基于瑞利波技术的开拓大巷地质异常超前探测研究

罗明坤 ，贾 策 ，李 胜 ，孙 浩 ，徐令金 ，何 良 ，王 琨

（1.山西潞安化工集团有限公司 漳村煤矿，山西 长治 046000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）

我国煤炭消耗量逐年上升，浅部资源逐渐枯竭，开采煤层的深度逐步增加，围岩地质条件变得更加复杂[1-2]。在我国华北煤田广泛存在岩溶陷落柱（简称陷落柱），属于煤矿地质构造，实际上是一种特殊断陷断层[3-4]。由于陷落柱形成条件复杂，与其他地质构造并存性差[5-6]、隐蔽性好不易被勘查[7-8]、空间几何形态呈不规则椭圆状[9-10]，过陷落柱破坏区的巷道在施工过程中容易发生安全事故[11-12]。因此，针对开拓大巷前方存在的地质构造进行超前探测，可以有效指导煤矿安全生产。

目前，国内外学者[13-17]采用物探技术应用与煤矿井下地质构造的超前探测，现常用的主要物探手段有：瞬变电磁法[18]、矿井直流电法[19]、地质雷达[20]；但是使用这些手段局限性高，并且经济效益差。掘进头处存在掘进机、金属网等金属设备，这些设备对于瞬变电磁法、矿井直流电法均有影响。然而，瑞利波探测技术可以避免这些问题，其具有探测距离远、可靠性高、操作简单等优点，非常适合在掘进迎头处超前探测。例如，位新建[21]、李斌坤[22]、谢伏巨[23]、于明科等[24]采用瑞利波技术对煤矿井下进行超前探测。

上述学者研究仅对瑞利波技术应用煤矿井下探测进行了说明，但是对瑞利波探测技术原理的阐述不明确。为此，基于简谐波波动位移方程、频谱分析技术计算出波的相速度vr，从理论计算的角度说明频散曲线的由来；并将瑞利波技术成功应用到漳村煤矿480 采区8#联巷的超前探测。

1 瑞利波探测技术原理

瑞利波超前探测主要是利用机械震动产生的人工地震波来分析地层结构。地震波主要分为体波和面波2 大类别，其中体波包含P 波与S 波，面波包含瑞利波和拉夫波。地震波传播速度示意图如图1。

图1 地震波传播速度示意图Fig.1 Schematic diagram of seismic wave propagation velocity

人工地震波中的各种波在介质中传播，根据各波的传播速度，到达离震源一定距离的观测点由先到后的顺序依次为P 波、S 波、拉夫波和瑞利波。瑞利波以逆时针的椭圆轨迹扩散，在传播介质表面以圆柱形向前传播。相对于其他波，瑞利波在地层中传播时平行于波传播方向运动，同时垂直于波方向运动。瑞利波具有能量强、传播衰减慢、传播距离远、容易辨别的特点。由于瑞利波传播具有以上特点，因此满足煤矿井下地质构造超前探测。

首先，人工使用铜锤敲击产生人工地震波，通过2 个距离震源不同位置的检波传感器A、B 采集瑞利波并传输到瑞利波仪中保存；其次，采用快速傅里叶变换（FFT）和频谱分析技术，通过相干函数的互功率谱得到相位展开谱；最终，通过2路不同频率下瑞利波由于时滞在传播过程中产生的相位差计算在介质中的传播速度，从而得到瑞利波在探测点的频散曲线，地质异常是通过曲线发生的突变情况判断。瑞利波技术原理示意图如图2。

图2 瑞利波技术原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of Rayleigh wave technology

