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地下工程震波技术与应用
刘盛东，吴 军，张平松
(淮南工业学院资环系，淮南)
摘 要：激发的震波在工程岩土体中传播，检测其波动力学参数，来测试岩土体的工程力学性质。原位震波波速测试技术可以对井巷的岩体模量、支护选型、围岩性质进行检测;利用地震勘探、面波勘探方法可以对矿层厚度、超前探测等方面进行有效检测;震波CT、导波勘探等探测方法对于采面内的地质异常探测有较好的针对性：通过声发射检测技术可以解决地下工程安全问题。实际应用说明，震波探测技术从地下工程的开拓掘进、采场形成到采后管理等过程中有着广泛的应用前景。一些技术已作为地下工程中的日常工作加以应用，但进一步的生产应用还需深入研究。 关键词：地下工程;震波;地震勘探;层析成像;面波勘探;导波勘探
震波技术是运用弹性波原理，对锤击、爆炸、声发射等激震产生的波场进行工程检测与勘探。激发的震波在被测介质中传播时，当震波接收器接收震波的到时与幅频等波场信息，就能够依据一定的物理和数学关系反演介质的工程特性物理量。因此震波技术包括了岩土弹性波测试、声波检测、浅层地震勘探、面波勘探、导波勘探等内容。使用震波技术来归纳这些概念，是因为这些技术方法都是采用相同的波场传播理论与波动力学理论，在数据采集与处理上也基本相同。笔者根据十多年来从事煤矿震波技术的实践与经验，在此对震波技术在地下工程中的应用作一概略的论述。
1 围岩原位物理力学性质的震波检测
井巷工程围岩的物理力学参数的测试仅采用试块的静力学实验是不能全面反映围岩的工程力学特性的，通过动、静对比探测实验，在地下进行快速原位波速调查，反映围岩的原位强度和变形模量并将其作为围岩开挖、支护选型等定量指标，这不仅满足了工程的需要而且为工程管理与施工提供了保证。
现场测试采用便携式声波仪或地震仪，多道、多分量接收，锤击震源。解析时正确判读纵、横波到时tp、ts，由动弹模计算公式求出围岩的动弹性模量和强度。关键技术在于对纵、横波的认识，一般来讲纵波有频率高、幅值小并且总为首波的特征，横波表现为频率低、幅值大的特征。图1为在浮煤上做的动弹模测试记录。
图1 震波法测试动弹模 2 围岩松动圈探测
峒室围岩松动圈的形态、大小，直接与支护选型有关，震波探测松动圈可采用多种方法进行。较经济快速的方法是使用单孔波速检层技术，该技术在所须探测的断面上，按照松动圈发育的一般规律，用井下小孔径电钻打出数个浅孔，孔深与岩性、峒室断面大小、掘进方式有关，要求孔深以穿过松动厚度0.5 m为宜。在每个孔中使用贴壁式声波检波器，在孔边用小锤激发高频震波，逐点进行激发、接受，当声波在松动层中传播时，表现为速度低、频率低的特征，解析时将每孔的声波测试波形按由浅到深的顺序排列起来，判读首波到时(有条件时，可判读纵、横波到时)，并利用波速V=△h/△t(△h为深度差，△t为到时差)，求出各判层的声波波速，从断面各个孔的波速分布上定出松动圈。对于要求严格的峒室工程可采用跨孔震波CT的技术进行检测，在相邻的孔中进行激发接收。峒室围岩松动圈的震波检测如图2所示。
图2 震波法检测围岩松动范围
(a)震波松动检测图像 (b)震波双孔检测布置
3 锚喷支护检测 锚喷支护在地下工程中，以其快捷、经济、安全等诸多优点在井巷支护中被广泛采用。对于其工程效果的检测也显的特别重要，传统的检测技术如拉拔实验等不仅有损于工程质量而且也不能适应工程进度的要求。震波技术可以检测锚杆的耦合状态与锚固力。该方法是在锚杆的出露端，安置震波自激自收系统，在锚杆的出露端激发的高频震波，震波向杆体内传播，锚杆体与围岩的耦合程度，将反映在反射震波的幅频特性上，耦合状态与锚固力的大小成正比。将激发震波与反射震波全部波列接收下来，采用波形分析中的频谱分析、相关分析、瞬时分析、小波分析、阻尼分析等技术[1]，就可定量确定锚杆与围岩的耦合状态。若激发震波与反射震波的幅值比为A，将A进行对比实验标定，就可评价锚杆的锚固力。A值反映反射信号的强弱，当反射信号弱时，说明锚固端耦合条件好则锚固力大。锚喷支护利用震波技术检测可以进行大面积普查、快速、无损的效果。图3为一端固式锚杆的震波检测分析。
图3 锚杆震波检测 4 矿层厚度检测 采用震波折射、反射法探测煤层厚度。由于其在煤系地层中属于低速、低密度介质，煤层顶、底板一般为砂泥岩组成，它们相对于煤层而言属于高速、高密度介质，按照波阻抗理论，当震波垂直反射系数为K时，当K≠0该介面为反射界而，一般0＜k＜1，当k愈大则反射界面愈明显，实际上在煤层中k普遍大于0.6；而且，煤层与底（顶）板之间的界面是典型的折射界面。图4为煤厚震波折射探测剖面。
图4 震波折射法煤厚探测
向上探测顶煤厚度，由于受到场地限制使得折射、反射波法很难实施，必须考虑作用空间小、数据采集方便的方法来进行探测。单点的自激自收法和瞬态面波勘探方法是具有针对性的。现场探测结果表明，在震波地质条件较好的矿区进行单点的自激自收法顶煤厚探测，是一值得推广的技术，其作用空间只须几平方厘米;瞬态面波勘探方法其作用空间在0.5～2.0m范围，由于顶煤裂隙发育，面波的相干性变差，只能使用更低的频率，从而影响了面波探测的分辨率。
