瑞利波探測技術(shù)在金龍煤礦中的應(yīng)用

位新建

（鄭州煤炭工業(yè)（集團）磴槽礦業(yè)有限責任公司，河南 登封452470）

鄭煤集團金龍煤礦井田位于滎鞏煤田西部大峪溝井田深部，地層屬華北地層區(qū)豫西地層分區(qū)嵩箕地層小區(qū)，目前主要開采二疊系山西組二1 煤層和石炭系太原組一1 煤層，二1 煤層屬典型的豫西三軟不穩(wěn)定煤層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造受嵩箕區(qū)構(gòu)造型式的制約，發(fā)育有多條斷裂構(gòu)造及滑動構(gòu)造，地質(zhì)條件復雜。因受斷層和滑動構(gòu)造發(fā)育的影響給開采帶來了很大難度，隨著礦井開采機械化、自動化、信息化、自能化的程度越來越高，對井下地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)測，提出了越來越高的要求。僅靠傳統(tǒng)的地面勘探和井下鉆探技術(shù)，難以滿足當前安全生產(chǎn)需要，為推廣新型物探手段的應(yīng)用。為此，集團公司特邀請中煤科工集團西安研究院來我礦做瑞利波探測技術(shù)試驗。

1 瑞利波探測原理

瑞利波探測技術(shù)是通過采集人工地震波所攜帶的地下信息來分析地層結(jié)構(gòu)，其采用的方法是面波頻譜分析法，也叫瞬態(tài)法，它是由震源產(chǎn)生一定帶寬的脈沖，通過測線上相距震源不同距離的兩個接收傳感器，把信號采集到瑞利波儀的記錄中，利用FFT（快速付里葉變換）和頻譜分析技術(shù)，通過相干函數(shù)的互功率譜相位展開譜，從而得到某兩個記錄信號在不同頻率下瑞利波在傳播過程中由于時滯而產(chǎn)生的相位差，根據(jù)兩路不同頻率信號的相位差就可計算出傳播時間和速度。由A，B 兩點的已知距離，便可求得不同頻率瑞利波的相速度，同時由此得到該點的頻散曲線。

2 瑞利波探測施工方法及特性

2.1 瑞利波探測施工方法

YTR（D）瑞利波探測儀采用了瞬態(tài)法瑞利波勘探方法，儀器具有防爆性能，既可以應(yīng)用于礦井地質(zhì)構(gòu)造勘探，又可以應(yīng)用于地面工程勘探。瞬態(tài)法瑞利波勘探的工作過程是在放炮點上產(chǎn)生一個瞬態(tài)沖擊振動作為震源，該震源產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利波，不同頻率和振幅的瑞利波疊加在一起向前傳播，在距震源Δx 處的測線上，采用縱觀測系統(tǒng)，即震源和傳感器排列在一條直線上，以道間距為Δx安置有兩個或兩個以上單分量加速度傳感器，對于布置傳感器的道間距Δx，理論上講Δx越大，所接收瑞利波頻譜的低頻成分越豐富，對加大勘探深度非常有利。如果Δx太小，所接收的各道信號就沒有足夠的相位差，從而無法保證資料處理。由于施工現(xiàn)場條件限制，應(yīng)視施工現(xiàn)場場地大小來決定Δx，在通常情況下，道間距Δx布置約為100cm 左右。震源激發(fā)點距第一個傳感器Δx也布置約100cm左右，如圖1 所示。

圖1 施工布置示意圖

2.2 瑞利波的特性

（1）在分層介質(zhì)中，瑞利波具有頻散特性；（2）瑞利波的波長不同，穿透深度也不同；（3）瑞利波在不同介質(zhì)的巖層中，傳播速速存在較大差異；（4）瑞利波具有能量強，頻率低，傳播速度低，容易分辨等特點。

3 井下試驗

本次中煤科工集團西安研究院采用YTR（D）瑞利波，對我礦二1 煤層預(yù)揭煤巷道22071 下付巷外段及一1 煤層12141 下付巷（半煤巖巷道）迎頭超前探測兩次。

