瑞雷波勘探方法的原理,特点及应用效果.pdf

④ z 第2 3 卷第3 期 煤 炭 科学 技 术 1 9 9 5 年 3 月 瑞 雷 波勘 探 方 法 的 原 理 、 特 点 及 应 用 效 果 ‘ 煤 炭科 学研 究总 院西 安分 院 夏宇靖杨体仁／ 杨 战 宁 尸 2 A 摘⋯ ⋯ 横 ⋯劫⋯瑞 摘要 由非均匀平 面纵 波 与非均 匀横 渡沿 自由界面传 播 时相 互迭 加形成 的瑞 雷面波 ，具有 能量强、衰减慢、波速低 的特点 。 根 据瑞雷波 的颊散特性 开发 的瑞 雷渡 勘探方法，能够弥补常规地震勘探浅层盲区的不足 ，且具有更高 的勘探舟辨率，尤 其适合浅层的工程勘探及煤矿井下独头巷道的超前探测 ／ ． 、 关 键 词 瑞 雷 波 颈 散 特 性 独 头 巷 道 超 前 探 测、 ， 喋 厂 我国煤 田的水 文地 质条 件十 分复杂 ， 水 害严重， 对煤矿安全生产威胁很大。 为了解决 煤矿 井下 ， 特别是 独头 巷道前方 的各种 地质 构造 问题 ， 包括探 测断层、 溶 洞、 陷落柱 、 瓦斯 富集 带等 ， 迫 切需要 有一 种既 安全 又有 效 的 物探手段 。 经 多年的 努力 ， 我们把 国外开发的 地面瑞 雷波 勘探 技术 移植到 井 下 ， 并研制 成 安全 防爆 的 井下专 用瑞 雷 波勘探 仪器 ， 经 煤 矿试 验应 用 ， 取 得 了良好 的地 质效果 。 1 瑞雷波与 瑞冒波勘 探 天然地震 中 ，瑞雷波是带给人类灾 害的 祸首 之 一 ；常规 的纵横 波地震勘探中 ．它又 是 一种能量极强 的干 扰 。 随着地震勘探 技术的发展 ，人 们越 来越 关 注常规 地震勘探 中如 何克服极浅层 ，包括 地 面至地下几米 、十几米或几十米深 的范 围 内始终存在着勘探盲区， 获取这部分的资料， 以及如何 进 一步提 高勘 探分 辨率 而瑞 雷波 本 身固有 特性决 定了它 有可 能满足人 们所寄 予 的希 望 。 首先 ， 瑞 雷波是 非均 匀平面纵波与 非均 匀横波 沿 自由界 面 传播 时 相 互 迭 加而 获1 9 9 4 年煤炭工业科技进步二等奖 形 成的 ，主 要能量集中在界面 附近 ，如能开 发 出激 发与接收瑞雷 波的仪器 ，就可 以探 测 近地 表层 的地质状 况 ，克服常规勘探 中盲区 的困难 ； 其次 ， 瑞雷波传播 的速 度 比纵波 、 横 波都低。 使勘探工作有可能更精确地计测相 应的速度值及其变化，更细致地反映地层的 变化情况 ， 提高勘探的分辨率。 此外 ， 瑞雷波 能量 的衰减 比体波 的几何 发散要慢 ，这些 特 点 ，使得 利用瑞雷波为有效波 进行勘探的设 想变为现 实 ，瑞雷波勘探方 法作为地震勘探 方法的一个 分支得 以创立并 日益发展 2 瑞雷波勘探方法的基本原理 现今 的瑞雷波勘探方法 ，主 要有两种模 式 。 一 种是 稳态激振 法 ，以 E l 本 GR一 8 1 0 型仪 器 ，方 法 为代 表 ；另一种是瞬 态激 振法 ，以 西安分院研 制的 MRDI、 Ⅱ型仪器 和 El本 的 GR一 8 2 0 型仪器为代表 。 2 ． 1穗 态激振 法 稳态法 的基 本原理如 图1 所示 。 E是振 图1 瑞 雷 波勘 探基 本原 理示 意 图 维普资讯 第2 3 卷第3 期 煤 炭 科学 技 术 1 9 9 5 年3 月 动器 ， 可 以激发 出2 9 9 0 0 Hz的控频瑞雷 渡 ， 频率 精度随选用 的频 率的数量级而 异 ，最高 可精确到 o ． 0 0 1 Hz ，这种 频率高 度精 确 的稳 定振动是 探测准确的重 要保证 ，故名稳 态振 动法 。 