瑞利波培训

首先，再次欢迎在座的各位能来参加此次研讨培训班，我叫张鹏，是煤炭科学研究总院西安研究院物探仪器研究所的技术人员，此次负责给各位讲解瑞利波探测仪的探测原理，操作使用、施工方法及应用实例。希望我的讲解能给个为今后的工作提供帮助，也欢迎各位嘉宾能提出宝贵意见，让我们能更好的为用户服务，下面我们来看今天我要讲的第一个问题

一瑞利波简介

1-1 什么是瑞利波?

瑞利波的存在是1887年由英国学者Rayleigh(R.瑞利)在理论上确定的，由此命名为瑞利波。瑞利波是偏振波，是面波的一种，其波的运动方向沿物体表面，质点在垂直于传播方向的平面内运动。瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0.862～0.955倍。因当时技术条件所限，直到本世纪六十年代后期，随着数字计算机在地球物理勘探领域中的应用，对瑞利波频散特性的研究有了较大发展。

1-2 瑞利波技术发展概况

瑞利波探测技术是我们物探所根据国家“七·五”科技攻关项目，于1991年研制成功并首次用于煤矿井下的。根据煤矿井下实际工作特点，在广泛听取了煤矿生产现场技术人员的意见的基础上，我们进行了大量的工业性试验，于上个世纪九十年代又相继研制成功了“MRD-II型瑞利波探测仪”、“MRD-Ⅲ型瑞利波探测仪”以及相应的计算机数据处理软件。比较满意地解决了煤矿井下长期未能解决的巷道四周构造探测，特别是掘进工作面超前探测的问题，为矿山生产的部署，瓦斯、水患等灾情预报和治理提供了一种高效、适用的手段。该项技术在煤矿井下地质构造探测方面发挥了重要作用，解决了不少地质上的难题，对矿山安全生产及高产、高效做出了很大的贡献。

随着煤炭开采技术的发展和对安全生产更高的要求，如何更有效地探测掘进工作面前方隐伏的地质构造成为煤炭生产中急需解决的问题。因此，进一步研究超前探测的技术和方法，成为人们关注的课题和研究方向。MRD-Ⅱ型、MRD-Ⅲ型瑞利波探测仪可以用于工作面的超前探测，但是由于探测距离和稳定性方面的问题，无法满足煤矿生产发展的需求，我们经过了多次的试验，投入了大量技术力

量，研制了（我们现在推出的）YTR(D)瑞利波探测仪和相配套的数据处理程序。它主要是在探测深度和探测可靠性上有了较大的突破。可以探测到地表以下或水平前方3～80m地质构造的岩性介面。它具有探测距离远、携带方便和操作简单的特点，并增加了现场处理功能。可在现场实时显示探测处理结果，对现场施工有着重大的意义。该项技术完全适应煤矿井下巷道狭窄的条件，是解决煤矿井下地质构造探测问题的有效方法之一、特别是在独头巷道和隧道掘进超前探测方面更是良好的应用效果和发展前景。

二为什么用瑞利波进行勘探

2-1 锐利波勘探方法介绍

瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为二大类：

一种是面波变频探测法，亦称稳态法，在上个世纪八十年代，主要以稳态法为主，其代表产品是日本研制的GR-810、GR-830佐藤式全自动地下勘探机。国内也有一些类似的仪器设备，它们的勘探原理都相同，都是利用信号源和功率放大器产生的一个电信号，推动电磁激振器对地面产生一个单一频率的稳态瑞利波，由相隔一定距离的检波器将接收到的面波振动转换为电压量送入计算机进行相关计算，得出该频率点相速度；改变信号源的频率，电磁激振器的频率也随之改变，这样就可以得到一组频率和相速度的关系，从而得出一条的频散曲线。我们从瑞利波的特性知道频散曲线与地质特征密切相关。所以通过频散曲线就可以得到地下某以深度范围内的地质构造。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，也叫瞬态法，它是由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接收传感器，进行信号数据采集，利用FFT（快速付里叶变换）和频谱分析技术，通过相干函数的互功率谱相位展开谱，从而得到两个记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，根据两路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。由传感器各点布置的已知距离，可求得不同频率瑞利波的相速度，同时由此得到测点的瑞利波频散曲线。

