瑞利波勘探原理及应用实例[1].pdf

吴迪等:瑞利波勘探原理及应用实例第 10 卷?第 5 期瑞利波勘探原理及应用实例吴迪?张涛?刘广亮?秦鸿刚(煤炭科学研究总院西安研究院?陕西西安?710054)摘?要:瑞利波作为一种地球物理勘探手段已经取得了广泛的应用,该方法具有施工方便、处理快捷等优点。本文介绍了瑞利波的勘探原理、施工方法以及 YTR(D)型瑞利波探测仪在邢台葛泉煤矿的地质构造探察中的应用,并提出了施工中应注意的问题和解决方法。关键词:瑞利波?煤矿?地质构造1?引言瑞利波探测法是近三十年来兴起的一种新型勘探方法,主要用于近地表层的工程地质勘探。其原理主要是利用瑞利波的两个特性:一是波在分层介质中传播时的频散特性;二是波的传播速度与介质的物理力学特性密切相关。目前瑞利波探测技术有两种方法,一种是面波变频探测法,亦称稳态法,是利用某一波长的瑞利波相速度来表征深度小于该波长一半(?/2)的地层平均剪切波速度(用 VR-?/2曲线表示),改变激振器的频率从而得到不同波长的瑞利波,当曲线形态发生异常,在曲线异常处的深度上就可能存在地质异常体或岩性界面。这种方法由于激振器笨重使用困难,在煤矿井下无法采用。另一种方法是面波频谱分析法,也叫瞬态法,它是由震源激发出瑞利波,不同频率的瑞利波叠加在一起,以脉冲的形式向前传播,通过测线上定距离的加速度传感器接收,由仪器记录下来。对采集的信号取以排列中点对称的任意两道,进行 FFT 和频谱分析技术,通过相干函数的互功率谱相位展开谱,利用多次覆盖、多次叠加技术,从而得到瑞利波信号在不同频率 f 的平均速度 VR。根据弹性波理论的半波理论可知,探测深度为H=?/2,即 H=VR/2f,从而得到H-VR曲线。通过利用小波分析法对瑞利波频散曲线做出奇异性显示方式,使岩性介面分层频散突变点在探测深度曲线上直观的显示出来,便于做出物探异常推断解释。2?探测原理及施工方法2?1?探测原理瑞利波探测的工程探测原理是基于瞬态法,多道瞬态法瑞利波探测原理见图 1 所示。图 1?多道瞬态法瑞利波探测原理示意图瑞利波探测技术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),同时可进行浅层探测和深层探测,浅层探测式一般用于预计探测的目的层比较浅(不大于 15m),如探测剩余煤层厚度,可得到 9个物理点的探测结果,探测原理如图 2 所示。深图 2?浅层探测原理示意图层探测的探测距离一般为 3 80m,6 道传感器只262009 年 10月地质装备得到 1 个物理点的探测结果,探测原理如图 3 所示。图 3?深层探测原理示意图2?2?施工方法YTR(D)瑞利波探测采用了瞬态法瑞利波勘探方法,仪器具有防爆性能,既可以应用于矿井地质构造勘探,又可以应用于地面工程勘探。瞬态法瑞利波勘探的工作过程是在震源点使用锤击的方式产生一个瞬态冲击振动作为震源,产生一定频率范围的瑞利波,不同频率和振幅的瑞利波叠加在一起沿介质表面传播,在距震源?x 处的测线上,采用纵观测系统,即震源和传感器排列在一条直线上,以道间距为?x 安置有 6 只单分量加速度传感器,对于布置传感器的道间距?x,理论上讲越大,所接收瑞利波频谱的低频成分越丰富,对加大勘探深度非常有利。如果?x 太小,所接收的各道信号就没有足够的相位差,从而无法保证资料处理。由于施工现场条件限制,应视施工现场场地大小来决定?x,在通常情况下,道间距?x 布置约为 100cm 左右。震源激发点距第一个传感器也布置约 100cm 左右,如图 4 所示。由于瑞利波探测是?点 测量,探测位置是 C 与D 的中心点。图 4?施工布置示意图3?勘查实例3?1?数据采集根据葛泉煤矿已知地质资料分析,矿区内地质结构复杂,褶曲、陷落柱等构造广泛发育。