单点探测技术与应用
张平松1 刘盛东1 吴荣新2
(1.安徽理工大学资源与环境工程系;2.中国科学技术大学地球与空间科学系;)
摘 要:工作范围或空间受限的探测环境,要求测试方法相对简便快捷,解析精度高。单点反射探测方法以自激自收方式进行数据采集和处理,其现场布置简单、灵活,不受测试环境限制,是一种抗干扰力强、探测精度高、适用性好、工作方法简单的测试技术。它与智能仪器研发相结合,更能发挥其探测优势,对煤矿井下巷道前方断层及异常探测、顶煤厚度探测、桩体质量检测以及工作面内小构造探查等具有较为独特的效果。 关键词:单点探测;自激自收;超前探测;顶煤厚度 1、 引 言 随着科学技术的不断进步,煤矿巷道和采面小构造的超前探测、浅表层基础调查、桩基质量评价、隧道工作面的超前地质预报,对工程勘测技术提出了新的更高的要求。由于受到矿井巷道及其特殊地质条件的限制,一些常规地震、电法、地质雷达等物探技术手段难以进行现场施工和数据采集,需要进一步开展高精度、小范围探测方法的研究工作。单点探测技术是一种探测精度高、现场施工简单、适合于矿井特殊工作环境和浅层工程勘探、数据采集和处理工作量小,便于实现现场解析的探测方法。经过多年勘探实践及技术研究,将数据采集和成果处理集于一体,设计出智能资源探测仪,实现了单点探测方法速度和厚度自动及人工解析系统。该系统主要有以下特点: 1)整套仪器轻便,两到三人使用即可高效地完成现场测试任务,工作方法简单有效。 2)可进行现场实时解释,便于工作效率提高。也可将数据记录在机器内,通过丰富的后处理手段,改善信噪比。 3)记录精确度、灵敏度较高,动态范围大,抗干扰能力强,失真度小。它可适用于狭小工作范围或空间受限的探测环境,对煤矿井下巷道前方断层及其异常探测、顶煤厚度探测、桩体质量检测以及工作面内小构造探查等具有较为独特的优势,能够充分发挥其技术特点。 2、 测试工作原理 单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式,即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号,来解析计算目的层距离或厚度的。由反射波时距曲线方程:4h2+x2=v2t2,令x=0,则 h=vt/2。 式中时间t可由波形记录上判读,波速v须是一已知数,其取值准确与否,直接影响到目的层距离或厚度探测的精度。一般来说,在一定的探测区域内,岩、煤层的垂向波速都较稳定,探测时可作波速调查,弄清各层波速分布状况,为探测解析提供依据。 巷道超前探测、煤层顶底板煤厚探测以及桩体完整性检测,由于各层之间存在较强的波组抗界面,因此有利于反射波的传播。按照波阻抗理论,对于不同层状介质,设z1为上层介质波阻抗,z2为下层介质波阻抗,则有: ,由震波反射原理,层间界面反射系数k为: ,其中 为介质的密度和震波波速。一般情况下,在矿井地质中,煤层的密度多分布在1.3-1.5g/cm3,波速在0.8-1.5m/ms,而岩层的密度在2.4-3.0g/cm3,波速在2.5-3.5m/ms,所以煤、岩界面反射系数一般比较大,多大于0.6以上,是一个强反射界面,有利于震波反射法进行超前或煤厚探测。单点反射相当于一柱状波导体,在体积元上进行零偏移距自激自收探测,将会取得较好的效果。 3、 工作方法 单点探测现场布置较为简单,根据不同探测目的和要求,其具体布置方式也有所区别。在实际工作中,由于受震源的影响很难做到自激自收采集,因此只能近似地做极小偏移距单点单道采集,一般要求最浅目的层的反射角在30°巷道前方超前探测,受断面面积控制,可在一侧或中间岩、煤层中布置滑块式传感器,间隔一定距离布设激发孔进行数据采集。启动方式依据探测距离远近,可分别采用锤击激振或放炮激发。传感器和放炮激发应在断面上向前施工1-2m的钻孔为宜,且传感器孔要比激发孔深1m左右,放炮孔不少于3个,可分布于传感器孔周围。最好采用多分量多波反射技术,进行多波分析和解释。顶煤厚度探测,受综采工作面特殊场地条件所限,探测点一般在综采设备架子之间选取相对完整的煤层处。利用PVC导杆将传感器托至顶板,与煤层充分接触。将震源枪以丝扣形式连接到PVC导杆上,尽量保持零偏移距进行激振。该方法探测顶煤厚,现场方便快捷,通常两个技术人员即可完成操作。桩基测试,必须对桩头进行先期处理,清除浮土,磨平等措施,传感器宜用平底加橡皮泥耦合,锤击启动即可进行单点数据采集。 智能资源探测仪为4道,其单点探测模块可直接进行有关超前探测、顶煤厚度数据及桩体质量测试与实时结果分析。传感器为高阻尼传感器,要求测试频带较宽,分4道(接同一传感器)不同频带进行数据采集。实际探测中采用TZBS系列高频传感器,其中60、100Hz均能取得较好的效果。根据上面的理论分析,所采数据除了在仪器中直接解析外,后处理软件还可对各个单点探测波形记录直接拼接成时间剖面,在此基础上进行地质资料处理、对比和地质解释。一般要经过数据通讯、数据编录、预处理(零漂校正、数字滤波、时空切除、道归一化等)、相位识别同相轴判定,已知钻孔资料速度确定,最后进行厚度计算,并以数字与图形方式给出解析结果。 