绕射波在坑道中超前探测小构造的应用.pdf

弟 1 8卷第 3 期 地 球科 学 中国地 质大 学 学报 V o [ 1 8 N o - 3 1 9 9 3年 5月 Ea r t h S c g e n c e --] o u r n a ]0 fCb i n a Un i v e r s i t yo tGe o s c i e - n c e s Ma y 1 9 9 3 g ≥ l 绕射波在坑道 中超前探测小构造 的应用 杨 德山 赤峰市 平庄矿 务局 中6 弓 | 8 t 抽耍本文 阐述 了应 用绕射 波操 测坑 道掌 子面 前方 小构造 的技 术．在速度 低于 上下 围岩 的 中 等速度的特定层位中， 地震波将在前方的小断层或小构遣处反射 ， 以绕射波形式返 回到检波器， 一面． ’ ’ 美■调 ￡ 波t l 赫坐擅选t掌子面． 步 ， ‘ 【‘ L ．， _一 中田法分类号P 6 3 1 ． 4 2 5 0 引言 矿井和隧道工程常常是沿某一特定层位工作，这一特定层有时正是岩层速度分层中， 高、低 或高 、中的低速 层．应 用声 波超前探测小构造 时 ，声波将 以它特 定的形 式使波 阵面 的垂 直方 向不再扩 展 ；而前方遇到的岩层 的不整合体将 以绕射渡形式返 回．接 收到 的绕射 波是从发射 到反射体 ，再从反射体到接收 的最大双波程．利用绕射波超前探测 小构造是近 3年在东北煤 炭总公司所属 1 5个矿务局坑道中掌子面上测试的一种较成功的技术 ， 最远超 前探测达 1 8 4 m． 要求所测岩层的波速必须是介于上、 下两个高速岩层之间； 层位基本稳定 ； 所测岩层基本上是均质的 ； 断层落差 h大于所测岩层厚度的 1 ／ 2 ． 检波器和击发杆件均要平 行地 与所测岩层实体耦合． 1 波的传播特 征 声渡在均匀介质中的传播是以球面波形式传播的， 能量呈球面发散效应① 、 当在矿井和 隧道工程中 ，所测岩层波速 符合 上述 条件 ，平行岩层击发 ，且击 发点位于所测岩层垂直厚 度 中部时 ，渡的最初传播形态为锥体波 ，而后 由于波入射 到上 、下两个高速 岩层的入 射角 随着渡的传播逐渐大于岩层的临界角，因此波的传播形式可有下面几种 图 1 1 沿高 速 层精 行 } 2 高速层 的反 射波 ； 3 ， ，很少部分透射 i 4 一部分沿所测岩层的介质传播 ， 坦这部分波的波阵面的垂直方向爱高速层的限制不再扩展，球面发散效应在波阵面的垂直 方 向不再起作 用 ，只影 响波 在水平方 向的能量 传播 、因此波沿 岩层的传播 ，波 阵面 的方 向 基本是不变 的、 1 9 Q P 年 1 2月 3 0日收稿 ． 固陈钟 候 r博 唯一． 浅层 地震勘 探． 成都地 质学 院 ，1 9 8 6 维普资讯 第 3期 枥德 山 绕射 坡在 坑道 中超前 探测 小构 造 的应用 3 5 9 图 1 披的 传播 示意 图． Fi g 1 A s k e t c h m a p s h o wi n g t h e wa v e p r o p a g a tio n i n a l o we r v e l o c i t y l a y e r H ． 巷遭l ．震源 }B ． 直达减 i 精行波}d ． 反射被i ． 波阵面 2 超前 探测原理 在大量的超前探测小构造实际资料 中．发现所测岩层的前方倾角 小于 4 、甚至 3 2 。 的 构造 面也 能接收到 ， 这用 压缩 渡和 横渡 的射线理论 很难 说明， 但用绕射渡却很好解释． 当传播的地震波遇到岩层 的不整合体的突变点、 地层尖灭点、 断层的棱角、 侵入体 边缘等岩石物性显著变化的地方时， 将以这些“ 棱” 、 “ 角 点作 为一个 新震 源产 生振 动 ， 并 向周 围传播 ， 见图 2 ． 超前探测小构造 时 ，前方 的断层正是岩层 的不整 合 体 ， 同理也应产生绕射波 ． 绕射波仍遵循 波阵面在垂直方 向不再扩 展的理论 ，回到接 收点 ， 如 图 3 ．断层倾角大小 直接影响接收绕射波 的能量 ， 断层倾 角越 小 ， 接 收绕射渡 的能量越低． 这 样 ， 可在掌子 面上 向岩壁击发 ， 以极小甚 至回点炮检距接收 ，就可利用回传的绕射波探测前方的 构造面 圈 2 绕射波及时距曲线 Fi g ． 2 Th e di f f r a c do n v ／ a v e a n d i t s time - d i s t a n c e C ur v e 图 3屠 内回波 示意 图 Fi g ． 3 Th e r e t u r wa v e i n t h e e x c i t e d l a y e r 2 。 Fi g． 4 A s ke t c h m a p o f t h e d e t e c t i o n p r o f i l e i n t u n n e a ．纵 剖面 |b ． 。