3.1 試驗

（1）探測地點。一1 煤層12 采區(qū)12141 下付巷迎頭（下11 測點西34.6m 處）。

（2）地質(zhì)情況。12141 工作面為12 采區(qū)首采面，工作面上、下付巷掘進期間采用3m×2m 矩形支護，凈斷面6m2，一次成巷，裸巷支護。工作面一1 煤層裂隙發(fā)育，富含黃鐵礦結(jié)核，煤厚0.35～1.8m，平均0.85m，煤層存有1～2 層夾矸，矸厚0.1～0.2m。煤層頂板L1-3灰?guī)r層面含炭質(zhì)，裂隙發(fā)育被方解石脈充填；底板鋁質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育，含黃鐵礦結(jié)核。

工作面北部發(fā)育有F32正斷層（傾向近西南，落差0～30米）,西北部發(fā)育有F1202斷層（傾向近東北，落差9 米）。受F32正斷層發(fā)育影響，工作面掘進、回采期間共計揭露小斷層20 多條、小型向斜2 個，斷層均為高角度正斷層，落差在0.2～1.8m 范圍內(nèi)，傾向大多為近西南、西北向，部分地段斷層呈組合斷層形式發(fā)育（地壘構(gòu)造）；在斷層密集帶發(fā)育有小型向斜及復式向斜構(gòu)造，向斜的發(fā)育造成兩翼煤層傾角達±29°，兩翼跨展約32～50m。以上構(gòu)造的發(fā)育給工作面的回采、頂板的管理、水害的防治、資源的回收均有一定影響。

（3）探測目的。探測前方構(gòu)造情況。

（4）探測模式。超前探測（半煤巖巷）。

（5）探測結(jié)果。如圖2 所示。

圖2 12141 迎頭超前探測成果圖

圖3 22071 下付巷外段超前探測成果圖

3.2 試驗

（1）探測地點。二1 煤層22 采區(qū)22071 下付巷外段迎頭（下1 測點東29.5 米處）。

（2）地質(zhì)情況。22 采區(qū)位于我公司井田東部，為21 采區(qū)接替采區(qū)，主體上山工程已施工完畢，目前正在施工相關(guān)車場及揭煤巷道。22071 下付巷外段位于22 采區(qū)下部，為22 采區(qū)中四車場輔助揭煤巷道。根據(jù)現(xiàn)有掌握地質(zhì)資料顯示，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷層發(fā)育，在22071 下付巷外段附近發(fā)育有F2204、F2203、F1103三條斷層；F2203、F1103斷層在22 采區(qū)軌道上山、22 采區(qū)皮帶上山均有鉆探控制點，兩斷層西部尖滅端均有向22 采區(qū)回風上山發(fā)育趨勢；F2204斷層在22 采區(qū)石門、22 采區(qū)回風上山有鉆探控制點，斷層東部尖滅端有向22 軌道上山發(fā)育趨勢；且22071上付巷外段需在22 采區(qū)回上山開口，立交過22 采區(qū)軌道上山、22 采區(qū)皮帶上山，受限于此段地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育，為22071 下付巷外段掘進期間埋下了安全隱患。

（3）探測目的。探測前方構(gòu)造情況。

（4）探測模式。超前探測（預(yù)揭煤巷道）。

（5）探測結(jié)果。如圖3 所示。

4 探測成果分析

瑞利波數(shù)據(jù)處理后首先得到頻散曲線，當出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時，頻散曲線會出現(xiàn)一個“之”字形拐折。所以在依據(jù)頻散曲線進行地質(zhì)分析時，一般認為“之”字形拐折的中點為地層的分界。由于在探測采用的是人工震源，人工震源本身存在不穩(wěn)定性，常常會造成頻散曲線的不穩(wěn)定，在同一測點上的多次錘擊，也會使頻散曲線“之”字形拐折的深度出現(xiàn)離散性。為消除震源不穩(wěn)定性對頻散曲線的影響，采用頻深轉(zhuǎn)換法，用專業(yè)的YTR（D）瑞利波探測儀配置的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理得到深度曲線圖（圖2、圖3）。

