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12分，星期六第8章 瑞雷波地震勘探 1887年，Rayleigh首先發現了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質中的傳播特性。20世紀50年代初人們又發現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地球內部結構的研究。 我國瑞雷面波法工程勘探的研究始于20世紀80年代中期，1987年，鐵路系統首先引進GR-810型面波勘探僅用以解決鐵路和公路路基的勘探問題。 礦井構造探測方面，煤科總院西安分院于1988年引進了GR-8l0型儀器，并于引進前后在地面和煤礦井下開展了大量的探測試驗，取得了較好的地質效果

2、。 第2頁，共20頁，2022年，5月20日，1點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用，取得了一些可喜的成果。對于礦井瑞雷波勘探技術，它具有一定的優點： 1）這是一種真正從地面開始幾十米深范圍內(煤礦井下從探測面往前幾十米深)的淺層彈性波無損探測方法，既可用于分層探測，又可用于構造探測； 2）施工面積小，移動方便，適于在煤礦井下(包括獨頭巷道)的探明使用； 3）既可進行垂直方向的探測，又可進行水平方向的探測(加工作面前方的超前探測)；第3頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六第8章 瑞雷波地震勘探 4）抗干擾能力強，不受井下

3、各種交流電場的干擾； 5）只要介質有波速差異(不小于10 %) 就可以精確進行分辨，探測精度比較高，勘探的深度誤差一般在5%以內。 6）在高泊松比介質中，面波波速接近于橫波波速，并具有相關性，即面波波速與介質的物理力學性質密切相關。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.1.1 瑞雷波的傳播 8.1 瑞雷波的性質瑞雷波傳播、衰減與質點運動 (a)瑞雷波在半無限的固體介質中，波動的垂直剖面，它隨深度的增加而逐漸消失； (b)預測的地表質點運動軌跡； (c)實際記錄的運動軌跡； (d)小藥量激發，用埋置的檢波器接收到的瑞雷波。運動軌跡在淺部是逆滾式，大約在4m左右，變為前推

4、式。第5頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.1 瑞雷波的性質沿自由界面傳播的這種瑞雷面波具有以下特征：1）它具有一個沿表面傳播的與頻率無關的速度，這一速度比介質體波中的橫波速度略小。2）表面上質點的運動軌跡不是線性的而是橢圓形的(它是由縱波P和橫波S波沿自由界面傳播相互疊加而形成)。3）這種波的振幅隨距界面深度的加大而呈指數下降。 以上是指在均勻、各向同性介質表面的情況。在實際觀測中，各種巖石都是成層的非均勻介質。在這樣的介質表面，所觀測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，是頻率的函數。這樣，在成層的非均勻介質的自由表面，所觀測到的瑞雷波應是頻散

5、的，質點運動呈橢圓形的，其振幅隨界面深度加大而呈指數下降的一種面波。8.1.2 瑞雷波的特征 第6頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.1.3 瑞雷波的轉播速度 8.1 瑞雷波的性質 瑞雷波的傳播與介質的密度和彈性性質密切相關。瑞雷波在介質中的傳播速度VR和縱波、橫波速度Vp，Vs一樣，是由介質的彈性常數(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值。 我們知道，不同巖層的泊松比是不同的。比如，對于土層，為0.450.49左右，而對于巖石，則為0.25左右。也就是說，對于土層，瑞雷波的速度幾乎與橫波

6、相等；對于巖石，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。 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，1點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 瑞雷波的振幅隨深度不是均勻分布的，而是呈指數衰減，其主要能量集中在一個波長的深度范圍。對于不同彈性常量的介質，瑞雷波的衰減具有相同的總體趨勢，而衰減的速率略有差異。 第8頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.1.5 瑞雷波的頻散 8.1 瑞雷波的性質在均勻半無限彈性介質中，瑞雷波速度VR是一個只與介質彈性常量有關

7、而與頻率無關的參數。也就是說，在均勻半無限彈性介質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，在這樣的介質中，瑞雷波的傳播速度將與頻率密切相關，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質：根據不同振動頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分(反映不同深度)瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤、巖層及其中的斷層、空洞、老窯、巖溶等地質異常體。 它的物理前提是基于煤層和頂、底板巖層及其它地質異常體的密度和彈性常量等物理參數的不同而導致瑞雷波傳播速

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，當瑞雷波傳播到這些位置時會突然消失，因而可以比較容易地識別這些地質異常。 瑞雷波沿地面表層傳播，表層的厚度約為一個波長，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了地質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情況。 第10頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.2.1 瞬態瑞雷波法 8.2 瑞雷波勘探的基本原理瞬態瑞雷面波法布置示意圖 第11頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六瑞利波探測儀 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 瑞雷波勘探的應用實測“之”字型曲線 實測“之”字型曲線 實測“之”字型曲線 實測“之”字型曲線 實測“之”字型VRH曲線 第14頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.3.2 洞穴界面的異常特征 8.3 瑞雷波勘探的應用洞穴曲線的中斷第15頁，共20頁，2022年，5月20日，1點12分，星期六8.3.2 洞穴界面的異常特征 8.3 瑞雷波勘探的應用洞穴曲線的錯斷第16頁

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