地质构造超前探测中瑞利波技术应用分析.pdf

2020 年第 4 期2020 年 4 月 在井下生产作业中，煤矿前方地质构造的复杂多 变对矿井生产安全有着重大影响。为确保生产作业的 持续、安全，采用有效的手段进行超前探测意义重大。 其中，较为常见的探测方式包括地震波勘测、钻孔透 视、地质雷达等，但这些方式多数对地质条件有着较 为严苛的要求且成本较高，不具有良好的普适性。相 比较而言，瑞利波技术具有设备携带便捷、可靠性高、 探测距离远、操作便捷等诸多优点，对实行作业面前 方地质状况的有效探测作用巨大[1]。 1瑞利波技术作业原理分析 瑞利波技术主要运用了瑞利波的两大特性，即波 在分层介质中传播时具有频散特性和波的传播速度与 介质物理特性紧密相关[2]。 当瑞利波在分层介质中传播时，其不同频率 （f ） 下的传播均速 （ Vr） 与介质特性密切相关。基于此求得 各测点传播速度与频散的惯性曲线，再借助小波分析 法，便可以将岩性介面分层频散突点在探测深度曲线上 直观显示出来，从而得出相应的物探异常推断解释[3-4]。 图 1 即为瑞利波施工布设示意图。 作业时，在地面或作业面施加一个瞬间激振力后， 地层中便会产生瑞利波。通过这种方式形成的瑞利波 是一个宽频带的脉冲，由多个简谐波分量叠加而成。 每一个简谐波都以一定的相对速度 Vr传播，其属于频 率 f 的函数。假设在距离震源一定距离处有两个测点， 分别为 A 和 B，两点之间的距离为 驻x （x2-x1驻x，x2、 x1分别为 B 点、A 点与震源的距离，m ） ，由此便可求 得 A、B 两点间相位差 驻准 驻准 2仔fx2-x1 Vr 2仔f驻x Vr 。1 由于测点间隔 驻x 为已知数，通过频谱分析可测算 出瑞利波各频率点相位差，则结合式1便可求得瑞利 波相对速度 Vr[5] Vr 2仔f驻x 驻准 。2 基于此，又可进一步求出瑞利波相应的波长 姿r 姿r Vr f 。3 结合瑞利波探测常用的半波长解释法，便能够确定 探测深度 H 的计算公式为 H Vr 2f 。4 如此一来，以 Vr为横坐标，以深度 H 为纵坐标， 便能够有效描述频散曲线速度与深度间的关系[6]。 2生产实践应用分析 2.1工程概述 回坡底煤矿井下 11-1022 巷道掘进面位于井下 2 风井井底变电所东侧、10-1022 巷南侧，巷道掘进沿煤 层倾向进行，巷道自然坡度为 5毅耀8毅，底板以泥岩为 收稿日期2020-02-22 作者简介李斌坤，1988年生，男，山西洪洞人，2015年毕业于中 国矿业大学地质工程专业，助理工程师。 地质构造超前探测中瑞利波技术应用分析 李斌坤 （ 山西汾河焦煤股份有限公司，山西 洪洞 041600 ） 摘要 在分析利瑞波技术作业原理的基础上，结合具体工程实际，对瑞利波技术的实践应用做出全面分析总结，并 对其应用效果进行了校验。结果表明，该技术探测效果精准，能够为生产提供有效指导。 关键词 煤矿；地质构造；超前探测；瑞利波技术 中图分类号 P631.4； TD326.2文献标识码 A文章编号 2095-0802-202004-0182-02 Application Analysis of Rayleigh Wave Technology in Advance Detection for Geological Structure LI Binkun Fenhe Coking Coal Co., Ltd. of Shanxi, Hongtong 041600, Shanxi, China Abstract Based on the analysis of the principle of Rayleigh wave technology, combined with the specific engineering practice, this paper made a comprehensive analysis and summary of the practical application of Rayleigh wave technology, and verified its applica- tion effect. The results show that the detection effect of this technology is accurate and can provide effective guidance for production. Key words coal mine; geological structure; advance detection; Rayleigh wave technology （总第 175 期） 实践运用 A耀F.不同探测传感装置；驻x.各传感装置间距。 图 1瑞利波施工布设示意图 触发传感器 驻x驻x驻x驻x驻x 震源 圆 形 基 座 182 2020 年 4 月2020 年第 4 期 主，局部为粉砂岩或细粒砂岩。