detection

瑞利波探测技术可用于井下全方位探测[13](既可以用于掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶底板探测等)，同时可进行浅层探测、深层探测及超前探测。浅层探测用于预计探测目的层比较浅(不大于15m)，如探测剩余煤层厚度等，一般得到9个物理点的结果，探测原理如图2所示[14]。深层探测和超前探测模式探测距离一般为3～80m，六道传感器只得到1个探测结果，探测原理如图3所示。

图2　浅层探测原理示意图Fig.2　Schematic diagram of the shallow layer detection principle

图3　深层探测原理示意图Fig.3　Schematic diagram of deep detection principle

3　应用实例

3.1新强矿五采区54层左三片侧帮探测实例

以新强矿五采区54层左三片侧帮探测为例，探测时间为2010年11月3日，共布置4个测点。经井下数据采集后利用“井下瑞利波处理软件”对探测结果进行了解释，并根据实际揭露情况进行了验证。

图4为锤击探测频散曲线图。图5为速度曲线图，是通过频散曲线演变而来，图中红色凸起表示瑞利波传播速度发生变化，从而判断地层条件可能发生变化。结合频散曲线和速度曲线可以看出，四个测点反应出三个异常层位分别位于5m附近、20～30m、50～60m，说明三个异常层位有地质分层或地质构造。

图4　锤击探测频散曲线Fig.4　The dispersion curve of thump detection

图5　锤击探测速度曲线Fig.5　The velocity curve of thump detection

图6为炮震探测频散曲线图。图7为速度曲线图，是通过频散曲线演变而来，图中红色凸起表示瑞利波传播速度发生变化，从而判断地层条件可能发生变化。结合频散曲线和速度曲线可以看出，四个测点反应出两个异常层位分别位于20～30m、50～60m。

通过锤击和炮震两种探测手段来看，20～30m和50～60m两个异常层位为主要异常。

图6　炮震探测频散曲线Fig.6　The dispersion curve of blasting >seismic detection

图7　炮震探测速度曲线Fig.7　The velocity curve of blasting seismic detection

验证结果：54层左三片上帮分别在4个测点附近掘进了4条探巷，在掘进过程中都发现断层。测点2附近探巷掘进到19m时发现一落差1.7m，倾角63°断层；测点3附近探巷掘进到20m时发现一落差1m，倾角68°断层；测点3和测点4中间的探巷掘进到26m时发现一落差2.3m，倾角55°断层；测点4附近探巷掘进到3m时发现一落差0.7m，倾角80°断层，掘进到5m时发现一落差0.2m，倾角50°断层，掘进到30m时发现一落差2.1m，倾角60°断层。验证结果如图8所示。

从实际揭露断层来看，工作面内部20～30m存在一走向断层，从瑞利波探测结果来看，20～30m异常层位就是这条走向断层引起的。50～60m异常层位是由对面空巷引起的。

图8　实际揭露与探测结果对Fig.8　The comparison of actual exposure and detection results

3.2龙湖矿东一采区左四片57上采煤工作面探测实例

龙湖矿于2010年11月12日在东一采区左四片57上采煤工作面进行了1次瑞利波探测，经井下数据采集后利用“井下瑞利波处理软件”对探测结果进行了解释，并根据实际揭露情况进行了验证。在同一地点分别用了锤击和炮震两种探测方法，www03011-www03055为数据编号，表示同一地点重复测量了5次。

结果分析：图9和图10分别用频散曲线和速度曲线表示了瑞利波探测结果。图10中红色凸起表示瑞利波传播速度发生变化，从而判断地层条件可能发生变化。图中最后一条曲线表示利用放炮作为震源得到的结果。从锤击探测和炮震探测结果来看，结合频散曲线[15,16]和速度曲线，在15m处瑞利波传播速度变化最明显，说明此处可能存在地质分层或地质构造。

