瑞利波技术在煤矿井下超前探测中的应用.pdf

地 质 矿 山 瑞利波技术在煤矿井下超前探测 中的应用 林纲虎 乌苏四棵树煤炭有限责任公司 新疆 乌苏8 3 3 0 1 9 摘要 本文通过瑞利波技术勘探原理、 井下数据采集及资料处理方法的介 绍并通过该技术在鸟 苏四棵树煤矿八号井井下巷道跟踪超 前探测中的实例应用， 论述其地质探测效果。实验证明此项技术在煤矿井下短距 离超前探测构造和采空区方面效果明显。 关键词 瑞利波； 频散 曲线； 超前探测； 探测距 离 0 引言 瑞利波探测技术是西安煤科总院西安研 究院科技 攻关项 目， 此项科研成果在地面岩土工程勘察 中运用较多 ，但在解决煤矿井 下地质方面运用较少。 利用瑞利面波的传播特性 ， 在井下巷道迎头 开展瑞利波跟踪超前探测 ， 实践证 明该方法分辨率高、 探测和处理 数据的速度快 、 探测数据直观、 操作简便 ， 不仅用于探测掘进巷 道前方 的地质构造，也可用 于探测采煤工作面 内的陷落柱和小断 层 。 1瑞利波超前勘探原理 瑞利波属于面波， 它的质点合成运动以逆时针方向的椭圆轨迹 行进 ， 在介质 自由表面附近按圆柱形波前方式传播 ， 其传播速度根 据频率的变化而变化 ， 瑞利波能量主要集中在距地表一个波长 x r t 尺度范围内， 故波长不同勘探深度不 同。瑞利波是一个宽频带的脉 冲 ， 由许多简谐波分量叠加而成的。简谐波波动位移方程可写为 Y K c o s co t A t 1 式中 K为常数 ， o 2 v f ， 是角频率 ， t 为时间， △ t 为波传播到某一 位置点 x 所需 的时间，假定每一个简谐波都以一定的相速度 v r 传 播 ， 那么式 1 也可以写成 Y K C O S c o t - 音 2 将 co 2 w f 代如式 2 ， 可以得到 Y K c o s co t 一 r旦 3 Vr 式 中 是瑞利波传播到 x 位置处的相位角。 Vr 那么我们设离震源一定距离处有一观测点 A，距离震源的距离 为 x 1 ， 记录到的瑞利波设为 YI Yl K c o s co t 一 Vr 在波的前进方 向上与 A点相距 △ x 的观测点 B ，距离震源 的距 离为 x 2 ， 同样也记录到一个波形 Y 2 Y 2 K c o s co t 一 Vr 我们已知 A 、 B两点之间的距离为 x 2 一 x 1 A x ，根据 3 式 ，就 可以计算出 A 、 B两点之间相位差为 A b 2 ar f x 2 一 x 1 ／ V r - 2 “r ff A x ／ V r 4 A、 B两测点 间的距离 △ x 是已知的，我们利用频谱分析技术就 可以计算出瑞利波每一频率点上的相位差 △ 。 根据 4 式求出相速 度 V r V r 2 百 f △ x ， △ 5 相速度是瑞利波确定地层构造的关键参数 ， 因此 ， 瑞利波勘探 方法和资料处理都是围绕准确求取相速度而进行的。 从式 5 中我们可 以看出， 瑞利波的传播速度 v r 是频率 f 的函 x ／ 0 ． 0 2 6 _2 O ． 0 3 5 O ．0 4 5 O ．0 5 6 O ．04 _2 O ． 0 4 4 z 0 ． 0 4 6 士 O． 1 1 3 m 取 2 倍中误差作为贯通相遇点 K在高程上 的预计误差 Mh 2 O ． 1 1 3 0 ． 2 2 6 m 4测量成果的精度评定 华泰公司井下控制导线长 6 9 9 0 m， 共 6 6个测站 ， 导线相对精度 1 ／ 2 9 2 0 0 ， 其最终点坐标见下表 导线相对闭 次数 测斜终孔坐标 实测孔底坐标 A x A y 合差 X y y 1 0 ．0 7 5 0 ． 2 1 7 6 7 1 2 ． 3 7 4 6 9 5 0 ． 8 8 0 6 71 2 ． 4 4 9 6 9 5 1 ． O 9 7 平均 A O ． 2 2 9 1 ， 2 9 2 0 0 边。 北风井井下导线长度 1 6 8 0 m， 共 1 6 个测站 ， 两个测回， 测距仪测 最终方位 △ d 导线相对 次数 F x f y f 角o Ⅳ 闭合 差 1 2 51 44 l 6 8 0 ． 0 1 2 0．08 3 0 ． 0 8 4 1 ， 2 0 0 3 0 2 2 5l 44 3 3 9 0 ． 0 6 0 - 0．02 9 0 ． O 6 7 1 ， 2 5 2 0 o 平均 2 5 1 4 4 2 4 北风井井下导线测角中误差为 m 、 ／ 3 -2 北风井井下导线终点位置误差为 r 面 一 、 ／ 0 ．0 7 7 m 经精度评定 ， 测量成果满足工程需要。 5 结论 ①贯通测量导线尽可能减少短边，把边长控制在 1 2 0 2 0 0 m之 内。对于短边， 通过增加测 回数来提高精度， 避免导线中出现弱边 。 ②注意提高对中精度。对于风流较大段， 除采用大锤球外， 还专 门制作 了挡风板 以提高对中精度 ， 复测时采用三架法、 四架法 、 在底 板上布置临时点的方法消除风流影响。 ③三角高程测量采用转点法传递高程 ， 减少量取视高 、 仪器高 的误差影响。 ④在整个贯通测量工作中 ，始终 由专人负责分析处 理导线成 果 ， 及时评定测量精度 ， 对测量结果不符合要求的测站立即进行补 测 ， 杜绝粗差的出现， 提高测量成果的精度。 ⑤贯通后， 经实测中线偏差 1 4 5 m m， 高程偏差 2 1 m m， 导线相对 精度为 1 ／ 4 7 0 5 4 。 华泰公 司扩大区钻孔与一 1 2 0 巷道 的高精度贯通 ， 为 扩大区的提前投产提供 了保证 ， 节约了大量资金 ； 为华泰公 司实现 采场从老区到新区的转换打下了坚实的基础， 提供了先决条件。 7 0