巷道服务作业面开采 煤层为 11煤层，整体赋存稳定，厚度均值 3.4 m，局 部含有两层夹矸。依据前期三维地震勘探及周边巷道 掘进作业所得资料可知，在 11-1022 巷道掘进作业中 可能遇到地质构造异常区域，会对生产安全造成影响， 需在掘进过程中采用瑞利波技术进行有效的超前探测。 2.2测点布设与处理 在回坡底煤矿 11-1022 巷道掘进作业面，分别对 掘进头和底板进行瑞利波超前探测及深层探测，从而 明确周边煤岩层地质变化带分布特征。结合 11-1022 巷道掘进作业面实际情况和 YTR 瑞利波探测装置作业 适用情况，采用如图 2 所示的瑞利波探测布设示意图。 1.掘进头超前探测点位；2.底板深层探测点位。 图 2瑞利波探测位置布设示意图 图 2 中点位 1 位于距离 11-1022 巷道起始端 350 m 的掘进头，考虑到 11-1022 巷作业面掌子面宽度为 5 500 mm，因此瑞利波探测选用短观测系统，也就是 相邻两个检测装置间隔 500 mm，震源与第一个检测装 置间隔 500 mm。在布设检测装置时，应当尽可能确保 掌子面岩石完整无松动，且尽量将测点选在宽度最大 的区域。图 3 即为瑞利波检测装置布设示意图。 单位mm 图 3超前探测瑞利波检测装置布设示意图 点位 2 位于距离掘进头 15 m 处的底板中，选用六 道观测系统，各道间间隔 1 000 mm，震源与第一道间 隔 1 000 mm，整个观测系统布设长度为 6 000 mm。 布设时，应当确保作业地点周边无矿车经过等干扰因 素，同时使钢钎尽量避开巷道内铁轨。 3探测结果的校验分析 3.1探测结果分析 通过锤击的方法，对两个点位分别测试 5 次，将 测试所得文件导入计算机生成原始数据；随后使用专 业的瑞利波处理分析软件对原始数据进行检测分析， 形成结果曲线；接着采用频深转换处理方法构建速度 对探测深入的校正函数，形成深度曲线；最终通过对 结果曲线的分析便可得出超前探测区域内是否存在地 质构造异常区域。 此次探测作业中，点位 1 上的探测装置测得11-1022 巷道掘进作业面前方区域 200 m 范围内存在 4 处瑞利 波异常区域，分别位于掘进头前方 18耀20 m 处、30耀 40 m 处、80耀95 m 处和 140耀160 m 处；点位 2 上的探 测装置测得距离掘进头 15 m 处底板深部 200 m 范围内 存在 5 处瑞利波异常区域，分别位于底板下方 1.5耀2 m 处、4耀5 m 处、8耀9 m 处、15耀16 m 和 20耀30 m 处。 3.2探测结果校验 回坡底煤矿 11-1022 巷道掘进面 200 m 范围内的 两个测点经多次探测，共发现异常区域 9 处，其中，经 验证，8 处与实际情况相符，另外 1 处因掘进作业还未 到相应区域而并未揭露。表 1 所示即为探测异常区域 与实际揭露异常区域对照表。 表 1探测异常区域与实际揭露异常区域对照表 4结语 地质异常区域作为井下生产中较为常见的一种情 况，实现对其的有效超前探测，对于提升矿井作业的 综合效益意义重大。此次通过运用瑞利波技术，实现 了对矿井作业面超前区域地质构造异常情况的有效探 明，为井下生产作业的持续、安全开展提供了有力指 导，对于推动矿井生产的持续高效开展有着积极意义。 参考文献 ［1］ 宋时轮.地质构造复杂地段岩巷掘进过断层技术研究 ［J］ .现 代矿业， 2019， 359 281-282. ［2］ 张勇.综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用 ［J］ .交通 世界， 201923 127-128. ［3］ 麻建亮， 穆晓强， 王辉.井下直流电法超前探测采空区积水技 术及应用 ［J］ .山东工业技术， 201912 74. ［4］ 郝剑飞.矿井瞬变电磁法探测方法在探测断层的应用实践 ［J］ . 内蒙古煤炭经济， 20197 57-58. ［5］ 彭虎.瑞利波探测技术在阳煤一矿 3 号煤中的应用研究 ［J］ . 煤炭与化工， 2018， 4112 64-66. ［6］ 覃晖， 唐玉， 王峥峥， 等.综合探测技术在隧道超前地质预报中 的应用 ［J］ .现代隧道技术， 2018， 55增刊 2 681-686. （ 责任编辑刘晓芳 ） 11-1022巷 10-1022巷 403860019548500 2 1 1954860019548400 19548400 40384001954850019548600 403850019548700 500 5 500 测点探测异常区域/m实际验证区域 1 18耀2016.5 m 处存在断层 30耀4034 m 处存在断层 80耀9590 m 处陷落柱 140耀160未揭露 2 1.5耀21.6 m 处存在断层 4耀54.3 m 处存在断层 8耀98 m 处存在陷落柱 15耀1615 m 处有含水层 20耀3025 m 处有断层 李斌坤 地质构造超前探测中瑞利波技术应用分析 183