瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用

高永祥

（云南金沙礦業股份有限公司，云南 東川 654100）

隨著經濟的進步，礦山開采工程發展越來越迅速，開采規模、開采強度和開采深度也在不斷加大，但是近年來由于地質因素導致的災難越來越突出，斷層、陷落柱、破碎帶等地質問題直接引發涌水、塌方，為人的生命財產安全帶來巨大損失。在礦山開采之前了解礦山地質情況變得十分重要，也成為了一個技術難點，然而傳統的鉆探檢測方法需要花費大量的人力資源和物力資源，取得的效果也不盡人意，不能滿足目前對礦山地質情況預測的要求[1]。為了解決這一問題，我們必須要尋找出更加有效的礦山地質情況預測手段，從而為工作人員開采提供更加有效的依據，保證他們的生命安全。瑞利波是一種常見的界面彈性波，在1887年由L.瑞利于首先指出，能夠沿著半無限彈性介質自由表面傳播，是一種偏振波。在地震學中，瑞利波也稱之為R波或L波，具有低速、低頻和強振幅的特點，能夠深入到地質內部，通過波形反應地質情況[2]。本文對瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用進行研究，利用D矩陣和F矩陣矢量法分析了瑞利波數據，通過實驗探討了該技術在礦山地質情況預測中起到的效果。

1 瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用過程

瑞利波能夠沿著彈性體自由面傳播，質點的運動軌跡為橢圓，但是在彈性體自由面表層和離表層0.2個波長的深度運動方向相反，表層運動速度很快，是下層的1.5倍左右。瑞利波的波速只受介質彈性常數影響，而不受頻率影響，速度極快，能夠達到同介質中橫波波速的0.862～0.955倍，因此用其測試地質分布情況十分合適[3]。

在預測礦山地質情況過程中，瑞利波探測法是通過不同的“點”來進行探測，形成的震源通常是瞬態沖擊振動引發的，在一定范圍內瑞利波會出現不同的波形，并且產生疊加。當傳感器與震源排列在同一條直線上時，需要引入5個以上單分量加速度傳感器測量瑞利波波速，傳感器與傳感器之間的間隔距離要相同[4]。通常，間隔距離越大，保證的相位差就越豐富，地質勘探就越容易，測量結果也更加準確。

瑞利波能夠沿著二維表面自由擴展，產生一定的摧毀力，在距波源較遠處的摧毀力要小于在距波源較近處的摧毀力。瑞利波傳播曲線能夠反映當地地質特征，不同的地質特征傳播曲線會有很大的不同。瑞利波波速計算過程如下：

其中，?x表示瑞利波傳播距離，通過不同的檢測器來測量，?t表示在傳播距離?x下對應的傳播時間。除了上述方法能夠計算VR外，公式（2）的計算過程也能計算出瑞利波波速VR。

公式（2）中，T代表瑞利波周期，?φ表示測量波頻率，在礦山地表等間距中安置n+1個檢波器，測試每段間距的距離。通過每段距離的速度，測試內瑞利波的平均波速，公式（1）對應的平均波速計算過程如下：

公式（2）對應的平均波速計算過程與公式（3）不同，計算過程如下：

在同一段距離中，該表不同的因素，就會對應得到不同的瑞利波波速VR，從而得到不同的關系曲線圖，如改變瑞利波的周期T就能得到VR—T關系曲線圖；改變瑞利波的測量波頻率?φ就能得到VR—?φ關系曲線圖，通過這些曲線圖來判斷當地礦山地質構造，從而進行進一步的反演，分析礦山地層介質的物理特性以及巖石特性[5]。瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用過程如下圖1所示：

圖1 瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用過程

瑞利波探測技術首先要完成數據采集和處理，通過不同的探測點采集數據，采集過程需要經歷穩態和瞬態兩個方法階段。穩態方法能夠提高處理精度，瞬態方法則適應范圍很廣，因此在測量時兩種方法要同時使用，從而提取出可靠、有效的瑞利波頻散曲線。瑞利波曲線的提取方法較多，包括F-K變換方法、Z-P變換方法、表面波譜分析法、互相關法等，每種方法都能夠準確地結合多重數據，然后分離成不同的模式，在解決假性循環問題上效果十分顯著。瑞利波探測技術需要反復檢測，得到多次波動效果圖，這樣才能準確地分析出當地礦區地質特征。

