礦井物探-(瑞雷波地震勘探)

1、礦井物探-(瑞雷波地震勘探)第1頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六第8章 瑞雷波地震勘探 1887年，Rayleigh首先發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質(zhì)中的傳播特性。20世紀(jì)50年代初人們又發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的頻散特性，隨之開始了利用天然地震記錄中的瑞雷波探測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。 我國瑞雷面波法工程勘探的研究始于20世紀(jì)80年代中期，1987年，鐵路系統(tǒng)首先引進(jìn)GR-810型面波勘探僅用以解決鐵路和公路路基的勘探問題。 礦井構(gòu)造探測(cè)方面，煤科總院西安分院于1988年引進(jìn)了GR-8l0型儀器，并于引進(jìn)前后在地面和煤礦井下開展了大量的探測(cè)試驗(yàn)，取得了較好的地質(zhì)效果

2、。 第2頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六第8章 瑞雷波地震勘探 近年來，瑞雷波勘探已在礦井和地面工程中被廣泛的應(yīng)用，取得了一些可喜的成果。對(duì)于礦井瑞雷波勘探技術(shù)，它具有一定的優(yōu)點(diǎn)： 1）這是一種真正從地面開始幾十米深范圍內(nèi)(煤礦井下從探測(cè)面往前幾十米深)的淺層彈性波無損探測(cè)方法，既可用于分層探測(cè)，又可用于構(gòu)造探測(cè)； 2）施工面積小，移動(dòng)方便，適于在煤礦井下(包括獨(dú)頭巷道)的探明使用； 3）既可進(jìn)行垂直方向的探測(cè)，又可進(jìn)行水平方向的探測(cè)(加工作面前方的超前探測(cè))；第3頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六第8章 瑞雷波地震勘探 4）抗干擾能力強(qiáng)，不受井下

3、各種交流電場的干擾； 5）只要介質(zhì)有波速差異(不小于10 %) 就可以精確進(jìn)行分辨，探測(cè)精度比較高，勘探的深度誤差一般在5%以內(nèi)。 6）在高泊松比介質(zhì)中，面波波速接近于橫波波速，并具有相關(guān)性，即面波波速與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.1.1 瑞雷波的傳播 8.1 瑞雷波的性質(zhì)瑞雷波傳播、衰減與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng) (a)瑞雷波在半無限的固體介質(zhì)中，波動(dòng)的垂直剖面，它隨深度的增加而逐漸消失； (b)預(yù)測(cè)的地表質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡； (c)實(shí)際記錄的運(yùn)動(dòng)軌跡； (d)小藥量激發(fā)，用埋置的檢波器接收到的瑞雷波。運(yùn)動(dòng)軌跡在淺部是逆滾式，大約在4m左右，變?yōu)榍巴?/p>

4、式。第5頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.1 瑞雷波的性質(zhì)沿自由界面?zhèn)鞑サ倪@種瑞雷面波具有以下特征：1）它具有一個(gè)沿表面?zhèn)鞑サ呐c頻率無關(guān)的速度，這一速度比介質(zhì)體波中的橫波速度略小。2）表面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不是線性的而是橢圓形的(它是由縱波P和橫波S波沿自由界面?zhèn)鞑ハ嗷クB加而形成)。3）這種波的振幅隨距界面深度的加大而呈指數(shù)下降。 以上是指在均勻、各向同性介質(zhì)表面的情況。在實(shí)際觀測(cè)中，各種巖石都是成層的非均勻介質(zhì)。在這樣的介質(zhì)表面，所觀測(cè)到的瑞雷面波將是頻散的；也就是說，瑞雷波的速度將與頻率有關(guān)，是頻率的函數(shù)。這樣，在成層的非均勻介質(zhì)的自由表面，所觀測(cè)到的瑞雷波應(yīng)是頻散

5、的，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)呈橢圓形的，其振幅隨界面深度加大而呈指數(shù)下降的一種面波。8.1.2 瑞雷波的特征 第6頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.1.3 瑞雷波的轉(zhuǎn)播速度 8.1 瑞雷波的性質(zhì) 瑞雷波的傳播與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)密切相關(guān)。瑞雷波在介質(zhì)中的傳播速度VR和縱波、橫波速度Vp，Vs一樣，是由介質(zhì)的彈性常數(shù)(楊氏模量、泊松比等)決定的。 瑞雷波的速度始終小于S波的進(jìn)度，但隨著泊松比接近0.5，橫波和瑞雷波的速度將趨于同一數(shù)值。 我們知道，不同巖層的泊松比是不同的。比如，對(duì)于土層，為0.450.49左右，而對(duì)于巖石，則為0.25左右。也就是說，對(duì)于土層，瑞雷波的速度幾乎與橫波

