瑞利波探测仪探测空洞探索

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1、瑞利波探测仪探测空洞探索　　摘要：瓦斯事故是影响煤矿安全生产的一大因素，是生产过程中需要预防的技术瓶颈。国内外科研机构和生产单位投入大量的人力物力研究新技术、探索新方法。煤炭科学研究总院西安研究院研制生产的YTR（D）瑞利波探测仪能够准确探知50m范围内的介质分布情况。根据实际需要利用瑞利波仪器，通过对其探测理论的学习及延伸，尝试在地面做空洞探测，探索研究特征曲线，尝试开发仪器新功能，以满足井下安全生产的需要。关键词：瑞利波探测仪；施工布置；数据采集；井下施工中图分类号：TD71文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）21-0

2、016-02平禹煤电公司四矿曾于2008年8月1日和2010年10月16日发生煤与瓦斯突出事故，前者突出煤量2554吨，突出瓦斯量约26万m3，后者突出煤量2500吨，突出瓦斯量约17万m3，突出区域局部形成了不规则的空洞，为了了解该空洞的形状及范围，根据矿井生产需要，决定使用瑞利波对该区域进行探测。1瑞利波探测仪仪器原理简介6瑞利波探测仪是由煤炭科学研究院西安研究院研制，型号为YTR（D），是由探测主机、人工震源垫、铜锤、钢钎、六道检波器及一道触发器组成。它是利用特定波段（瑞利波）在不同介质中及介质分界面传播速率的变化，并以波的反射形式触

3、发，由检波器接收信号，从而达到采集数据的目的。其施工方法见图1：瑞利波是采用瞬态波进行工作的，它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

4、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圆柱形波前方式传播，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波比体波强得多。6只要知道传感器道间距Δ和每一频率的相位差φ，就可以计算出瑞利波每一频率的相速度：已知频率为f的瑞利波速度后，其相应的波长为：根据弹

5、性波理论，瑞利波的能量主要集中在介质的自由表面附近。其深度在一个波长范围内。2资料解释原则频率与波长成反比，频率越高，其波长λR越短，勘探深度越小。反之，低频时波长较长，探测深度越大。据此可知，高频波反映介质表面附近的地质情况，而较低的频率的波则反映较深的地质情况。瑞利波探测法是矿井地质普遍采用的重要勘探方法之一，探测原理主要是利用瑞利波的两个特性：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。3施工布置及数据采集和分析经多方咨询和查找资料，发现有瑞利波探测空洞的理论，但没有成功例子。为了更好地完成任务，

6、确保探测成果质量，组织人员对地面已知空洞进行探测，希望能摸索出经验，更好地指导井下探测。6首先在野外选取垂直落差在5～10m的坡地为探测地点，主要是利用探测各站不同的倾角来查明和确定探测信号穿出黄土层进入空气的界面，还有信号沿直线穿出空气再次进入黄土层的界面位置。为了达到该目的，在探测落差面上游2m处平行布置一排检波器，该站为垂直打设，主要是为信息分析提供基础性参考数据，该站数据02-04采样长度2048，采样间隔1/4s，01、05-06采样长度1024，采样间隔1/4s，各道原始数据一致性较好，整体数据质量较好，可以作为基础性参考数据；

7、二站、三站分别以-68°、-56°向落差面方向探测，预计信号穿出黄土层进入空气的位置分别为落差面5m处和3m处，由此来判定瑞利波探测信号是否在空洞中传播以及传播的方式如何，下面详细介绍探测过程、参数设置及分析过程（探测分析图见图2、图3、图4）。探测各站组间距、道间距均为1m，一站垂直地表打设，采用5炮3级制，获得有效数据5组，探测发现地表以下3.2m、5.1m、8.3m、17.6m、37.5m均出现了不同程度的波形异常，由落差面黄土层的分布情况来看，0～3.2m为松散的黄土层，3.2～5.1m为褐红色胶质黄土层，前者主要是受人类活动的影响

8、，推断5.1～8.3m范围为致密的胶泥层，8.3～17.6m可能为有夹杂物的胶质黄土层，17.6m之后介质发生了实质性的变化，认为探测信号可能进入岩类介质中。以上分析可作为本次探