验证结果如图11所示，经采煤工作面开采验证在15m处发现巷道揭露断层延伸到此，说明探测结果与实际情况基本吻合。

图9　工作面探测频散曲线　Fig.9　The dispersion curve of working face detection

图10　工作面探测速度曲线　Fig.10　The speed curve of working face detection

图11　实际揭露与探测结果对比Fig.11　The comparison of actual exposure and detection results

4　结　语

通过几年的实际应用，认为瑞利波技术作为一种煤矿地质构造超前预测预报的手段是行之有效的，具有探测距离远、精度较高、操作便捷等优点。在探测过程中不断总结经验，得到了一些能够提高探测精度、避免漏报误报的施工及操作方法，现总结如下：

1)在探测过程中应该浅层、深层处理相结合，减少漏报。

2)通过对探测结果进行分析，总结了资料处理时初始速度的选取规律，一般煤层探测初始速度为410～450m/s，岩巷探测初始速度为900～1 000m/s。

3)常规瑞利波探测可继续使用锤击作为震源；如果增大探测距离，可将炮震作为震源，并利用专门开发的超深层瑞利波勘探数据处理系统进行处理。

4)可利用调整偏移距的方法减少多报，偏移距的调整的范围一般为1～2m。

5)针对一致性不稳定的问题，主要对施工参数进行了调整。结果不稳定主要与现场施工条件有关，今后探测时可增加探测次数；施工过程中可采用加长钢钎，使之固定牢靠。

6)测线/测点布置可垂直于岩层或构造走向，布置钢钎时可顺煤层(如顺煤层追踪其走向)走向，测线尽可能布置成直线。如果施工现场条件不能满足上述要求，则要计算出传感器与岩层的夹角，以便在最终的处理结果(如层厚度)上进行修正。

7)尽量多收集一些瓦斯涌出量和钻孔K1值的资料，不断总结瑞利波探测结果与瓦斯聚集区的关系，对预防瓦斯突出有一定的作用。

[1]佘建峡,李枝文,宋伟,等.电磁波技术在矿井物探中的应用[J].工程地球物理学报,2015,12(1):55-58.

[2]张亮,王蔚,汤洪志,等.高密度电法和井间电磁波CT法在花岗岩球状风化体探测中的综合应用[J].工程地球物理学报,2015,12(1):40-44.

[3]朱亚军,龙昌东,杨道煌.井间电磁波CT技术在地下孤石探测中的应用[J].工程地球物理学报,2015,12(6):721-725.

[4]李恒.地质雷达在铁路隧道衬砌病害探查中的应用[J].工程地球物理学报,2014,11(4):528-532.

[5]祁明松,范志雄,沈博,等.山东单县百狮坊、百寿坊地基的地质雷达探测[J].工程地球物理学报,2014,11(6):873-877.

[6]朱能发,孙志辉,陈坚.地质雷达在公路路面无损检测中的应用[J].工程地球物理学报,2014,11(4):522-527.

[7]张碧星,鲁来玉.瑞利波勘探中“之”字形频散曲线研究[J].地球物理学报,2002,45(2):263-274.

[8]张碧星,肖柏勋,杨文杰.瑞利波勘探中“之”形频散曲线的形成机理和反演研究[J].地球物理学报,2000,43(4):591-601.

[9]刘广亮.层速度曲线在瑞利波探测中的应用[J].工程地球物理学报,2015,12(4):520-524.

[10]夏宇靖,杨体仁,杨战宁.瑞雷波勘探方法的原理、特点及应用效果[J].煤炭科学技术，1995,23(3)：29-33.

[11]杨成林.瑞雷波勘探[M].北京：地质出版社,1993.

[12]严寿民.瞬态瑞利波勘探方法[J].物探与化探,1992,16(4)：113-119.

[13]丛皖平,张鹏,王继矿.多道瑞利波在矿井独头巷道超前探中的应用[J].煤田地质与勘探,2008,36(4):67-69.

[14]王小波,王勇.影响瑞利波在矿井中探测精度的因素[J].煤田地质与勘探,2009,37(1):72-74.

[15]肖柏勋,李长征.瑞雷面波勘探技术研究述评[J].工程地球物理学报,2004,1(1):38-47.

[16]杨天春,易伟建,何继善,等.瑞利波勘探中频散曲线的正演计算[J].工程地球物理学报,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

刘广亮(1980-)，男，工程师，硕士，主要从事煤矿井下地球物理探测的研究。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)