A、B为两道检波器 ，接收 震源 E激发 的渡能 信号 ，再 送到 GR一 8 1 0 仪器 中进 行放 大 、滤波 和模 数转换 、数字采 样 ，最终 通过 两道 信号 的互相运 算 ，求 出两道信号 的时 间 差 、瑞雷渡传播 的平均速度 及相应 的 深度 D，并 由打 印机逐 点绘 出反映地 下弹性 性质深度 一平均速度 D一 曲线 。 瑞雷 渡勘 探原理 的核心是利用 了层状介 质 中瑞雷 渡的频散 特性 ，即不同的频率成分 具有不 同的相速度 。 稳态法中 ，频率是 由GR -- 8 1 0 仪 器 中信号 发生器来控 制的 ； 是 由 GR一 8 1 0 仪器 中的运算器 根据 A、 B两道检波 器的实际距离参数和通过 互相关方法计算 出 的两道 检波器 的时差计算 得 出的 ，再 由下式 得 出相 应的勘探深度 D D 一 导 一 1 号 式中 瑞 雷渡波长 } F 瑞雷波 的频率 。 用稳态法实 际勘 测时 ，是 一个 频点 一个 频点地分频测试，多从高频做起 ，随着频率 的逐渐降低，波长随之增加，探测的有效深 度也相应增加 ，至终 止频 率 ，达到最大 的勘 探深度 。 对于 实测的地下空 间 ， 弹性性质 随深 度逐渐变 化 ， 亦就随着 不同频率 而变 化 ， 不同的波长就能探测 出不 同深度上 地层弹性 性质 的变 化 ，从而在地面 用稳 态振 动法探 明 地下弹性性 质的资料 。 稳 态法 的 主 要优 点 是 可以 降至2～3 Hz 的较 低频率 ，从 而达到较 大的勘探深度 ；并 且可以从 实测各频 点资料的过程 中 ，总 结出 一 套 地层地质解释 的经 验 ； 缺 点是仪 器大 ， 施 工慢 ，效 率较低 。 2 ． 2瞬态激振 法 30 针 对稳 态法 施工效率 低的缺点 ，瞬 态激 振法用锤击 方式取代 了激 振器 ，一次击发 出 各种频率成 分 ，同时检波 器也接收到 富含 各 种频率成分的信号 。 剩下的工作， 即稳态法中 靠仪器硬件逐个 频点 的变更及 相应 的运算工 作，在瞬态法中，主要靠软件来完成 。 由西 安 分 院和 日本 VI C公 司分 别 独 立 研制 的 MRDI、 l型 仪器 与 GR一 8 2 0 型 仪 器 ，在原理上 几乎是完 全一样的 。 MRD型仪 器更兼有 防爆 性能 。 瞬态法的优点是仪器轻便 ， 施工快速 ， 且 能解决仪器 的防爆 问题 ，资料也利 于进 行进 一 步 的各种 处理 。 目前的 主要 问题是 如何激 发 出频率较低 的信号 ，进一步增大 它的勘探 深度 。 无论 是稳 态法还是瞬 态法 ，方法 中核心 的部分 ，都是 利用 了瑞雷波 在层状介质 中传 播时 的频 散特性 ， 通过实测 的 D一 频散 曲 线来进行地质解释 。 所 不同的 ， 除了施工方式 激振方 式 、接收方 式外 ，主要是资料分析 过 程和运算方式 的 区别 ，前者是通 过两道信 号 的互 相关 来求取 时 间差并 计 算 平 均 速 度 的 ，而后则通过傅里 叶变换 及一 系列 的谱 分 析 ，直接求取相位差得到平均速度值。 2 ． 3 用 于煤 矿独 头巷道超 前勘探 的可 能性 一 种物 探方法要应用于 独头巷道进行 超 前探测 ， 至少具备3 个基本条件 ①能在独 头 巷道 只有2 43 m 截 面 的施工 范 围 内布 置 施 工设施与测线 ；②测线长度与 勘探 之 比至少 应达到 1 1 0 ， 勘探 距离应达3 0 、 4 0 m 以上 } ⑧ 对断层 、破碎带 、溶 洞 、陷落柱等 灾害地质 体应有 比较 明显 、清 晰的异常显示 。 瑞 雷 波 勘 探 方 法 的 测 线长 度 只 有 1 ～ 2 m；勘探深度可达 5 0 m 以上 ，在井下岩 层 比 地面 土层 致密、坚硬条件下 ，勘探 深度 可能 更大 ；两者之 比 ，达 1 2 0 以上 特别是 MRD 型瞬态仪 器 ，轻便 、防爆 ，施 工简便 ，很适 于在独头巷道这 样窄小的截 面上安置 。 