瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常

瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常
李胜;祁晓鑫;李军文
【摘要】In the front of excavation face, there exist abnormal geological structures such as fault, karst cave, col-lapsed pillars and aquifer, which usually bring about hazards like “pervious to water” and “roof fall” etc. How to accurately and effectively detect the geological structure in the front of excavation face has became a problem ur-gently needed to solve during production in coal mine. TYR (D) Rayleigh wave detector was adopted in advanced detection in driving face 7603 of Wuyang mine. The collected data were processed and analyzed, the conclusion is basically consistent with the engineering verification, thus obtaining good application effect.%掘进工作面前方存在断层、溶洞、陷落柱、含水层等地质构造，常常导致透水、冒顶等灾害性事故。

采用YTR(D)瑞利波探测仪对山西潞安集
团五阳煤矿7603掘进工作面进行超前探测，并对现场采集的数据进行处理和分析。

结果显示，2个测点共发现9处异常区，通过后期工程验证，有7处探测异常区
与实际揭露的结果基本一致，探测与实际揭露异常区域位置误差均在4m以内。

【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】4页(P96-99)
【关键词】瑞利波;地质异常;超前探测
【作者】李胜;祁晓鑫;李军文
【作者单位】辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000;辽宁工程技术大学
矿业学院，辽宁阜新 123000;辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000【正文语种】中文
【中图分类】TD15;TD166
有效探测煤矿掘进工作面前方的未知地质构造，及时准确地做出地质灾害预测及预防，对煤矿安全生产意义重大。

近些年，国内外技术人员将物探方法用于煤矿井下超前探测，地震勘探、地质雷达、钻孔透视等技术均取得了一定的成效，其中一些方法探测距离可达几百米，并且探测精度很高，但是这些方法对地质条件的要求比较苛刻，投入成本较高。

瑞利波勘探技术具有探测距离远、探测可靠性高、携带方便、操作简单以及探测结果实时显示等优点，有利于掘进工作面前方地质异常情况的超前探测［1-2］。

本文采用YTR（D）瑞利波探测仪，对山西潞安集团五阳煤矿7603掘进工作面进行超前探
测研究，以期对煤矿掘进工作面安全施工有指导意义。

瑞利波探测原理利用了瑞利波的两个特性：一是波在分层介质中传播时的频散特性；二是波的传播速度与介质的物理力学特性密切相关。

当波在分层介质中传播时，瑞利波信号在不同频率f的平均速度VR与介质特性密切相关，在岩层发生变化的界面就会出现波阻现象，即产生瑞利波频散特性。

由此得到该测点 r-rVλ频散曲线，通过利用小波分析法对瑞利波做出奇异性显示方式，使岩性介面分层频散突点在探测深度曲线上直观显示出来，便于做出物探异常推断解释（图1）。

当在地面或者掌子面上，施加一个瞬间激振力后，在地面表层就有瑞利波的传播。

这种方式产生的瑞利波是一个宽频带的脉冲，由许多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，Vr是频率f的函数。

那么，设离震源一定
距离处有两个测点 A、B，两点之间的距离为（X2-X1）=Δx，可以计算出A、B
两点之间相位差为：
A、B两测点间的距离Δx是已知的，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Δφ。

根据式（1）求出相速度Vr：
相速度是瑞利波确定地层构造的关键参数。

因此，有了相速度和频率的关系，在知道波长与频率的关系，就可以求出相应的波长为：
目前确定瑞利波探测深度一般都采用半波长解释法，也就是说探测深度H为：
这样，做出以横坐标为 rV，纵坐标为深度，能更清楚的描述出速度与深度的关系
及变化规律的频散曲线，可以更直观地对频散曲线做出解释［3-5］。

2.1 地质概况
潞安集团五阳煤矿核定生产能力300×104 t/a，7603运输巷掘进工作面位于76
南部放水巷和76皮带巷之间，7605采空区以南，与7605回风巷平行，相距30 m，供7603综放工作面回采。

7603运输巷掘进工作面沿煤层伪倾向布置，沿巷
方向自然坡度为-5°～6°，底板主要为泥岩，局部为细粒砂岩或粉砂岩。

工作面开
采对象为山西组中下部3号煤层，赋存稳定，平均厚6.16 m，含两层夹矸，分3
个自然分层。

根据三维地质勘探资料及附近巷道掘进资料分析，在掘进过程中会有地质构造异常情况，对煤矿安全生产造成了威胁。

2.2 测点布置与数据处理
在五阳煤矿76采区7603综采工作面运输顺槽掘进工作面分别对掘进头和底板进行井下瑞利波超前探测和深层探测，获得其地质变化带的分布情况。

