瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用

高永祥

（云南金沙矿业股份有限公司，云南 东川 654100）

随着经济的进步，矿山开采工程发展越来越迅速，开采规模、开采强度和开采深度也在不断加大，但是近年来由于地质因素导致的灾难越来越突出，断层、陷落柱、破碎带等地质问题直接引发涌水、塌方，为人的生命财产安全带来巨大损失。在矿山开采之前了解矿山地质情况变得十分重要，也成为了一个技术难点，然而传统的钻探检测方法需要花费大量的人力资源和物力资源，取得的效果也不尽人意，不能满足目前对矿山地质情况预测的要求[1]。为了解决这一问题，我们必须要寻找出更加有效的矿山地质情况预测手段，从而为工作人员开采提供更加有效的依据，保证他们的生命安全。瑞利波是一种常见的界面弹性波，在1887年由L.瑞利于首先指出，能够沿着半无限弹性介质自由表面传播，是一种偏振波。在地震学中，瑞利波也称之为R波或L波，具有低速、低频和强振幅的特点，能够深入到地质内部，通过波形反应地质情况[2]。本文对瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用进行研究，利用D矩阵和F矩阵矢量法分析了瑞利波数据，通过实验探讨了该技术在矿山地质情况预测中起到的效果。

1 瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用过程

瑞利波能够沿着弹性体自由面传播，质点的运动轨迹为椭圆，但是在弹性体自由面表层和离表层0.2个波长的深度运动方向相反，表层运动速度很快，是下层的1.5倍左右。瑞利波的波速只受介质弹性常数影响，而不受频率影响，速度极快，能够达到同介质中横波波速的0.862～0.955倍，因此用其测试地质分布情况十分合适[3]。

在预测矿山地质情况过程中，瑞利波探测法是通过不同的“点”来进行探测，形成的震源通常是瞬态冲击振动引发的，在一定范围内瑞利波会出现不同的波形，并且产生叠加。当传感器与震源排列在同一条直线上时，需要引入5个以上单分量加速度传感器测量瑞利波波速，传感器与传感器之间的间隔距离要相同[4]。通常，间隔距离越大，保证的相位差就越丰富，地质勘探就越容易，测量结果也更加准确。

瑞利波能够沿着二维表面自由扩展，产生一定的摧毁力，在距波源较远处的摧毁力要小于在距波源较近处的摧毁力。瑞利波传播曲线能够反映当地地质特征，不同的地质特征传播曲线会有很大的不同。瑞利波波速计算过程如下：

其中，∆x表示瑞利波传播距离，通过不同的检测器来测量，∆t表示在传播距离∆x下对应的传播时间。除了上述方法能够计算VR外，公式（2）的计算过程也能计算出瑞利波波速VR。

公式（2）中，T代表瑞利波周期，∆φ表示测量波频率，在矿山地表等间距中安置n+1个检波器，测试每段间距的距离。通过每段距离的速度，测试内瑞利波的平均波速，公式（1）对应的平均波速计算过程如下：

公式（2）对应的平均波速计算过程与公式（3）不同，计算过程如下：

在同一段距离中，该表不同的因素，就会对应得到不同的瑞利波波速VR，从而得到不同的关系曲线图，如改变瑞利波的周期T就能得到VR—T关系曲线图；改变瑞利波的测量波频率∆φ就能得到VR—∆φ关系曲线图，通过这些曲线图来判断当地矿山地质构造，从而进行进一步的反演，分析矿山地层介质的物理特性以及岩石特性[5]。瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用过程如下图1所示：

图1 瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用过程

瑞利波探测技术首先要完成数据采集和处理，通过不同的探测点采集数据，采集过程需要经历稳态和瞬态两个方法阶段。稳态方法能够提高处理精度，瞬态方法则适应范围很广，因此在测量时两种方法要同时使用，从而提取出可靠、有效的瑞利波频散曲线。瑞利波曲线的提取方法较多，包括F-K变换方法、Z-P变换方法、表面波谱分析法、互相关法等，每种方法都能够准确地结合多重数据，然后分离成不同的模式，在解决假性循环问题上效果十分显著。瑞利波探测技术需要反复检测，得到多次波动效果图，这样才能准确地分析出当地矿区地质特征。