人工地震波携带各种简谐波，简谐波波动位移Y为[25]：

式中：K为常数；ω为波的角频率；t为时间；x为波传播到某一位置点的距离；vr为波相速度。

将w=2πf代入式（1），得到：

式中：f为频率。

检波器A、检波器B 与震源距离为x1、x2，则检波器A、检波器B 记录到的波位移Y1、Y2为：

检波器A、检波器B 之间的距离Δx=（x2-x1），由式（2）得到检波器A、检波器B 之间相位差Δ φ为：

利用频谱分析技术计算得到瑞利波各频率点的相位差 Δφ，由于A、B 之间的距离Δx为已知，根据式（4）求出相速度vr：

根据相速度vr与频率f的关系，波长与频率的关系，则波长λr为：

根据文献可知，瑞利波探测深度一般采用半波长，则探测深度H为：

最终以相速度vr为横坐标，深度H为纵坐标，绘制成频散曲线图，进而通过频散曲线解释迎头前方的地质异常。

2 含陷落柱的瑞利波波场数值模拟

基于有限差分（FDM）方法建立二维模型进行数值模拟研究，模型示意图如图3。

图3 模型示意图Fig.3 Model schematic

为了研究瑞利波在含陷落柱的围岩中传播规律，模型内部设置1 个10 m×35 m（长×高）的陷落柱。覆盖参考文献[26]的范围，将围岩与陷落柱设置了不同的数值模拟参数，具体为：①围岩：纵波波速1 800 m/s，横波波速960 m/s，面波波速870 m/s，泊松比0.42；②陷落柱：纵波波速1 000 m/s，横波波速400 m/s，面波波速365 m/s，泊松比0.32。瑞利波探测时通常采用铜锤敲击产生震源，其震源具有一定带宽，参考文献[27]选取雷克子波作为震源，为波形可使效果更好，采用0相位雷克子波作为震源。根据文献[28]，考虑近场效应,机械震源与观测点的距离需要大于中心频率对应瑞利波波长的2 倍。网格尺寸划分会影响记录数据的精度，文献[29]表明网格尺寸必须小于波长的1/8～1/10，划分网格为25 mm。模型两侧及底部设置为静态边界用于吸收入射角大于30°的入射波。

瑞利波在均质介质中波场云图如图4，瑞利波在非均质中波场云图如图5。

图4 瑞利波均质介质波场云图Fig.4 Wave field cloud diagrams of Rayleigh wave homogeneous medium

图5 瑞利波非均质介质波场云图Fig.5 Cloud diagrams of Rayleigh wave field in heterogeneous media

从图4 可以看出：雷克子波震源在均质介质中传播的过程中产生了横波、纵波、瑞利波。传播速度依次为纵波、横波、瑞利波；衍射体波随传播距离增大而迅速降低；然而，瑞利波能量数值降低的较慢，与文献[30]模拟结果一致。

从图5 可以看出：瑞利波在0.01 s 时与图4 传播规律一致，产生了3 种波；当0.02 s 时纵波率先遇见陷落柱，在陷落柱与围岩相交出发生能量聚集，同时也产生了反射纵波；在0.03 s 时出现透射横波，在陷落柱边界处出现模式转换后的衍射体波；在0.04 s 时波到达整个陷落柱左侧边界处，在顶部边界出现反射瑞利现象，并发生能量积聚。

3 漳村煤矿+480 m 水平大巷超前探测

漳村煤矿主要开采煤层为3#煤层，煤层平均厚度6.46 m，采用综采放顶煤开采工艺，顶板自行垮落。矿井异常地质构造颇多，极易影响正常采掘工作的进行。根据三维地质勘探资料，矿井+480 m 水平大巷延伸段掘进工作面前方疑似存在陷落柱SX10，其平面形态近视椭圆形，长轴约305 m，短轴约101 m；同时该区域大概率存在小型断层、褶曲等小型构造发育，巷道围岩松软。掘进施工过程中容易出现煤壁片帮、顶板破碎塌陷等一系列矿井灾害，对施工人员生命安全造成极大的隐患，巷道掘进过程中可能出现煤墙松软片帮、顶板破碎等现象，无法保证矿井安全正常地施工。

在漳村煤矿480 采区8#联巷对掘进头前方进行井下瑞利波超前探测，获得超前0～200 m 地质构造分布情况。根据480 采区巷道布置情况、矿井三维地震预测、实际生产情况，将瑞利波探测地点布置480 采区开拓大巷8#联巷掘进工作面向北探测。

YTRZ 瑞利波探测由西安煤科院研发，该系统主要分为井下和室内使用。其中井下采集系统是由探测主机、6 个加速度传感器、1 个激发传感器、铜锤组成，主要实现瑞利波产生、激发、采集等功能。井下设备均为矿用本安型、进行防爆处理。由微型计算机（主频2 GHz 以上）和后处理软件共同构成了室内数据处理系统，将勘探数据进行数字化计算、储存、处理分析。随后用打印机将分析结果打印成图以便工程数据的显示和备份。