在地面上放置一个园形基座垫，并施加一个垂直的冲击，由于惯性力和弹力相互作用，震动将会产生体波和面波，体波包括纵波（P波）、横波（S波）等，它们以半球面方式向地层传播，能量以1/r2的比例衰减（r为波的传播距离）。而面波，我们这里主要指瑞利波（R波），是在介质自由表面附近按园柱形波前方式传播，能量以1/r的比例衰减，在三种波中衰减最慢。R波的能量占67％，S波的能量占26％，P波的能量占7％，即瑞利波占总能量的2/3而且衰减最慢。因此，在震源附近观测，所接收到的R波比体波强的多。

2-2 瞬态瑞利波的特性

采用瞬态瑞利波进行地质勘探是基于瑞利波具有如下特性：

在分层介质中，瑞利波具有频散特性；――瑞利波在多层介质中传播时，传播速度随频率的变化而变化，这种现象被称为瑞利波的频散现象。

瑞利波的波长不同，穿透深度也不同；――瑞利波沿地面表层传播，其穿透能力约为一个波长。同一波长的瑞利波传播特性反映了地质条件在同一水平方向的变化情况，不同波长的瑞利波的传播特性反映着不同深度的地质情况。

瑞利波在不同岩性的介质中，传播速度存在较大的差异。――正是由于瑞利波在不同岩性的岩石中传播速度的不同，为我们今后进一步研究岩石的物理性质提供了依据。目前在解解释岩性的问题上还存在着一定的技术难度。这也是我们今后的一个研究方向。（它的技术难度主要在于提取瑞利波传播的真速度）前两种特性为瑞利波勘探提供了充分的理论依据，我们现在所做的工作，都是基于这两个特性的基础上。后一种特性为瑞利波方法的应用开拓了广阔的前景。如果能在岩性解释的方面有所突破，那么瑞利波的应用将会有一个大的飞跃。

并且，瑞利波的能量最强，频率最低，传播速度也低，容易分辨，这些特点就为利用瑞利波作为勘探方法提供了很好的条件。

现在我们正致力于用瑞利波探测由于瓦斯聚集而引起的地应力集中区域与一般地质构造的区别上，例如在平煤十矿，瑞利波对于瓦斯聚集区域的地应力变化探测就有不少成功经验，（此处可以举例）这对于我们进一步发掘方法及仪器潜能提供了有利支持，相信在不久的将来瑞利波将成为解决此类问题的利器。

三、如何用瑞利波进行勘探

3-1多道瑞利波探测原理及技术

要采用瑞利波方法进行勘探，除了上面讲到的瑞利波本身的优势外，我们还对其探测技术进行了改进，其中最具代表性的就是为了提高仪器探测精度以及深度，所引入的地面地震勘探中多次覆盖的理论，将传统的两通道接收仪器改进成了六通道接收仪器，通过多次迭加多道迭加和相关迭加，使得频谱能量加大，干扰减小。由于观测系统的改变也增加了探测深度。并在此基础上形成了全新的瞬态瑞利波勘探理念，发展了一种新的瑞利波勘探技术——瞬态多道瑞利波勘探技术。

瑞利波探测要求采用纵向观测系统（震源和各接收点排列在一条直线上），通常认为，纵向排列的两个接收点之间的中心位置就是瑞利波勘探的地表以下的位置，相应的频散曲线就是反映该处地表以下的地质结构构造。

在瞬态瑞利波探测中，一般来说。当探测较浅部的地层特性时，采用较小

的△x值，可获得较好的结果；当探测较深部的地层特性时，宜采用较大的△x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的