基于瑞利波技術的開拓大巷地質異常超前探測研究

羅明坤 ，賈 策 ，李 勝 ，孫 浩 ，徐令金 ，何 良 ，王 琨

（1.山西潞安化工集團有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046000；2.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000）

我國煤炭消耗量逐年上升，淺部資源逐漸枯竭，開采煤層的深度逐步增加，圍巖地質條件變得更加復雜[1-2]。在我國華北煤田廣泛存在巖溶陷落柱（簡稱陷落柱），屬于煤礦地質構造，實際上是一種特殊斷陷斷層[3-4]。由于陷落柱形成條件復雜，與其他地質構造并存性差[5-6]、隱蔽性好不易被勘查[7-8]、空間幾何形態(tài)呈不規(guī)則橢圓狀[9-10]，過陷落柱破壞區(qū)的巷道在施工過程中容易發(fā)生安全事故[11-12]。因此，針對開拓大巷前方存在的地質構造進行超前探測，可以有效指導煤礦安全生產。

目前，國內外學者[13-17]采用物探技術應用與煤礦井下地質構造的超前探測，現常用的主要物探手段有：瞬變電磁法[18]、礦井直流電法[19]、地質雷達[20]；但是使用這些手段局限性高，并且經濟效益差。掘進頭處存在掘進機、金屬網等金屬設備，這些設備對于瞬變電磁法、礦井直流電法均有影響。然而，瑞利波探測技術可以避免這些問題，其具有探測距離遠、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點，非常適合在掘進迎頭處超前探測。例如，位新建[21]、李斌坤[22]、謝伏巨[23]、于明科等[24]采用瑞利波技術對煤礦井下進行超前探測。

上述學者研究僅對瑞利波技術應用煤礦井下探測進行了說明，但是對瑞利波探測技術原理的闡述不明確。為此，基于簡諧波波動位移方程、頻譜分析技術計算出波的相速度vr，從理論計算的角度說明頻散曲線的由來；并將瑞利波技術成功應用到漳村煤礦480 采區(qū)8#聯巷的超前探測。

1 瑞利波探測技術原理

瑞利波超前探測主要是利用機械震動產生的人工地震波來分析地層結構。地震波主要分為體波和面波2 大類別，其中體波包含P 波與S 波，面波包含瑞利波和拉夫波。地震波傳播速度示意圖如圖1。

圖1 地震波傳播速度示意圖Fig.1 Schematic diagram of seismic wave propagation velocity

人工地震波中的各種波在介質中傳播，根據各波的傳播速度，到達離震源一定距離的觀測點由先到后的順序依次為P 波、S 波、拉夫波和瑞利波。瑞利波以逆時針的橢圓軌跡擴散，在傳播介質表面以圓柱形向前傳播。相對于其他波，瑞利波在地層中傳播時平行于波傳播方向運動，同時垂直于波方向運動。瑞利波具有能量強、傳播衰減慢、傳播距離遠、容易辨別的特點。由于瑞利波傳播具有以上特點，因此滿足煤礦井下地質構造超前探測。

首先，人工使用銅錘敲擊產生人工地震波，通過2 個距離震源不同位置的檢波傳感器A、B 采集瑞利波并傳輸到瑞利波儀中保存；其次，采用快速傅里葉變換（FFT）和頻譜分析技術，通過相干函數的互功率譜得到相位展開譜；最終，通過2路不同頻率下瑞利波由于時滯在傳播過程中產生的相位差計算在介質中的傳播速度，從而得到瑞利波在探測點的頻散曲線，地質異常是通過曲線發(fā)生的突變情況判斷。瑞利波技術原理示意圖如圖2。

圖2 瑞利波技術原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of Rayleigh wave technology

人工地震波攜帶各種簡諧波，簡諧波波動位移Y為[25]：

式中：K為常數；ω為波的角頻率；t為時間；x為波傳播到某一位置點的距離；vr為波相速度。

將w=2πf代入式（1），得到：

式中：f為頻率。

檢波器A、檢波器B 與震源距離為x1、x2，則檢波器A、檢波器B 記錄到的波位移Y1、Y2為：

檢波器A、檢波器B 之間的距離Δx=（x2-x1），由式（2）得到檢波器A、檢波器B 之間相位差Δ φ為：

利用頻譜分析技術計算得到瑞利波各頻率點的相位差 Δφ，由于A、B 之間的距離Δx為已知，根據式（4）求出相速度vr：

根據相速度vr與頻率f的關系，波長與頻率的關系，則波長λr為：

根據文獻可知，瑞利波探測深度一般采用半波長，則探測深度H為：

最終以相速度vr為橫坐標，深度H為縱坐標，繪制成頻散曲線圖，進而通過頻散曲線解釋迎頭前方的地質異常。

2 含陷落柱的瑞利波波場數值模擬

基于有限差分（FDM）方法建立二維模型進行數值模擬研究，模型示意圖如圖3。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model schematic