维普资讯 第2 3 卷第3 期 煤炭科学技术 1 9 9 5 年3 月 从瑞雷波勘探 的原理来看 ，它反映的岩 层的物性特征 主要 是岩 层速 度的变化 ，与此 紧密相 关 的岩层 密度或 致 密程度 的变 化 。 任 何地 质体的存在 ， 包 括断层 、破 碎带 、洞穴 、 陷落柱 、 冲刷 带等 ， 都 会带来岩性在速度 、 密 度方 面的差异 ， 从 而在 D一 曲线 上显示 出 不同程 度的 异常 。 地 面和 井下 的勘探 实践 都 证 明了这一点 。 所有这些 ， 都 为瑞雷 波勘 探方 法 应用于井下独头巷道进 行超前勘测提供 了 可能 。 3 瑞看波勘探仪器 3 ． 1 GR一 8 1 0 型瑞雷波勘探 系统 该 系 统 包 括 GR一 8 1 0 数 据 采 集 系 统 和 GR一 8 6 0 数据 处理 系统两大 部分 。 GR一 8 1 0 数据 采集 系统 主要 由发 电机 、 信 号发 生器、功率放大器 、励磁 电源 、振动器 、 地震仪、运算器、打印记录仪、示波器、检 波 器荨l 0 部分组成 图2 。 图2 GR一 8 1 O 仪 的基本 构 成 其中，信号发生器可产生1 9 9 9 9 Hz 的 正弦波 ， 并 可调 制成 所需形状的各种调 幅波 ， 经功率放 大 后用 来控制 震源 的振动 。 之 所 以 需 要调 制 ，主要是 为了保证 相关运算 的正 确 性 。 振动器 激振机 是 一个 高精 度 的电磁 式 振 动 装 置 。 振 动 频 率 的 最 高 精 度 可 达 0 ． O 0 1 Hz 。 不 同激 振 力的 系列产 品可 适 用于 不同勘 探深度 。 井下应用 以5 0 I ， 型为宜 。 检 波器是适 用于 目前瑞雷波勘探 只利用 垂直分 量 的加速 度型单 分 量检 渡 器 。 由于 附 加放 大装置 ，所 以具 有较高的灵敏度 。 运 算器是 以8 0 8 5 A微处理器 为核心的信 号 处理 装置 。 它完成对信号 的采样 、 互 相关运 算 ，算 出信号延迟时 、瑞雷波传播 的平 均 速 度 及 相应 的勘 探深 度 D，并送 至打 印 机绘 出 D一 曲线 。 GR一 8 6 0数 据 处 理 系 统 包 括 P C一 9 8 0 1 UV2 微机 、P C KD5 5 1 K 高分辨率 彩显 、 KD一 4 0 3 0 B数字化仪 、MP 一 2 0 0 0 绘 图仪 、P C 一 1 0 1 F打 印机 、 GR一 8 6 0 解 析软 件及 相应接 口。 GR一 8 6 0 系统 以实 测 的 D～ 曲线为 依据 ， 通过各 种模 块处理 ，得到用于不同解释 目的 各 种成 果 ， 包括各种 曲线 、 地层 的柱状剖面 、 瑞雷波层速度值 、 地层 Ⅳ值及剪切模量 弹 性模量 、地 层承载 力等各种弹性常数 。 3 ． 2 MRD I型瞬 态瑞 雷渡 探测系统 该 系统同样 由室 外探测仪 和室 内微机 处 理 系统 两部 分组成 图3 。 j 彗 盎 盛 室外 室内 图3 MRD -I型瑞 雷 渡探 测 系统 MRD-I型瑞雷 波探 测仪用 单 片计算机 控制 。 由它 向 TMS 3 2 0 1 0 发出各种命令 ． 点 阵 式液 晶显示器进行 菜单及结 果显示 ，全部采 用全 密封 触摸 键操作 。 单 片机 系统 采用 大容 量存储器 ， 一次可存储放6 0 炮 的数据 。 可以用 具备同样接 口的各种微机相连 ，将 数据传输 到微机 中 ，以便进 一步处理 。 该探测仪 中的数据 采集 系统包 括两路去 假频滤波器 ， 固定增益放大器和 采样保持器 ， 在采样保持之后按两路信号子样的大小进行 浮点放 大 和模 数转 换 。 