6、相等；對(duì)于巖石，瑞雷波的速度將為0.9l94Vs。 總之，瑞雷波在土和巖石中的傳播速度接近橫波的速度Vs，而Vs往往是工程地基勘察中重要的參數(shù)。 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.1.4 瑞雷波振幅隨深度的衰減 8.1 瑞雷波的性質(zhì) 瑞雷波的振幅隨深度不是均勻分布的，而是呈指數(shù)衰減，其主要能量集中在一個(gè)波長的深度范圍。對(duì)于不同彈性常量的介質(zhì)，瑞雷波的衰減具有相同的總體趨勢(shì)，而衰減的速率略有差異。 第8頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.1.5 瑞雷波的頻散 8.1 瑞雷波的性質(zhì)在均勻半無限彈性介質(zhì)中，瑞雷波速度VR是一個(gè)只與介質(zhì)彈性常量有關(guān)

7、而與頻率無關(guān)的參數(shù)。也就是說，在均勻半無限彈性介質(zhì)情況下瑞雷波不存在頻散。但是，自然界的巖層都是成層的非均勻介質(zhì)，在這樣的介質(zhì)中，瑞雷波的傳播速度將與頻率密切相關(guān)，不同頻率成分，具有不同的瑞雷波相速度，即瑞雷波存在頻散。第9頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.2 瑞雷波勘探的基本原理 瑞雷波勘探方法的實(shí)質(zhì)：根據(jù)不同振動(dòng)頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測(cè)量不同頻率成分(反映不同深度)瑞雷波的傳播速度來探測(cè)不同深度煤、巖層及其中的斷層、空洞、老窯、巖溶等地質(zhì)異常體。 它的物理前提是基于煤層和頂、底板巖層及其它地質(zhì)異常體的密度和彈性常量等物理參數(shù)的不同而導(dǎo)致瑞雷波傳播速

8、度的差別。特別是巖溶、裂隙和空洞等，因它們不具備瑞雷波傳播的條件，當(dāng)瑞雷波傳播到這些位置時(shí)會(huì)突然消失，因而可以比較容易地識(shí)別這些地質(zhì)異常。 瑞雷波沿地面表層傳播，表層的厚度約為一個(gè)波長，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況。 第10頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.2.1 瞬態(tài)瑞雷波法 8.2 瑞雷波勘探的基本原理瞬態(tài)瑞雷面波法布置示意圖 第11頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六瑞利波探測(cè)儀 8.2 瑞雷波勘探的基本原理第12頁，共20頁，2022年，5月20日，1

9、點(diǎn)12分，星期六8.2.2 頻散曲線 8.2 瑞雷波勘探的基本原理瑞雷波記錄VRH曲線 瑞雷波波速分層圖 第13頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.3.1 地層界面異常特征 8.3 瑞雷波勘探的應(yīng)用實(shí)測(cè)“之”字型曲線 實(shí)測(cè)“之”字型曲線 實(shí)測(cè)“之”字型曲線 實(shí)測(cè)“之”字型曲線 實(shí)測(cè)“之”字型VRH曲線 第14頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.3.2 洞穴界面的異常特征 8.3 瑞雷波勘探的應(yīng)用洞穴曲線的中斷第15頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.3.2 洞穴界面的異常特征 8.3 瑞雷波勘探的應(yīng)用洞穴曲線的錯(cuò)斷第16頁

10、，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.3.2 洞穴界面的異常特征 8.3 瑞雷波勘探的應(yīng)用洞穴周圍的曲線第17頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.3.3 礦井探測(cè)應(yīng)用 8.3 瑞雷波勘探的應(yīng)用用途： 煤巷掘進(jìn)工作面前方小構(gòu)造超前探測(cè)。如斷層、裂隙帶、煤層變薄等。 揭石門安全厚度檢測(cè) 含水、含瓦斯構(gòu)造安全厚度檢測(cè) 下組煤深度、厚度變化 巷道底板隔水層厚度 巷道側(cè)翼斷層跟蹤 巷道側(cè)翼隱伏構(gòu)造的超前探測(cè) 工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造、煤層不連續(xù)地質(zhì)體的探測(cè)第18頁，共20頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期六8.3.3 礦井探測(cè)應(yīng)用 8.3 瑞雷波勘探的應(yīng)用 國投新集一礦某巷道B7點(diǎn)前方揭煤時(shí)瑞雷波探測(cè)的實(shí)測(cè)波形及解析結(jié)果圖在距離H6m處有一拐點(diǎn)，因此判斷該點(diǎn)處前方6m左右揭煤并要求做好瓦斯探放工作。后經(jīng)停頭打鉆驗(yàn)證揭煤距離為6.2m，與探測(cè)結(jié)果基本一致。 第