為了研究瑞利波在含陷落柱的圍巖中傳播規(guī)律，模型內部設置1 個10 m×35 m（長×高）的陷落柱。覆蓋參考文獻[26]的范圍，將圍巖與陷落柱設置了不同的數值模擬參數，具體為：①圍巖：縱波波速1 800 m/s，橫波波速960 m/s，面波波速870 m/s，泊松比0.42；②陷落柱：縱波波速1 000 m/s，橫波波速400 m/s，面波波速365 m/s，泊松比0.32。瑞利波探測時通常采用銅錘敲擊產生震源，其震源具有一定帶寬，參考文獻[27]選取雷克子波作為震源，為波形可使效果更好，采用0相位雷克子波作為震源。根據文獻[28]，考慮近場效應,機械震源與觀測點的距離需要大于中心頻率對應瑞利波波長的2 倍。網格尺寸劃分會影響記錄數據的精度，文獻[29]表明網格尺寸必須小于波長的1/8～1/10，劃分網格為25 mm。模型兩側及底部設置為靜態(tài)邊界用于吸收入射角大于30°的入射波。

瑞利波在均質介質中波場云圖如圖4，瑞利波在非均質中波場云圖如圖5。

圖4 瑞利波均質介質波場云圖Fig.4 Wave field cloud diagrams of Rayleigh wave homogeneous medium

圖5 瑞利波非均質介質波場云圖Fig.5 Cloud diagrams of Rayleigh wave field in heterogeneous media

從圖4 可以看出：雷克子波震源在均質介質中傳播的過程中產生了橫波、縱波、瑞利波。傳播速度依次為縱波、橫波、瑞利波；衍射體波隨傳播距離增大而迅速降低；然而，瑞利波能量數值降低的較慢，與文獻[30]模擬結果一致。

從圖5 可以看出：瑞利波在0.01 s 時與圖4 傳播規(guī)律一致，產生了3 種波；當0.02 s 時縱波率先遇見陷落柱，在陷落柱與圍巖相交出發(fā)生能量聚集，同時也產生了反射縱波；在0.03 s 時出現透射橫波，在陷落柱邊界處出現模式轉換后的衍射體波；在0.04 s 時波到達整個陷落柱左側邊界處，在頂部邊界出現反射瑞利現象，并發(fā)生能量積聚。

3 漳村煤礦+480 m 水平大巷超前探測

漳村煤礦主要開采煤層為3#煤層，煤層平均厚度6.46 m，采用綜采放頂煤開采工藝，頂板自行垮落。礦井異常地質構造頗多，極易影響正常采掘工作的進行。根據三維地質勘探資料，礦井+480 m 水平大巷延伸段掘進工作面前方疑似存在陷落柱SX10，其平面形態(tài)近視橢圓形，長軸約305 m，短軸約101 m；同時該區(qū)域大概率存在小型斷層、褶曲等小型構造發(fā)育，巷道圍巖松軟。掘進施工過程中容易出現煤壁片幫、頂板破碎塌陷等一系列礦井災害，對施工人員生命安全造成極大的隱患，巷道掘進過程中可能出現煤墻松軟片幫、頂板破碎等現象，無法保證礦井安全正常地施工。

在漳村煤礦480 采區(qū)8#聯巷對掘進頭前方進行井下瑞利波超前探測，獲得超前0～200 m 地質構造分布情況。根據480 采區(qū)巷道布置情況、礦井三維地震預測、實際生產情況，將瑞利波探測地點布置480 采區(qū)開拓大巷8#聯巷掘進工作面向北探測。

YTRZ 瑞利波探測由西安煤科院研發(fā)，該系統(tǒng)主要分為井下和室內使用。其中井下采集系統(tǒng)是由探測主機、6 個加速度傳感器、1 個激發(fā)傳感器、銅錘組成，主要實現瑞利波產生、激發(fā)、采集等功能。井下設備均為礦用本安型、進行防爆處理。由微型計算機（主頻2 GHz 以上）和后處理軟件共同構成了室內數據處理系統(tǒng)，將勘探數據進行數字化計算、儲存、處理分析。隨后用打印機將分析結果打印成圖以便工程數據的顯示和備份。