2 瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用效果

（1）實驗目的。為了檢測瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用效果，設計了對比實驗。在四川省某一礦區中同時使用傳統的鉆探方法和本文的瑞利波探測技術進行預測，然后對預測效果進行分析。

（2）實驗參數設定。為保證瑞利波探測技術和鉆探技術檢測結果的準確性，設置在地質條件完全相同的礦區進行檢測。檢測時間為2小時，檢測內容包括礦區地質內部巖石硬度，礦區沙化程度等，得到下述實驗結果。

（3）實驗結果分析

圖2 傳統鉆探方法試驗結果

分析圖2結果得知，傳統的鉆探方法信號幅值一直較低，能夠檢測到的信號幅值一直在-2～2之間，而且檢測的振幅穩定性很差。在0～40min內，檢測的信號幅值只能維持在-1～1之間，超過上述范圍的信號，傳統鉆探法都檢測不到；在40min～60min之間，檢測范圍有所增加，檢測的幅值能夠達到-2～2之間，但是穩定性很差，上下頻率變化；而到了60min～80min時，檢測范圍又出現變化，檢測幅值很低，只能維持在-0.5～0.5之間；80min～120min，檢測幅值再次增加到-2～2之間，但穩定性依舊較差。

圖3 瑞利波探測技術試驗結果

分析圖3結果得知，瑞利波探測技術的檢測范圍很廣，檢測信號幅值始終維持在-4～4之間，穩定性很好，雖然在不同的時間會出現一定的波動，但對整體影響不大，工作人員檢測起來也非常方便、

（4）實驗結論。實驗結果表明，傳統的鉆探方法能夠檢測到的內容過少，而且穩定性非常差，結果的準確率很低，工作人員如果依據鉆探法得到的數據開采礦山，很容易發生安全事故。瑞利波波形的分辨率要遠遠高于傳統的鉆探方法，而且探測過程性能更加穩定，移動敏捷度更高，探測的距離更遠，速度更快，是一種高效實用的探測技術，能夠準確地分析出礦山地質情況，從而為開采工作提供合理依據，對于礦山開采有實際性意義。

3 結語

近年來，礦山安全事故頻頻發生，為人民的生命安全帶來巨大威脅，礦山開采工作也充滿危險。為了降低安全風險，各個部門和相關領域學者一直在尋求有效方法預測礦山地質情況，傳統的鉆探檢測方法在檢測時將鉆頭深入到地質中，然后對采集回來的材料進行分析來判斷地質特征，此種方法需要耗費大量的成本，而且時間很長，開采工期不能得到保障。瑞利波是一種界面彈性波，在地表和地質內部都能進行傳播，且傳播速度高、頻率快，通過分析瑞利波波形能夠準確地判斷出礦山地質的特征，是一種高效率、低成本的方法。本文對瑞利波探測技術在礦山地質情況預測中的應用過程進行研究，介紹了瑞利波波速VR的測量方法，并探討了如何得到VR—T和VR—?φ的關系曲線圖，通過與傳統方法對比實驗分析瑞利波探測技術的應用效果。希望本文的研究能夠對以后學者研究相關方面內容提供幫助。

[1]賈文青,劉中華．瑞利波探測技術在礦山地質構造中的應用研究[J]．礦業工程,2017,15(2)：7-9．

[2]劉廣亮．瑞利波技術在煤礦地質構造超前探測中的應用[J]．工程地球物理學報,2016,13(3)：361-366．

[3]張昭年,張帥,謝經濤．多元信息融合技術在車集煤礦超前探測中的應用[J]．煤炭技術,2016,35(3)：114-116．

[4]石永生．基于瑞利波技術的孤島工作面風巷底板破壞深度探測[J]．煤礦安全,2016,47(7)：208-210．

[5]張雪松．超聲波探測煤礦采空區應用技術研究[J]．山東煤炭科技,2016(11)：154-156．