瑞利波物探仪在煤矿防治水中的应用.doc

瑞利波物探仪在煤矿防治水中的应用 龙山煤矿 二〇一〇年十月二十四日 前言 当前,煤矿防治水工作已成为影响煤矿安全生产的重要工作,作为一种新地球物理探测方法之一的瑞利波探测仪,在矿井建设、生产中扮演着越来越重要的作用。瑞利波探测仪在探测老空、老窑、含隔水层及层的厚度和掘进巷道前方地质构造、断层防水煤柱宽度、断层落差及延伸方向、陷落柱等方面良好的效果,使地质预测预报工作由定性上升到定量,资料更加准确及时,能更好地为煤矿安全生产服务。 瑞利波物探仪在煤矿防治水中的应用 韩增辉杨小永代琦周全涛 一、瑞利波探测概括 瑞利波探测法是近年来地球物理勘探的新技术,新工艺,它是通过采集人工地震波所携带的地下信息来分析地层结构,目前有两种方法,一种是面波变频探测法,亦称稳态法,这种方法由于激振器较笨重,在某些工程场地使用困难,特别是煤矿井下无法采用。另一种方法是面波频谱分析法,也叫做瞬态法,它是有震源产生一定带宽的脉冲,通过测线上相距震源不同距离的多个接受传感器,把信号采集到瑞利波仪的记录中,利用FFT和频谱分析技术,通过相干函数的互动率谱相位展开谱,从而得到两个纪录信号在不同频率下瑞利波在传播过程中由于时滞而产生的相位差,根据多路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。由已知多个接受传感器的安装距离,便可求的不同频率瑞利波的相速度,同时得到该测点的频散曲线。由于瞬态法在理论上考虑了层状介质中瑞利波的转播理论,其探测精度高于稳态法。 二、瑞利波探测技术 瑞利波探测技术是利用弹性波中的面波在介质中传播特征来探测前方地质构造的物探手段。仪器体积小,操作简单,探测速度快,效率高,有配套解释软件,探测效果好。但该仪器在软层中的探测距离较短。在不同介质中,瑞利波按不同的速度传播,这是瑞利波所具有的频散特征。瑞利波传播速度VR △X/△T。式中△X 为两检波器之间的距离; △T 为两检波器的时差。波速与波长的关系为λR VR/ f通过计算机处理,求得不同频率的波长和波速。频率、速度和深度之间的关系曲线称之为分散曲线。实践证明瑞利波在传播过程中遇到断层破碎带,裂隙带或老塘等地质体时就会出现频散现象,速度突然变小,在分散曲线上出现突变。用这些突变点绘出分层曲线,再结合现场地质情况,就可作出符合客观实际的地质解释。 该仪器可探测煤矿井下前方、巷道两帮和顶底板30m 内的断层、陷落柱、溶洞、老窑等含、导水构造以及隔水层厚度。 三、瑞利波探测技术特点 1.分辨率高。瑞利波勘探中,通过控制和改变振动的频率,可以到很高的勘探分辨率。 2.不受各层介质速度关系的影响。在瑞利波勘探中,被勘探的地层中,可以有速度倒转的现象,即在高速层中可以夹低速层,在折射法中可能由于屏蔽效应观测不到厚层高速层下许多速度较低的层。而反射法则要求各层具有较大的波阻抗差异,而瑞利波法层与层之间只要具有较小的波速差异,即可进行勘探。基本不受测量场地周围金属物体以及电磁干扰的影响。这在煤矿井下勘探中是十分有利的。 3.效率高。特别是瞬态法测量一点只需10min左右,现场就可以得到勘探结果。 四、瑞利波探测施工方法 瑞利波探测现场观测系统布置,根据探测地点条件的不同提供三种施工方式,标准瑞利波观测系统主要是应用于煤矿进行巷道顶底板、 侧帮探测,一次探测的观测系统需要有大于6米的距离。观测系统中7个点震源点以及6个接收点其间距均为100cm。 相比起来,在掘进巷道迎头进行瑞利波探测更加困难,其主要原因在于迎头的截面直径往往在3米左右,而常规的六道探测一个观测系统需要6米的宽度,因此,在迎头进行瑞利波超前探测有着自身的特殊性。经过大量的试验、对比,设计了适于迎头瞬态瑞利波探测的两种观测系统称作“超前观测系统”。 第一种超前观测系统适用于截面直径大于3米工作。一个观测系统的长度需要3.5米左右。 它是6个检波器均匀排列,根据工作面的情况,一般说来,道间距不小于50cm。道间距过小,道间距就没有了相位差。