矿井物探-8(瑞雷波地震勘探).ppt

第8章 瑞雷波地震勘探 第8章 瑞雷波地震勘探 瑞雷波勘探方法是一种以瑞雷面波作为有效波，在几十米深瑞雷波勘探方法是一种以瑞雷面波作为有效波，在几十米深 度范围内探查地质体的一种物探方法。作为地震勘探中的一个分度范围内探查地质体的一种物探方法。作为地震勘探中的一个分 支，瑞雷波勘探是自支，瑞雷波勘探是自2020世纪世纪8080年代发展起来的一种新的浅层勘探年代发展起来的一种新的浅层勘探 手段。它是基于不同振动频率的瑞雷波沿深度方向衰减的差异，手段。它是基于不同振动频率的瑞雷波沿深度方向衰减的差异， 通过测量不同频率成分通过测量不同频率成分( (反映不同深度反映不同深度) )瑞雷波的传播速度，来探瑞雷波的传播速度，来探 测不同深度岩、矿层及其中的构造、洞穴等地质体测不同深度岩、矿层及其中的构造、洞穴等地质体( (如不同深度如不同深度 煤层及围岩内的断层、空洞、老窑、岩溶等煤层及围岩内的断层、空洞、老窑、岩溶等) )的。由于各种岩、的。由于各种岩、 矿层及地质体的密度和弹性参数不同，致使瑞雷波的传播速度有矿层及地质体的密度和弹性参数不同，致使瑞雷波的传播速度有 明显差别，因而可以利用瑞雷波的传播速度作为区分地质体的重明显差别，因而可以利用瑞雷波的传播速度作为区分地质体的重 要标志。要标志。 第8章 瑞雷波地震勘探 第第8 8章章 瑞雷波地震勘探瑞雷波地震勘探 18871887年，年，RayleighRayleigh首先发现了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波首先发现了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波 在弹性半空间介质中的传播特性。在弹性半空间介质中的传播特性。2020世纪世纪5050年代初人们又发现了年代初人们又发现了 瑞雷波的频散特性，随之开始了利用天然地震记录中的瑞雷波探瑞雷波的频散特性，随之开始了利用天然地震记录中的瑞雷波探 测地球内部结构的研究。测地球内部结构的研究。 我国瑞雷面波法工程勘探的研究始于我国瑞雷面波法工程勘探的研究始于2020世纪世纪8080年代中期，年代中期， 19871987年，铁路系统首先引进年，铁路系统首先引进GR-810GR-810型面波勘探仅用以解决铁路和型面波勘探仅用以解决铁路和 公路路基的勘探问题。公路路基的勘探问题。 矿井构造探测方面，煤科总院西安分院于矿井构造探测方面，煤科总院西安分院于19881988年引进了年引进了GR-GR- 8l08l0型仪器，并于引进前后在地面和煤矿井下开展了大量的探测试型仪器，并于引进前后在地面和煤矿井下开展了大量的探测试 验，取得了较好的地质效果。验，取得了较好的地质效果。 第8章 瑞雷波地震勘探 第8章 瑞雷波地震勘探 近年来，瑞雷波勘探已在矿井和地面工程中被广泛近年来，瑞雷波勘探已在矿井和地面工程中被广泛 的应用，取得了一些可喜的成果。对于矿井瑞雷波勘探的应用，取得了一些可喜的成果。对于矿井瑞雷波勘探 技术，它具有一定的优点：技术，它具有一定的优点： 1 1）这是一种真正从地面开始几十米深范围内）这是一种真正从地面开始几十米深范围内( (煤矿煤矿 井下从探测面往前几十米深井下从探测面往前几十米深) )的浅层弹性波无损探测方的浅层弹性波无损探测方 法，既可用于分层探测，又可用于构造探测；法，既可用于分层探测，又可用于构造探测； 2 2）施工面积小，移动方便，适于在煤矿井下）施工面积小，移动方便，适于在煤矿井下( (包括包括 独头巷道独头巷道) )的探明使用；的探明使用； 3 3）既可进行垂直方向的探测，又可进行水平方向）既可进行垂直方向的探测，又可进行水平方向 的探测的探测( (加工作面前方的超前探测加工作面前方的超前探测) )； 第8章 瑞雷波地震勘探 第8章 瑞雷波地震勘探 4 4）抗干扰能力强，不受井下各种交流电场的干扰；）抗干扰能力强，不受井下各种交流电场的干扰； 5 5）只要介质有波速差异）只要介质有波速差异( (不小于不小于10 %) 10 %) 就可以精确就可以精确 进行分辨，探测精度比较高，勘探的深度误差一般在进行分辨，探测精度比较高，勘探的深度误差一般在5%5% 以内。