12141 下付巷迎頭超前探測位置在下11 測點西34.6m 處，采用等間距探測模式，Δx 布置為50cm 左右。從圖2 可以看出超前探測80 米范圍內(nèi)，22 米處有一個異常跳動，經(jīng)分析以上一處跳動點可能會有構(gòu)造或地質(zhì)分層；22071 下付巷外段探測位置在下1 測點東29.5m 處，采用等間距探測模式，Δx 布置為60cm 左右。由圖3 可以看出超前探測80m 范圍內(nèi)，10m、25m 處分別有2 個異常跳動，根據(jù)探測結(jié)果，經(jīng)分析以上2 處可能會有構(gòu)造或地質(zhì)分層。

5 實揭揭露與瑞利波成果對比

5.1 12141 下付巷迎頭超前探測

根據(jù)物探報告顯示在迎頭前方22 米處有異常跳動點，以上異常跳動點已經(jīng)巷道實揭，巷內(nèi)未發(fā)現(xiàn)異常地質(zhì)條件變化現(xiàn)象。根據(jù)周邊地質(zhì)資料分析：12141 下付巷物探地點前方36 米處為1119 鉆孔，據(jù)鉆孔資料顯示，1119 鉆孔揭露奧灰19.77 米（奧灰裂隙發(fā)育，被方解石充填），從奧灰頂面向下7.73 米處揭露0.8米厚鋁質(zhì)泥巖（鉆孔柱狀巖性描述為：深灰色，含較多黃鐵礦結(jié)構(gòu)及散晶，具滑面）。從勘探資料顯示12141 下付巷北部發(fā)育有F32正斷層（走向2900，落差0～30 米），在12141 下付巷掘進至距F32斷層西部尖滅端130 米范圍內(nèi)，經(jīng)巷道實揭和鉆探控制此段為斷層發(fā)育地帶。經(jīng)綜合分析，1119 鉆孔奧灰內(nèi)發(fā)育鋁質(zhì)泥巖，為斷裂帶斷層搓動所致，所以物探結(jié)果顯示有異常跳動點。

5.2 22071 下付巷外段超前探測

根據(jù)物探報告顯示在迎頭前方10 米、25 米處分別有兩處異常跳動點。根據(jù)22071 下付巷外段周邊地質(zhì)資料進行分析：22071 下付巷外段位于22 采區(qū)下部，在22 采區(qū)三條上山工程施工期間，掘進巖層受構(gòu)造影響常有揉搓和反傾現(xiàn)象，揭露和鉆探控制斷層共計六條，其中F1103正斷層（斷層產(chǎn)狀：走向近東西，傾向北，傾角74～970，落差11～17 米）發(fā)育在22071 下付巷外段附近，因此22071 下付巷外段附近地質(zhì)條件較為復雜。本區(qū)因受斷裂構(gòu)造和滑動構(gòu)造影響，造成二1 煤層賦存不穩(wěn)定，實揭掘進期間常出現(xiàn)煤層被擠壓揉搓、煤層底板起伏變化較大等現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)有明顯斷裂構(gòu)造發(fā)育。因此以上兩處異常跳動點為構(gòu)造影響所致。

6 結(jié)論

6.1 YTR（D）瑞利波探測儀具有攜帶方便，操作簡單，探測距離遠，一般大于80m，并有現(xiàn)場處理功能，可在現(xiàn)場實時顯示探測處理結(jié)果，可作為解決煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測問題的一種有效手段。

6.2 該儀器尚存的缺陷，經(jīng)專業(yè)軟件室內(nèi)處理后，形成的深度曲線數(shù)據(jù)，和大多電法物探一樣，僅是物探的解釋，不能直接明了判斷前方構(gòu)造的具體發(fā)育形態(tài)及具體地質(zhì)參數(shù)，不能確保其有效的準確性。

6.3 通過瑞利波探測技術(shù)對煤礦井下進行超前探測，并結(jié)合礦井實揭地質(zhì)資料進行綜合分析的方法，能夠作為井下地質(zhì)資料空白區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造探測的一種技術(shù)手段，是解決煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測的有效方法之一，特別是在獨頭巷道和掘進超前探測方面，更有良好的應(yīng)用效果和發(fā)展前景，在今后地質(zhì)工作中應(yīng)廣泛推廣使用。