该 系统 以 TMS 3 2 0 1 0 3】 维普资讯 第2 3 卷第3 期 煤 炭科 学 技术 1 9 9 5 年3 月 信号 处理 器为核心 ， 除对系统逻辑进行控 制 ， 进行 信号 采集和存储之外 ．还 担负信号 处理 中硬件快速傅 里叶变换工作 。 探测 仪通过 全 密封 触摸键 盘进 行 操作 ， 并 由液晶显示器显 示 ，操作 中每一步都 有菜 单提 示或 图形显示 ，可根据需要选择适 当的 工作方法 和参数 ，十分 简便 。 微机 处理 系统可 以进行 波形显示 、频谱 处理 、相 干函数 处理直 至绘 制分 散 曲线 ，分 层柱状等 ，直接 用于资料 的地质 解释 。 4应用范圈 、特 点及 实例 经在北京 、 焦作 、肥城 等矿务局6 个 矿井 试 验 ，取得了独头超前探 渊等多方面 的 良好 效果 。 1 9 9 3 年 已批 量生产 l O 台 ，先后 在全国8 个 省3 0 多个 矿 区推广使用 ，均取得了显著 的 经 济效 益和 社会效益 4 ． 1 应用 范 围及 特 点 1 独 头巷 道的超前探测 。 在煤 矿井 下 ， 瑞雷 渡探 测的 目标体可 以是全方 位 的 但 重 点多在 独头巷道超前探 测断层 、溶 洞、陷落 柱等 。 勘探 距离达到5 0 6 0 m。 2 地面 探渊 。 瑞雷 波方法 最 初就 是 应 用于地面地基勘探开 始的 ，所 以对煤 矿地面 的各种楼房 、厂房 、道路 、隧道及地下建筑 工程 ．都可 以取代部分钻 探工作 ，得 出更多 的物性 资料 ，绘制地层柱状 、地质剖面 ，测 定地层 的横波速 度 等 。 在露天 矿 的边 坡 或可 能滑坡地带 ，可用于探测薄层 软弱 带及 滑坡 面 ．以及从速度分析判定夯土质量 、圈定注 浆 帷幕的渗漏 危险 区。 推而 广之 ． 也 可以用于 煤 矿 井下进行 底板 观测 ， 查 明隔水层厚度 、 残 余煤 厚 或下层煤 的赋存 状况与结构状况 。 3 洞穴 、埋设物 探测 。 近 年来 ，采用瑞 雷渡方 法在深测近地表 的小窑采 空区方 面做 了许 多工作 ，获得了很好 的效果 ，是 公认 的 探测 洞穴 的最佳物探方法之 一。 瑞雷 波 勘 探方 法 的主要 特 点可 以 归 结 32 为 ①实现从地表 至几十米深度 范围 内的无 损探渊 ，可得到深度 、速度 、Ⅳ 值 及其 它多 种 弹性 动力学参数 ；②施工 占地小 ．移 动方 便 ， 适宜在城市街道 、院落及多种环境作 业 } ③可 实施 全方位探测 ， 适 合探 渊各种岩性 ， 不 受含水性 影响 ，也不存在高速层屏 蔽 ．抗干 扰能力强 ．特 别适 宜探渊地下洞穴 4 与钻探相 比 ．速度快 、效率高 4 ． 2应 用 实 例 1 京西 门头 沟 老窑 采空 区勘 探 。 在京 西 门头 沟勘 探 区 1 ． 8 k m。 的 范 围 内分 布着 数 以百计 的小窑 。 地 下采空区的存在 ， 严 重威胁 地面 建筑 和人身 安全 。 作 为国家 防灾 项 目的 一 部分而实施的瑞雷波勘探 ， 在大小共1 2 块民 房 密集 区实测3 0 0 多点 ，圈出老窑采空区的平 面分 布。 经打钻验证 ，瑞雷波探 测的结果无论 在 采空 区的判断上 ，还是采 空区赋存 的深度 上 ， 都是相当准确 的． 总的深度误差 士3 。 2 肥 城 等 矿 务 局 的 独 头巷 道 超 前 探 测 。 在肥城 国家庄矿 5 2 0 2 工作 面进行 了断层 的超前 探测 。 根据 6 2 0 0 轨道 石 门揭露 的 GF 2 断层位置和倾角推断 ，从 5 2 0 2 独头探渊 此断 层位置应在7 m 多远处 ， 探渊结果 ， 断层 位于 7 ． 