以内。 6 6）在高泊松比介质中，面波波速接近于横波波速，）在高泊松比介质中，面波波速接近于横波波速， 并具有相关性，即面波波速与介质的物理力学性质密切并具有相关性，即面波波速与介质的物理力学性质密切 相关。相关。 第8章 瑞雷波地震勘探 8.1.1 瑞雷波的传播 8.1 瑞雷波的性质 瑞雷波传播、衰减与质点运动 (a)瑞雷波在半无限的固体介质 中，波动的垂直剖面，它随深度的 增加而逐渐消失； (b)预测的地表质点运动轨迹； (c)实际记录的运动轨迹； (d)小药量激发，用埋置的检波 器接收到的瑞雷波。运动轨迹在浅 部是逆滚式，大约在4m左右，变 为前推式。 第8章 瑞雷波地震勘探 8.1 瑞雷波的性质 沿自由界面传播的这种瑞雷面波具有以下特征： 1）它具有一个沿表面传播的与频率无关的速度，这一速度比介质体波 中的横波速度略小。 2）表面上质点的运动轨迹不是线性的而是椭圆形的(它是由纵波P和横 波S波沿自由界面传播相互叠加而形成)。 3）这种波的振幅随距界面深度的加大而呈指数下降。 以上是指在均匀、各向同性介质表面的情况。在实际观测中，各种 岩石都是成层的非均匀介质。在这样的介质表面，所观测到的瑞雷面 波将是频散的；也就是说，瑞雷波的速度将与频率有关，是频率的函 数。这样，在成层的非均匀介质的自由表面，所观测到的瑞雷波应是 频散的，质点运动呈椭圆形的，其振幅随界面深度加大而呈指数下降 的一种面波。 8.1.2 瑞雷波的特征 第8章 瑞雷波地震勘探 8.1.3 瑞雷波的转播速度 8.1 瑞雷波的性质 瑞雷波的传播与介质的密度和弹性性质密切相关。瑞雷波在介质瑞雷波的传播与介质的密度和弹性性质密切相关。瑞雷波在介质 中的传播速度中的传播速度V V R R 和纵波、横波速度和纵波、横波速度VpVp，VsVs一样，是由介质的弹性常一样，是由介质的弹性常 数数( (杨氏模量、泊松比等杨氏模量、泊松比等) )决定的。决定的。 瑞雷波的速度始终小于瑞雷波的速度始终小于S S波的进度波的进度，但随着泊松比接近，但随着泊松比接近0.50.5，横波，横波 和瑞雷波的速度将趋于同一数值。和瑞雷波的速度将趋于同一数值。 我们知道，不同岩层的泊松比是不同的。比如，对于土层，为我们知道，不同岩层的泊松比是不同的。比如，对于土层，为 0.450.450.490.49左右，而对于岩石，则为左右，而对于岩石，则为0.250.25左右。也就是说，对于土层左右。也就是说，对于土层 ，瑞雷波的速度几乎与横波相等；对于岩石，瑞雷波的速度将为，瑞雷波的速度几乎与横波相等；对于岩石，瑞雷波的速度将为 0.9l94Vs0.9l94Vs。 总之，瑞雷波在土和岩石中的传播速度接近横波的速度总之，瑞雷波在土和岩石中的传播速度接近横波的速度VsVs，而，而VsVs 往往是工程地基勘察中重要的参数。往往是工程地基勘察中重要的参数。 第8章 瑞雷波地震勘探 8.1.4 瑞雷波振幅随深度的衰减 8.1 瑞雷波的性质 瑞雷波的振幅随瑞雷波的振幅随 深度不是均匀分布的深度不是均匀分布的 ，而是呈指数衰减，而是呈指数衰减， 其主要能量集中在一其主要能量集中在一 个波长的深度范围。个波长的深度范围。 对于不同弹性常量的对于不同弹性常量的 介质，瑞雷波的衰减介质，瑞雷波的衰减 具有相同的总体趋势具有相同的总体趋势 ，而衰减的速率略有，而衰减的速率略有 差异。差异。 第8章 瑞雷波地震勘探 8.1.5 瑞雷波的频散 8.1 瑞雷波的性质 在均匀半无限弹性介质中， 瑞雷波速度VR是一个只与 介质弹性常量有关而与频率 无关的参数。