4、 应用实例 4.1 煤厚探测 煤层厚度及其富存规律决定着矿井储量的计算与规划,日常工作中必须掌握其厚度变化,但对于综放面顶煤厚度探测来说,常规物探方法很难进行有效的测试与分析,而单点自激自收探测能满足生产实际需要,克服了以往电煤钻钻探方式之不便,快速准确地获得顶部剩余煤厚及夹矸厚度数据。对于具有多层夹矸的复杂煤层结构,在各分层厚度计算时,由于层速度的差异可能给计算值带来一定的误差。顶煤厚度实测,往往选取相对完整点沿综采支架测取一条测线上的单点数据,进行时间剖面拼接,并依据已知一到两个探煤孔对比判定层位后,再进行单道数据解析。 图1为山东兴隆庄矿4326综采工作面顶煤厚单点探测拼接剖面,该面测试点为8个,采样间隔20μs,采样点数512,频带100-500hz,其中每点采样3-4次,选取稳定波形记录。图中各反射波组相位清晰可辨,煤层顶板特征明显。实线代表煤层顶板反射波组,需要说明的是,在96号点之后,波组特征相对较弱,实为煤层变薄区。根据92号点顶煤厚5.75m进行波速求取,获得v煤为1.0m/ms,从而利用该波速进行其它各点煤厚反演计算,获得顶煤厚度值。各点厚度及验证点电煤钻探测厚度值见表1所示,其整体解析误差小于5%,完全能满足生产需要。
 图1 兴隆庄矿顶煤厚测试时间剖面图
4.2 超前探测
巷道掘进前方的地质构造及其异常超前探测,是一项难度较高的技术。生产要求其探测值准确、及时、可靠,而实际探测条件受场地、时间、空间的限制,因此必须在探测方法技术上加以改进。采用单点反射技术,分频记录进行数据采集,依据波形相位特征判别前方构造形态和距离、幅值特征判别构造相对大小,来预报前方地质特征,具有极其重要的研究意义,通常在地震地质条件适宜时可取得满意的结果。数据采集时必须注重其现场布置及震源选择,力求多点采集,利于波形数据对比和反射相位位判识,一般参数选取时注意采样间隔较大,采样点数多为1024采样。数据处理时也应对各单点记录拼接,形成时间剖面,加以分析对比和判识。 图2为潘一矿11521工作面机巷超前探测波形及结果,单点测厚模块解析在37.45m处为一反射界面,掘进证实为某断层面。图3为山东东滩矿1302工作面运顺巷道掘进中某断面超前探测波形图,依据3煤速度2.8m/ms,单点模块解析在前方12.88m为一反射界面,实际揭露该断层为13m。表1探测结果验证。
 图2 11521面机巷切眼超前探测结果
 图3 东滩矿1302面运顺超前探测结果 表1探测结果验证
4.3 桩基测试 由于桩基础是一种隐蔽工程,其施工质量不仅受到地层、场地、气候等因素的影响,还取决于成桩工艺与施工管理水平,在成桩后必须进行必要的检测。桩基检测是单点探测最直接有效的一种测试方式,依据震波在桩体中传播速度可对单桩完整性进行评价以及长度求取,获得较为准确有效的测试结果。在桩头位置布设传感器和震源(小锤)点,当震源施加一个初始扰动时,桩体中的质点即产生波动,并以纵波的形式在桩体内传播,把桩体简化为一个均匀的一维杆状体,此时桩体中纵波的传播规律可用反射自激自收方式在时域或频域中解析。在时域内,利用波形图上各波组的相位和时间,判读初至和反射相位时间。根据v=2h/t 可求出桩体波速,该速度大小不仅反映出桩体砼的质量,也是桩身完整性评价的一个重要参数。单点测桩布置相对简单,但必须注意传感器的耦合问题。用锤击震源激发即可,要求测试频带要宽。 图4为化三建40#住宅楼1、2号桩体单点三分量测试波形及解析结果。采样间隔为20us,采样点512,频带为4kHz低通,传感器为主频100Hz高阻尼类型。从图中结果可以看出,2号桩在1.68m处有一反射界面,此为缺陷处,桩底反射较清晰,桩长分别为11和10m。
 图4 化三建40#楼1、2号桩测试结果
5、 结束语
单点探测技术因为测试方法简便快捷,解析简单、直观等优点,在矿井地质、工程地质以及环境地质调查中具有较好的应用前景。但对于不同的测试环境,应该注意其探测布置及数据解析处理的方法技术利用,同时还必须注意以下几点内容:
1)单点探测采集布置要求方便适用,传感器要于测试介质充分耦合,尽量做到多分量、多频段、多点数据采集,并进行多波剖面式数据分析对比与处理。 2)目的层震波速度是距离或厚度计算之关键,在进行多层介质分析时,应注意各层层速度的选取。对不同测试区域,应建立不同介质条件下的波速特征值。 3)巷道或隧道掘进超前预报是单点探测研究的重点,在大量数据采集与处理基础上,应注重探采数据的对比总结,分析其规律,综合煤、岩体复合波速特征。同时应加强面波技术数据的测试、解析与对比,多手段综合测试,提高解析和预测准确度。 4)顶煤厚探测应以分辨不同厚度夹矸为主导研究方向,由波动理论可知,震波探测的最小分辨厚度 ,即h与频率f成反比,因此,要分辨厚度较小的夹矸层,必须提高震波信号的频率。 5)加强对数据资料的综合处理和利用,不断研制开发新的可视化地质解析软件,增强立体化解释效果,从而获得更加直观可靠的探测成果。
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添加日期:2013-11-13
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