4 m 处 。 在开滦范各庄矿某巷道掘进 中发现煤层 突然松散 ， 推测前方有断层存在 用 MRDI 仪 进 行超 前 探 激 确 定 断 层 在 前 方 3 ． 5 4 m 处 ，掘进验证 为3 ． 6 m。 在 中梁 山北 矿斜 坡 独 头探 测前 方 断 层 时，判断断层在2 0 ． 9 m 处 ，实际验证 结果为 2 0． 8 m 。 此外 ，在焦作 、石炭井 、梅 田等6 个矿务 局3 O 多个矿进行 了各种 井下探测 ，包括岩巷 内的超前探测 、巷道底板探 测、巷道 向上探 测及侧壁方 向的探测等 。 由于现场服务 、 咨询 工作取得 了良好效果 ．煤炭部安全局 曾召开 现场推广会 ，确定将 MRD l型瑞 雷波探测 仅 作为1 9 9 3 年煤 矿安全重点推广项 目，1 9 9 4 维普资讯 ． ， 弓 6 第2 3 眷第3 期 煤炭科学技术 1 9 9 5 年3 月 我局近水平煤层综采工作面常见故障 统计分析 大 同矿夯局 金 智 新 丁 D 2 3 竹 7 大同矿夯局王村矿要 A摘要 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 实 ⋯ 一 ⋯ 水 平煤层顶扳漏颤事故的发生规律、时间和机理进行7研究。 ， 关 键 词 陋 ， 舳 墨 苎 ， 综 采 面． 廉 综 采工 作面常 见故障 主要 指顶板 漏顶 、 采煤 机 、输送 机 、转载机 、胶带 、泵站和 电 气设 备的各种故障 ，以及与工作面有关 的环 节故 障。 统计发现 ，大同局综采面平均故障停产 时间占总 生产 时间的2 1 ． 6 ；实际证 明 ，随 着生产系统 中设备 数量 的增 加 ，系统发生故 障的概率将有所增 加 ，而系统 的可靠性 将有 所降低 。 1 高产 队与低产 队故 障统计 为 了便于分析对 比， 现以我局3 个 年产在 6 O 万 t以上、效 率在3 0 t ／ 工 以上的综采 队为 高 产队 ，以3 个 年 产在 1 3 万 t以下 、效 率 在 l o t ／ 工 以下 的综 采 队为 低 产 队进行 对 比分 析 ，将 高 、低产队的各类停产时 间和次 数列 入 表 1 和 表 2 。 设 ，⋯ ， 兄 为高产 队总体 的子样 y ，⋯ ， 为低产 队总体 y的子样。 衰1高产工 作 面音 类故 障统 计衰 注 一时 间 hj 一 次数 I 永 定庄 综三 队 年 产6 8 - 8 万 t I 同家 粱综 一队年 产1 0 2 ． 3 万 t ， 晋 华宫练 三 队年产 6 0 ． 0 万 t 衰2 低 产工 作面 音粪 故障 统 计衰 注 ； 一 时 间 _h F H 一 次数 F四老沟 矿综二 队年 产l 3 2 万 t } 忻 州窑 矿缘 三 队年 产1 2 ． 6 万 t F挖 童 湾矿 练 二 队年 产 1 8 ． 4 万 t 。 年煤 炭 部安 垒 局在 贵 州 召开 的 安垒 工作 会 上 ，进 一步确认 MRD一1 仪 为防突探 测推 广 使用仪器 作者 俺升夏 宇靖 ，1 9 4 4 年生 ， 高级 工程师 ，1 9 6 6 年 北京矿业学院毕业 ，1 9 8 3 年煤炭科学研究总院地勘分院高 分 辨地震 勘探专 业研 究生毕 业 ． 硬士 ． 现在煤 炭科 学研 究总 院 西 安分 院从 事煤 田地 震 勘 探厦 瑞 雷 渡 勘探 方 法研 究 工 作 ， 主要论 文有 煤 田高 分辨率 地震 勘探 方法 和资 料趾理 方 法 研 究 等 2 0 余 篇 。 地 址 。陕 西 省西 安 市 雁 塔 踏 ．邮 编 ； 7 1 0 05 4． 收稿 E l 期 1 9 9 4 1 1 - 0 2 }责 任编 辑 钱佩 3 3 维普资讯