2 瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用效果

（1）实验目的。为了检测瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用效果，设计了对比实验。在四川省某一矿区中同时使用传统的钻探方法和本文的瑞利波探测技术进行预测，然后对预测效果进行分析。

（2）实验参数设定。为保证瑞利波探测技术和钻探技术检测结果的准确性，设置在地质条件完全相同的矿区进行检测。检测时间为2小时，检测内容包括矿区地质内部岩石硬度，矿区沙化程度等，得到下述实验结果。

（3）实验结果分析

图2 传统钻探方法试验结果

分析图2结果得知，传统的钻探方法信号幅值一直较低，能够检测到的信号幅值一直在-2～2之间，而且检测的振幅稳定性很差。在0～40min内，检测的信号幅值只能维持在-1～1之间，超过上述范围的信号，传统钻探法都检测不到；在40min～60min之间，检测范围有所增加，检测的幅值能够达到-2～2之间，但是稳定性很差，上下频率变化；而到了60min～80min时，检测范围又出现变化，检测幅值很低，只能维持在-0.5～0.5之间；80min～120min，检测幅值再次增加到-2～2之间，但稳定性依旧较差。

图3 瑞利波探测技术试验结果

分析图3结果得知，瑞利波探测技术的检测范围很广，检测信号幅值始终维持在-4～4之间，稳定性很好，虽然在不同的时间会出现一定的波动，但对整体影响不大，工作人员检测起来也非常方便、

（4）实验结论。实验结果表明，传统的钻探方法能够检测到的内容过少，而且稳定性非常差，结果的准确率很低，工作人员如果依据钻探法得到的数据开采矿山，很容易发生安全事故。瑞利波波形的分辨率要远远高于传统的钻探方法，而且探测过程性能更加稳定，移动敏捷度更高，探测的距离更远，速度更快，是一种高效实用的探测技术，能够准确地分析出矿山地质情况，从而为开采工作提供合理依据，对于矿山开采有实际性意义。

3 结语

近年来，矿山安全事故频频发生，为人民的生命安全带来巨大威胁，矿山开采工作也充满危险。为了降低安全风险，各个部门和相关领域学者一直在寻求有效方法预测矿山地质情况，传统的钻探检测方法在检测时将钻头深入到地质中，然后对采集回来的材料进行分析来判断地质特征，此种方法需要耗费大量的成本，而且时间很长，开采工期不能得到保障。瑞利波是一种界面弹性波，在地表和地质内部都能进行传播，且传播速度高、频率快，通过分析瑞利波波形能够准确地判断出矿山地质的特征，是一种高效率、低成本的方法。本文对瑞利波探测技术在矿山地质情况预测中的应用过程进行研究，介绍了瑞利波波速VR的测量方法，并探讨了如何得到VR—T和VR—∆φ的关系曲线图，通过与传统方法对比实验分析瑞利波探测技术的应用效果。希望本文的研究能够对以后学者研究相关方面内容提供帮助。

[1]贾文青,刘中华．瑞利波探测技术在矿山地质构造中的应用研究[J]．矿业工程,2017,15(2)：7-9．

[2]刘广亮．瑞利波技术在煤矿地质构造超前探测中的应用[J]．工程地球物理学报,2016,13(3)：361-366．

[3]张昭年,张帅,谢经涛．多元信息融合技术在车集煤矿超前探测中的应用[J]．煤炭技术,2016,35(3)：114-116．

[4]石永生．基于瑞利波技术的孤岛工作面风巷底板破坏深度探测[J]．煤矿安全,2016,47(7)：208-210．

[5]张雪松．超声波探测煤矿采空区应用技术研究[J]．山东煤炭科技,2016(11)：154-156．