由于掘進斷面寬度為5.6 m，斷面寬度大于3.5 m 并小于6 m。根據瑞利波設備測試應用條件可知，瑞利波探測布置方式為震源激發(fā)點距第1個激發(fā)傳感器距離約1 m 左右，另外6 個檢波器道距為0.5 m，整個觀察系統(tǒng)為3.5 m。6 個檢波器依次布置于A～F，瑞利波探測施工布置圖如圖6。

圖6 瑞利波探測施工布置圖Fig.6 Rayleigh wave detection construction layout

根據傳感器施工布置圖，通過卷尺分別標記1、0.5 m，利用銅錘將鐵簽子固定到布置圖中的位置，通過傳感器上的吸鐵石固定到鐵簽子上。在將傳感器與瑞利波主機進行連接。設置儀器參數：①探測模式：深層探測；②記錄長度：2 048 m；③疊加次數：5 炮。為防止誤差，針對開拓大巷8#聯巷掘進工作面進行4 組不同位置的瑞利波探測。

采用銅錘錘擊的方式對8#聯巷掌子面的測點進行測試，分別進行4 組試驗，每組進行5 次錘擊。將測試生成的數據文件導入瑞利波后處理軟件，起始時間設置為7.5 ms，結束時間設置為519.5 ms，時間間隔為0.25 ms；由式（5）、式（7）得到相速度與探測深度，繪制成頻散曲線。第1～第4 組試驗頻散曲線如圖7，第1～第4 組試驗煤層深度剖面展示如圖8。

圖7 第1～第4 組試驗頻散曲線Fig.7 Dispersion curves of group 1-4

圖8 第1～第4 組試驗煤層深度剖面展示Fig.8 Experimental coal seam depth profile display of group 1-4

由圖7 可知：頻散曲線類似“之”字形拐折；第1 組試驗曲線在40 、50 m 左右處出現“之”字形拐折；第2 組試驗曲線在10 m 左右出現“之”字形拐折；第3 組試驗曲線在20、50 m 左右出現“之”字形拐折；第4 組試驗曲線在5、10 m 左右出現“之”字形拐折。綜上，當瑞利波探測介質較均一時，瑞利波波速隨著探測深度增大而增大，呈線性增大關系。但是當出現不同介質的分界面時，頻散曲線會出現1 個所謂“之”字形拐折。

由圖8 可知：第1 組試驗的煤層深度剖面在40、50 m 左右出現速度異常；第2 組試驗的煤層深度剖面在20、40 m 左右出現速度異常；第3 組試驗的煤層深度剖面在15、20 m 左右出現速度異常；第4 組試驗的煤層深度剖面在30～40 m 左右出現速度異常。

綜上，經頻散曲線與煤層深度剖面綜合分析可知：存在3 處異常區(qū)域。經工程驗證，存在2處與地質異常相符合。在漳村煤礦8#聯巷掘進過程中在35～45 m 范圍處頂板表層破碎形成穹型高頂，最深破壞達0.4 m。在55～65 m 范圍處頂板西側出現淋水呈現。針對以上異常區(qū)域提前安排將原錨桿支護排距的1 m 縮小為0.9 m，錨索布置方式由“3-2-3”變?yōu)椤?-3-3”，有效提高了巷道支護強度，為巷道安全掘進提供了理論指導。

4 結 語

1）根據簡諧波波動位移方程、頻譜分析技術計算出波的相速度vr，從理論計算的角度得到頻散曲線；基于有限差分（FDM）方法研究了瑞利波在含有陷落圍巖中波的傳播規(guī)律。瑞利波在陷落柱與圍巖交界處發(fā)生能量積聚，出現瑞利波反射現象。驗證了瑞利波在均質介質中傳播規(guī)律，能量衰減較慢，傳播速度慢，可以用于地質構造異常探測。

2）根據漳村煤礦地質條件、巷道布置情況及生產實際條件，確定了整個觀察系統(tǒng)為3.5 m 的方式進行地質構造超前探測，傳感器探頭需避免與金屬網接觸，探頭應布置在同一巖性內。

3）采用頻散曲線與煤層深度剖面綜合分析漳村煤礦8#聯巷地質構造，對比分析4 組試驗，最終確定探測點前方20～30 m、35～45 m、55～65 m 處出現3 處異常，經過現場施工驗證，2 個異常區(qū)有頂板破碎、淋水等現象。采取縮小錨桿排距，頂板增加補強錨索，提高了巷道支護強度，有效指導應對了地址異常區(qū)域。