随着开采逐步向深部延伸,陷落柱突水的可能性增大;另外采区内的地质构造发育还严重阻碍了工作面采煤的顺利进行。因此及时对这些构造进行超前预测,可以圈定出陷落柱影响范围,探测出断层在工作面中的走向及延伸情况,对防治矿井突水,工作面顺利回采有重要意义。葛泉矿 1427 运料巷侧邦陷落柱边界位置探测,本次探测共设 4 个测点,测点间距为10m,测点 1 4 的位置如图 5 所示。探测地点:1427 运料巷;探测时间:2007 年 8 月 10日上午;探测目的:煤巷侧邦内部 X416 陷落柱边界位置探测;探测模式:巷道侧邦水平深层模式;采样频率:4000Hz;记录长度:2048;叠加次数:5 炮;图 5?1427 运料巷测点布置及结果对比图测点 1 的原始数据曲线见图 6。3?2?成果分析在地面经计算机数据处理后,得到瑞利波速度曲线,见图 7 所示。图中尖峰突起即代表异常所在位置。从 4 个测点反映出的异常情况可以看出,在探测 80m 范围内,10 30m 范围内,存在一较明显的异常层位反映,此层位可认为是 X416 陷落柱边27吴迪等:瑞利波勘探原理及应用实例第 10 卷?第 5 期图 6?1427 运料巷测点原始数据曲线界。经钻探后确定的 X416 陷落柱边界如图 5 中实线所示,与瑞利波探测的边界(如图 5 中虚线所示)对比可以看出,探测结果基本吻合。图 7?1427 运料巷瑞利波探测结果具体位置对比情况如表 1 所示。其他突起异常可能由于岩性密度变化或地质分层引起的,由于数据未根据本矿实际地质资料进行校正处理,故处理结果可能会有一定误差。?表 1探测距离对比表单位:m测点测点 1测点 2测点 3测点 4探测距离11183027实际距离11?518?426244?结语通过此次勘探,说明了瑞利波探测技术在探测距离和解析精度已具备了一定指导矿井生产的实际意义。且施工方便快捷,对现场工作条件要求较低,工作量小,仪器操作易于掌握。地面资料处理不用专业人员处理,智能化程度高,5 分钟内显示现场初步处理结果;仪器探测距离大、对小信号也有较高的识别能力,探测解释距离可超过 80m。但仍存在以下问题还需改进:(1)测线/测点布置可垂直于岩层或构造走向,也可顺岩层(如顺煤层)追踪其走向,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)上修正。采用顺层布置传感器便于物探结果的解释。(2)瑞利波探测法通常采用纵观测系统,锤击点(放炮点)与传感器应布置点在同一条直线上,传感器要尽可能布置在同一岩层中。(3)不同的表层岩性,对传感器要采用不同的安装方法。在测线/测点上安装传感器时,可用钢钎固定法、磁铁座、各种粘接法(如:502 粘接剂、双面胶带、石膏粉、快干水泥)等安装方法,震动传感器必须固定牢靠,与岩层达到较好耦合效果。(4)传感器不能布置在松软层上(如表层浮渣),钢钎必须固定牢靠。(5)布置测线/测点时,要尽量远离背景噪音大的地点。由于不同的矿区有各自不同的构造特征和其它地质变异因素,这就要求科研人员和矿井地质工作者不断探索。我们也深知,任何一项技术的进步,都难以满足人们对它的预期,这也是推动技术进步的动力所在。参考文献:1?杨成林?瑞雷波勘探法原理及其应用 J.物探与化探,1989(6)2?杨成林?瑞雷波勘探M.北京:地质出版社,19933?崔占荣、张世洪、张俊喻?瞬态瑞雷波勘探中一些问题讨论J.物探与化探,1997(5)4?李公正?瞬态瑞利面波技术探测原理及其应用 J.矿产与地质,2003(5)5?潘秋明?瞬态瑞利波探测技术及其在矿井地质中的应用 J.煤田地质与勘探,19966?陈旭杭、伍明辉、胡淑兰?瞬态瑞雷波在地层勘探中的应用J.