也就是说，在 均匀半无限弹性介质情况下 瑞雷波不存在频散。但是， 自然界的岩层都是成层的非 均匀介质，在这样的介质中 ，瑞雷波的传播速度将与频 率密切相关，不同频率成分 ，具有不同的瑞雷波相速度 ，即瑞雷波存在频散。 第8章 瑞雷波地震勘探 8.2 瑞雷波勘探的基本原理 瑞雷波勘探方法的实质瑞雷波勘探方法的实质：根据不同振动频率的瑞雷波沿深根据不同振动频率的瑞雷波沿深 度方向衰减的差异，通过测量不同频率成分度方向衰减的差异，通过测量不同频率成分( (反映不同深度反映不同深度) )瑞瑞 雷波的传播速度来探测不同深度煤、岩层及其中的断层、空洞雷波的传播速度来探测不同深度煤、岩层及其中的断层、空洞 、老窑、岩溶等地质异常体。、老窑、岩溶等地质异常体。 它的物理前提是基于煤层和顶、底板岩层及其它地质异常它的物理前提是基于煤层和顶、底板岩层及其它地质异常 体的密度和弹性常量等物理参数的不同而导致瑞雷波传播速度体的密度和弹性常量等物理参数的不同而导致瑞雷波传播速度 的差别。特别是岩溶、裂隙和空洞等，因它们不具备瑞雷波传的差别。特别是岩溶、裂隙和空洞等，因它们不具备瑞雷波传 播的条件，当瑞雷波传播到这些位置时会突然消失，因而可以播的条件，当瑞雷波传播到这些位置时会突然消失，因而可以 比较容易地识别这些地质异常。比较容易地识别这些地质异常。 瑞雷波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此瑞雷波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此 ，同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地质条件在水平方向的，同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地质条件在水平方向的 变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性反映着不同深度的地变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性反映着不同深度的地 质情况。质情况。 第8章 瑞雷波地震勘探 8.2.1 瞬态瑞雷波法 8.2 瑞雷波勘探的基本原理 瞬态瑞雷面波法布置示意图 第8章 瑞雷波地震勘探 瑞利波探测仪 8.2 瑞雷波勘探的基本原理 第8章 瑞雷波地震勘探 8.2.2 频散曲线 8.2 瑞雷波勘探的基本原理 瑞雷波记录VRH曲线 瑞雷波波速分层图 第8章 瑞雷波地震勘探 8.3.1 地层界面异常特征 8.3 瑞雷波勘探的应用 实测 “之”字型 曲线 实测 “之”字型 曲线 实测 “之”字型 曲线 实测 “之”字型 曲线 实测“之”字型VRH曲线 第8章 瑞雷波地震勘探 8.3.2 洞穴界面的异常特征 8.3 瑞雷波勘探的应用 洞穴曲线的中断 第8章 瑞雷波地震勘探 8.3.2 洞穴界面的异常特征 8.3 瑞雷波勘探的应用 洞穴曲线的错断 第8章 瑞雷波地震勘探 8.3.2 洞穴界面的异常特征 8.3 瑞雷波勘探的应用 洞穴周围的曲线 第8章 瑞雷波地震勘探 8.3.3 矿井探测应用 8.3 瑞雷波勘探的应用 用途：用途： 煤巷掘进工作面前方小构造超前探测。如断层、裂煤巷掘进工作面前方小构造超前探测。如断层、裂 隙带、煤层变薄等。隙带、煤层变薄等。 揭石门安全厚度检测揭石门安全厚度检测 含水、含瓦斯构造安全厚度检测含水、含瓦斯构造安全厚度检测 下组煤深度、厚度变化下组煤深度、厚度变化 巷道底板隔水层厚度巷道底板隔水层厚度 巷道侧翼断层跟踪巷道侧翼断层跟踪 巷道侧翼隐伏构造的超前探测巷道侧翼隐伏构造的超前探测 工作面内隐伏构造、煤层不连续地质体的探测工作面内隐伏构造、煤层不连续地质体的探测 第8章 瑞雷波地震勘探 8