根据YTR（D）瑞利波探测范围（0～200 m）及7603工作面巷道布置和实际生产情况，瑞利波
探测位置布置图如图2所示，图2中1点为掘进头超前探测点位置，2点为掘进
头底板深层探测点位置。

1号测点超前探测选择在 7603工作面运输巷350 m处的掘进头。

已知7603工
作面掌子面宽度为5.5 m，因此采用短观察系统，即两道检波器之间距离50 cm，震源距离第一道检波器距离也为50 cm的布置方式。

布设时，应确保掌子面上的
岩石完整、无松动脱落，并且测点布置位置尽量选择宽度最大的地方布设（图3）。

2号测点底板深层探测选择距掘进头15 m处的底板。

检测采用6道观察系统，道间间隔1 m，震源距第一道间距1 m，观测系统共计6 m。

布设时，钢钎尽量避
开巷道内的钢轨，保证工作地点附近没有打钻或矿车经过等干扰影响［3］（图4）。

3.1 探测结果分析
采用锤击的方式，对1号测点和2号测点分别进行5次测试，把测试生成的文件
导入计算机生成探测的原始数据。

将测量所获得的数据经过瑞利波专用处理软件分析，形成的结果曲线如图5和图6所示。

其中，半自动图为单个测点生成的曲线图，全自动图为经屏幕处理过的几个有关联点的曲线图。

在“频深转换”处理中通过建立速度来矫正探测深度，并形成深度曲线。

建立速度用“全自动”方式。

“全自动”是指计算机根据屏幕上所有的频散曲线的特征来自动求取平均速度值，并用该平均速度对各频散曲线分别做频深转换［5］。

由计算机处理后生成的结果可知，1号探测器即7603综采工作面运输顺槽350 m 处掘进头向前探测区域200 m范围内存在4处瑞利波异常，分别出现在前方：17～19 m、30～40 m、80～100 m、140～160 m，波峰位于17.5 m、34 m、85 m、150m处。

2号探测器即7603综采工作面距掘进头15 m处的底板向深层探测区域200 m范围内存在5处瑞利波异常，分别位于前方：1.2～2 m、4～5 m、7～8 m、12～13 m、20～30 m，波峰位于1.5 m、4.4 m、7.6 m、12.5 m、27 m处。

3.2 探测结果验证
后期在巷道掘进及工作面回采过程中，对超前探测区域进行了逐步揭露，与瑞利波
探测结果具有很好的一致性［6-7］（表1）。

对五阳煤矿7603工作面200 m范围内2个测点进行了多组探测，共测出 9个异常区域，经工程验证有 7处与地质异常相符。

另外两处其中有一处为未发现异常已经排除，可能由其他未知因素引起，另一处由于掘进工作并未到达该位置因此并未揭露。

经工程验证所知的实际存在的地质异常区域与探测结果基本相符，即存在地质异常的区域通过探测均已测出。

由表 1可知，探测异常区域经实际揭露，其位置误差较小，均控制在4 m以内。

a.利用 YTR（D）型瑞利波探测仪，对五阳煤矿7603掘进工作面进行多组探测，每组数据均有异常区显示。

探测出的断层、含水层等地质异常区域均与现场揭露基本一致。

b.根据瑞利波在分层介质中传播时的频散特性，以及瑞利波的传播速度与介质的物理力学特性的相关性，将多道瑞利波法用于井田地质构造勘探是可行的。

【相关文献】
［1］李智毅，王智济，杨欲云.工程地质学基础［M］，武汉：中国地质大学出版社，1990. ［2］杨成林.瑞利波勘探［M］.北京：地质出版社，1993.
［3］丛皖平，张鹏，王继矿.多道瑞利波在矿井独头巷道超前探中的应用［J］.煤田地质与勘探，2008，36（4）：67-69.
［4］马飞，闫建浩.瑞利波探测技术在塔山矿的应用［J］.中州煤炭，2011（11）：34-36. ［5］焦晓飞.瑞利波探测技术在王庄矿的应用［J］.煤炭技术，2008，27（12）：118-120. ［6］王小波，王勇.瑞利波探测仪在矿井探测中影响精度的因素［J］.地质装备，2008，9（6）：16-18.
［7］王维维，陈维新，康宇.大安山煤矿井下瑞利波超前探测技术［J］.煤田地质与勘探，2011，39（1）：68-70.。