剖视 面 图 5 3 7 6运 输巷 5 - 1煤层 中的 实测 记录 Fi g ． 5 An e x a m p l e i n c o a l s e a m No． 5 1 o f t r a n s p o r t a t i o n t u n n e l No ． 3 7 6 探测 的距 离时 ，巷道周 围的转换 波及 反射 渡将 仅次于直达波而到达接收点 ，然后则是岩层 顶部 和底 部界 面的反射 波到达接 收点 ，这 些波并不是要 接收 的有效波．这部分波一般在震 相 图的最前面 ， 约 2 8 3 8 ms内．而前方界面 的绕射波要迟 后到达．同时它的前面有很清楚 的复合波位． 下面是从绕射波 的时距 曲线导 出的公式 见图 2 入射波射线 OA 所需 的时间 t L OA／ v 1 ／ v 以 1 绕射波射线 AD 的传播 时间 维普资讯 第 3期 杨蔼山绕射渡在坑道 中超前挥测小构造的应用 3 6 1 f 2 AD／ v一 1 一 L h 2 渡的总旅行时 间 f t f 2 一 1 ／L h 。 ／ z一 工 3 式 中 h为绕射点的深度 ， 其中 L为 A点在地面的投影点与爆炸点之间的距离 。 为炮检 点． 上述公式是在地面测试时的计算．在地下的巷遭 中 ，其巷道宽度有 一 定的限度 ，下允 许布点太多．为了找其相关性． 一般需多测几个点． 于是采用小极距或 自激 自收的方法． 这 样 ．在巷道 中超前探测小构造时 ，可认为 z、L均为零值 ．于是有 f一 2 h ／ v 4 图 5是 内蒙赤峰平庄矿务局红庙煤矿二井二区 9南 4 0 6回风石 门 3 7 6运输巷 5 - 1煤层 中的记录 ．煤层厚 6 m， 顶 、 底板 为粗砂岩．1 断层倾角为 4 2 。 ，落差为 4 m， 距接收点 3 8 m； 2 断层倾 角为 6 ， 落差 为 8 m， 距 接收 点 1 7 8 m．由记录可知 ， 1 断层 h 一 8 0 ms 0 ． 9 5 m／ ms ／ 2 3 8 ． 2 m；2 断层 h 3 5 8 ms 0 ． 9 5 m／ ms 一1 7 3 ． 0 5 m 煤层 波速以 9 5 0 m／ s 计 ． 4 结语 用小型增强性地震仪超前探测小构造．在目 前应属一种新的技术．在理论J 三 和实际测 试中都有待进一步改进．实际工作中，速度取值的精度至关重要． 目前采用的测试速度的 方 法是 透视 法 ， 现场 实际取值极方便 ，精度也高．只是距 离较 小的探测 ， 其 难度 相当大 ， 尤 其是 2 8 3 8 ms以内， 有用信号和无用信号 巷遭波混在一起，波形的识别难度较大．但 可 以预 料 ， 随着技术的不 断进 步 ， 超前探测小构 造技术将 会在实际应用中发 挥更大的作用． APPLI CATI O N OF DI FFRACTI ON W A VE TO PROBI NG S M ALL S TRUCTURES AHEAD S TOPE FACE I N TUNNEL Ya ng De s ha n Pi n g z h u a n g C o a l M i n e Bu r e a u，C h i f e n g 0 2 4 0 7 6 Abs t r ac t I n t h i s p a p e r ，a n a p p l i c a t i o n o f t h e d i f f r a c t i o n wa v e t o t h e s ma l l s t r u c t ur e p r o b i n g i s d i s c u s s e d ． I n t he l a y e r o f t he me di a l o r l o we r v e l o c i t y a l o n g t h e t u n n e l ，t h e s e i s mi c wa v e r e f l e c t s a t t h e s ma l l f a u l t s u r f a c e o r s t r u c t u r e i n t h e f r o n t o f t h e s t o p e f a c e a n d ， as a d i f f r a c t i o n wa v e f o r m ， r e t ur n s t o t h e r e c e i v e r ． t h e f o r t h e s t d i s t a n c e o b t a i I 1 e d i n s u c h D r o b ． i n g i s ab out 1 84 m ． k e y w or d s d i f f r a c t i o n wa v e ， a c o u s t i c wa v e ，s ma l l s t r u c t u r e，s t o p e f a c e ． 维普资讯