震源与第一道检波器之间的距离应保持在1米左右,以确保能接收到做够的低频成分。 第二种超前观测系统适用于截面直径小于3米的工作面。一个观测系统的长度需要2.8米。 它的6个检波器呈不均匀排列。震源和第1个接收点之间的间距还是1米,第3和第4个接收点之间的间距也是1米,而第1道和第2道、第2道和第3道之间的距离为20cm。第4道和第5道、第5道和第6道之间的距离为20cm。 经过多次井下试验,证明这两种超前观测系统式非常实用和有效。 五、瑞利波探测仪在煤矿防治水应用 多年煤矿防治水工作的实践表明,地下水补给源、导水通道和隔 水层稳定性及其厚度大小是制约矿井突水的主要因素。因此，调查底 板岩溶发育情况、含、隔水层划分、探测断层及裂隙发育带等垂直导 水通道成为矿井物理勘探的主要地质任务，而瑞利波最为新地球物探 勘探方法的成熟应用解决了这一难题，瑞利波探测仪能准确的探测矿 井采掘工作面断层、裂隙发育带等垂直导水通道，确定底板含、隔水 层厚度，探查灰岩岩溶发育程度和连通情况等复杂地质情况，提高了 煤矿防治水预测预报的及时性，准确性，为煤矿的快速，安全生产创 造了条件。 1.突水通道探测 可以准确探测突水通道主要有地下暗河，断层导水带，老窑、岩 溶、陷落柱，老井等地质异常区的水文地质情况，为快速采掘创造条 件。 2.采空区探测 老空是矿井透水事故主要威胁，瑞利波探测仪能够较好的探测老 空区的地质，水文地质情况，为地测防治水技术人员提供地质，水文 地质数据，帮助技术人员解决老空水威胁。 3.顶底板探测 巷道开拓时，瑞利波探测仪可以探测巷顶底板的含水层隔水层的 层位厚度以及距离巷道的距离等信息， 这样 可以避免误穿含水层， 保 证巷道的快速，安全掘进。 瑞利波探测仪还可以广泛应用于井下超前探测，突水危险地段预 测等探测和预测，如果想要得到更加科学的地质，水文地质数据，还 要辅助钻探，以物探为主，钻探为辅，物探和钻探相结合,提高地质， 水文地质预报科学性、准确性和及时性。 六、应用实例 实例一 探测地点安阳鑫龙煤业龙山煤矿 11101 下顺槽 93m 处 探测目的探测 11101 下顺槽 93 米处前方的地质构造 探测模式超前探测 探测频率4000HZ 记录长度2048 各样点 叠加次数5 炮 参加实验人员 韩增辉 杨小永 代琦 周全涛 探测结果探测点前方 10m、23m 处有地质异常，可能 是断层或 煤层与岩石的分界线。经实际掘进揭露和分析，在 9.5m、22m 有两个 断层揭露。探测结果两处异常与实际掌握的情况基本吻合，其中的一 个断层位置误差为 0.5m，第二个断层位置误差为 1m。 实例二 探测地点安阳鑫龙煤业龙山煤矿 15083 下顺槽距切眼 8m 处 探测目的探测 15083 下顺槽测线 12m 范围内的工作面内部地质 构造 探测模式测邦模式 采样频率2045 个样点 叠加次数5 炮 参加试验人员 韩增辉 杨小永 代琦 周全涛 探测结果在 15083 下顺槽 12m 范围内布置 2 组物理测点。井下 采集存储数据，在地面计算机处理后，得到探测结果在 15m、19m、 28m 三个地点有异常，可能是断层或煤层与岩石的分界面。根据 15083 工作面实际揭露和分析，在 14.5m、21m 有两个断层已揭露。探测结果 有两处异常与实际掌握的情况基本吻合，另一处异常点因工作面未采 到位置，暂时还不能证实探测的准确性。其中第一个断层位置误差为 0.5m 第二个断层位置误差为 2m。 七、结束语 瑞利波探测仪在煤矿防治水中的应用是一种新的方法， 具有性能稳 定、体积小、重量轻、携带方便和探测精度高等优点，能准确探测查清地 质小构造，特别是断层、老窑、岩溶、陷落柱等灾害性构造情况，同时也 提高了地质、 水文地质的预测预报的准确性和及时性， 具有很强的实用性。 煤矿防治水工作是煤矿安全生产工作中的重要一环， 望有更多， 更新的方 法和工艺在煤矿防治水中推广和应用， 使煤矿防治水工作上升为一个新的 高度。 生产技术部 二〇一〇年十月