5 巷头超前探测
巷道掘进前方的地质构造、地质灾害等隐伏地质异常的超前探测，是一项高难度的技术。地下工程要求超前探测准确、可靠，而探测条件受场地、时间、环境的限制。因此，利用震波检测技术进行超前探测研究是一个重要方向。在震波地质条件适宜的地下，震波超前探测效果明显。
(1)利用震波反射直接探测前方地质异常可以应用在以下方面：①、穿层巷道中探测强波阻抗差异界面，如在石门中探测前方含水灰岩、煤层、岩墙等的界面。②、顺层巷道中探测强波阻抗差异界面，如在煤巷中探测前方断层、断点、构造破碎带、火成岩侵入体等的位置。现场探测采用在迎头断面和巷道中采用多道、多分量接收，利用多波全震相分析进行解析。
(2)利用瑞利波小范围超前探测前方地质异常。在迎头断面上布置面波数据采集系统，进行频散分析，在频散图上确定前方异常体。该方法目前探测的距离一般在50m以内。图5表示了在巷道迎头用面波超前探测的频散曲线。
图5 面波超前探测 (3)利用双巷超前探测。在两条平行掘进的巷道中，一条巷道中布置排列接收，另一条巷道中进行激发，采用VSP技术进行资料处理与分析。 6 地下采面震波探测
矿山采面形成后，在采面圈闭巷道中，可采用震波CT、震波制导技术对采面内影响开采的地质因素进行详细探测，以保证采面的安全、高效回采。在高产高效煤矿综采工作面中，面内隐伏断层、应力变化带、瓦斯富集区、顶板变异区等是高产高效的主要威胁因素，在这些因素的探测中应用震波检测技术已取得明显效果。
(1)震波CT探测技术可采用双巷观测系统，对采面进行震波透射CT成像。CT成像有以到时为讨计算依据的速度(或慢度)成像和以幅值能量为计算依据的衰减成像[2]，由于震波幅值能量受激发方式、激发能量、传感器参数、耦合方式等诸多因素的影响，在实际应用中速度成像要比衰减成像容易处理和解释。在速度成像图上可以清晰反映速度的高低变化，从而方便地解释地质构造、应力集中、顶板管理等影响回采因素。
(2)震波制导勘探实际上就是利用煤层对震波的低速制导原理对采面内的构造进行探测的。囚此也称为导波勘探或槽波勘探。导波勘探对于煤层的连续性如断层、陷落柱等的检测更为有效，解析时将煤层制导波进行定量分类，通过一定的逻辑演算就可达到探测目的。实际工作时可将震波CT与导波勘探结合在一起，对采面内影响开采的地质因素进行探测。
(3)声发射震波监测技术，可以预报顶板稳定性以及煤和瓦斯突出的危险性。在采面及其临近巷道中布置宽频震波检波器并形成局域网络，采用内触发、负延时的多道高精度采集器，实时监测来自围岩、煤层中的声发射信号并实时进行事件统计、绕射模拟、震源定位等方面的分析和综合参数经验判别分析，及时发出警报。该方法还可用于岩爆、冲击地压、顶板周期来压等相关采矿灾害的预警、预报[1]。
7 围岩破坏探测
矿层开采后，必将引起围岩的破坏。在煤矿中表现为煤层开采后在煤层顶、底中裂隙的发育程度与深度，这些参数是煤矿合理留设防水煤岩柱的关键指标。长期以来，测定围岩裂高的方法主要采用钻孔注、压水法。该法虽然直观，但是成本高，数据少。由于震波波速对于裂隙的反映灵敏，采用震波探测技术探测围岩破坏有明显的优势。
在条件允许的矿井，可采用地面、井下震波透射CT技术进行煤层采后的顶、底板破坏探测，通过对于相同位置的多次重复探测，可直接对整个裂隙的发生、发展过程进行研究。图6为在淮南孔集煤矿做的震波CT探测裂高图像。
矿井井下采用震波检层技术探测围岩破坏规律。在探测部位施工一穿过破坏带的钻孔，在孔中预埋震波传感器，在巷道中固定震波激发点，进行波速检层后，划定裂隙发育范围。
图6 震波TC探测围岩破坏 结 论
在地下工程中，井、巷的岩土工程性质、矿层特征、构造形态、围岩裂隙状态等是确定地下工程性质的关键因素，无论是在隧道、煤矿、金属矿山等部门，都可使用地下工程震波技术进行解决。震波技术的意义在于通过对物体的动力学参数的非破损性测量，检测波动现象在工程体内的传播规律如震波到时、波速、幅值、频率等参数，利用波动理论反演介质的界面、结构、构造、强度等指标，快速、准确获得岩土工程物性分布。随着现代数字检测与处理技术的发展，震波技术在地下工程界的应用越来越广泛和深入。特别在矿业工程行业中的井筒、巷道、采场布置与回采工艺、覆岩破坏等，必须进行大量重复性的检测和监测进行预测、预报工作。开展地下工程震波检测系统技术与方法的研究与开发，是地下工程领域的必然方向。 参考文献：
[1]刘盛东,吴军.反射波数字处理技术在基桩无损检测中的应用[J]。煤田地质与勘探,1997.
[2]刘盛东,李承华.地震走时层析成像算法与比较[J].中国矿业大学学报,2000.
[3]秦四清,李造鼎,张倬元,等.岩石声发射技术概论[M].成都：西南交通大学出版社,1993.
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| 添加日期：2013-11-13
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