由于掘进断面宽度为5.6 m，断面宽度大于3.5 m 并小于6 m。根据瑞利波设备测试应用条件可知，瑞利波探测布置方式为震源激发点距第1个激发传感器距离约1 m 左右，另外6 个检波器道距为0.5 m，整个观察系统为3.5 m。6 个检波器依次布置于A～F，瑞利波探测施工布置图如图6。

图6 瑞利波探测施工布置图Fig.6 Rayleigh wave detection construction layout

根据传感器施工布置图，通过卷尺分别标记1、0.5 m，利用铜锤将铁签子固定到布置图中的位置，通过传感器上的吸铁石固定到铁签子上。在将传感器与瑞利波主机进行连接。设置仪器参数：①探测模式：深层探测；②记录长度：2 048 m；③叠加次数：5 炮。为防止误差，针对开拓大巷8#联巷掘进工作面进行4 组不同位置的瑞利波探测。

采用铜锤锤击的方式对8#联巷掌子面的测点进行测试，分别进行4 组试验，每组进行5 次锤击。将测试生成的数据文件导入瑞利波后处理软件，起始时间设置为7.5 ms，结束时间设置为519.5 ms，时间间隔为0.25 ms；由式（5）、式（7）得到相速度与探测深度，绘制成频散曲线。第1～第4 组试验频散曲线如图7，第1～第4 组试验煤层深度剖面展示如图8。

图7 第1～第4 组试验频散曲线Fig.7 Dispersion curves of group 1-4

图8 第1～第4 组试验煤层深度剖面展示Fig.8 Experimental coal seam depth profile display of group 1-4

由图7 可知：频散曲线类似“之”字形拐折；第1 组试验曲线在40 、50 m 左右处出现“之”字形拐折；第2 组试验曲线在10 m 左右出现“之”字形拐折；第3 组试验曲线在20、50 m 左右出现“之”字形拐折；第4 组试验曲线在5、10 m 左右出现“之”字形拐折。综上，当瑞利波探测介质较均一时，瑞利波波速随着探测深度增大而增大，呈线性增大关系。但是当出现不同介质的分界面时，频散曲线会出现1 个所谓“之”字形拐折。

由图8 可知：第1 组试验的煤层深度剖面在40、50 m 左右出现速度异常；第2 组试验的煤层深度剖面在20、40 m 左右出现速度异常；第3 组试验的煤层深度剖面在15、20 m 左右出现速度异常；第4 组试验的煤层深度剖面在30～40 m 左右出现速度异常。

综上，经频散曲线与煤层深度剖面综合分析可知：存在3 处异常区域。经工程验证，存在2处与地质异常相符合。在漳村煤矿8#联巷掘进过程中在35～45 m 范围处顶板表层破碎形成穹型高顶，最深破坏达0.4 m。在55～65 m 范围处顶板西侧出现淋水呈现。针对以上异常区域提前安排将原锚杆支护排距的1 m 缩小为0.9 m，锚索布置方式由“3-2-3”变为“3-3-3”，有效提高了巷道支护强度，为巷道安全掘进提供了理论指导。

4 结 语

1）根据简谐波波动位移方程、频谱分析技术计算出波的相速度vr，从理论计算的角度得到频散曲线；基于有限差分（FDM）方法研究了瑞利波在含有陷落围岩中波的传播规律。瑞利波在陷落柱与围岩交界处发生能量积聚，出现瑞利波反射现象。验证了瑞利波在均质介质中传播规律，能量衰减较慢，传播速度慢，可以用于地质构造异常探测。

2）根据漳村煤矿地质条件、巷道布置情况及生产实际条件，确定了整个观察系统为3.5 m 的方式进行地质构造超前探测，传感器探头需避免与金属网接触，探头应布置在同一岩性内。

3）采用频散曲线与煤层深度剖面综合分析漳村煤矿8#联巷地质构造，对比分析4 组试验，最终确定探测点前方20～30 m、35～45 m、55～65 m 处出现3 处异常，经过现场施工验证，2 个异常区有顶板破碎、淋水等现象。采取缩小锚杆排距，顶板增加补强锚索，提高了巷道支护强度，有效指导应对了地址异常区域。