华东交通大学学报,2007(1)7?黄嘉正、周鸿秋、关小平?工程地质中瑞利波法勘探的理论初探J.物探与化探,1991(4)282009 年 10月地质装备8?肖柏勋?瑞雷面波勘探技术研究评述 J.工程地球物理学报,2004(1)9?张碧星、肖柏勋、杨文杰?瑞利波勘探中?之 字型频散曲线的形成机理及反演研究 J.地球物理学报,2000(4)10?张碧星、鲁来玉、鲍光淑?瑞利波勘探中?之 字型频散曲线研究 J.地球物理学报,2002(2)11?王小波、王勇?瑞利波探测仪在矿井探测中影响精度的因素 J?地质装备,2008(6)(收稿日期:2009 年 7 月 1 日)Principle and Application of Rayleigh Wave ExplorationAbstract:Rayleigh wave has been applied to a wide range as a means of geophysical exploration?The methodhas the advantage of convenient operation and fast data processing?This paper introduces prospecting prin?cipal,operation method and application of YTR(D)Rayleigh wave in geological structure detection ofGequan coal mine at Xingtai?Finally,the problem and the solution in construction were presented?(byWu Di et al)Key words:Rayleigh Wave,Coal Mine,Geological Structure欢迎订阅 2010 年!探矿工程(岩土钻掘工程)月刊中国科技核心期刊?全国优秀科技期刊?全国探矿工程核心期刊?中国期刊方阵期刊中国科技论文统计源期刊?中国学术期刊综合评价数据库(CAJCED)统计源期刊中国学术期刊(光盘版)?中国期刊网?万方数据系统科技期刊群全文收录期刊!探矿工程杂志创刊于 1957 年,由时任中国科学院院长的郭沫若先生亲笔题写刊名。随着探矿工程服务领域的不断扩展,为更准确地反映!探矿工程杂志的内涵,目前刊名变更为!探矿工程(岩土钻掘工程)。目前,!探矿工程(岩土钻掘工程)杂志由国土资源部主管,中国地质调查局主办,中国地质科学院勘探技术研究所承办,中国地质学会探矿工程专业委员会等多家单位协办,地质出版社出版,大 16 开本,80 页码,精美彩印塑膜封面。主要栏目:岩土工程(桩墙基础,基坑支护,锚固与注浆,工程勘察,基桩检测等)/非开挖工程/地质灾害治理与环境保护工程/钻掘设备与器具/钻探工程/钻井工程(油气、盐田、煤层气、地热井、水井、对接井等)/金刚石与磨料磨具工程/科学钻探/隧道与爆破工程/管理与安全工程/国外新知/国内外专利介绍/建设工程信息/信息与动态/专业新书介绍读者对象:探矿工程及岩土钻掘工程领域的科研、生产、施工、教学、管理部门的广大技术人员、管理人员、在校学生等。国际刊号 ISSN 1672-7428,国内刊号 CN 11-5063/T D,邮发代号 2-333,2010 年每期订价 10?00元,全年 12 期 120元。可在当地邮局订阅,也可汇款至编辑部订阅。地址:北京市阜外百万庄 26 号?邮编:100037?联系人:张进?电话(兼传真):010-68320471E?mail:tkgc cniet?com?zhangjincniet?com?H ttp:www?tkgc?net?cn29