（岩土工程专业论文）本溪市东山煤矿采空区的瑞雷波勘察方法应用.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h e a p p l i c a t i o n o f r a y l e i g h w a v e i n v e s t i g a t i o n i nb e n x i d o n g s h a n ，s m i n e d o u ta r e a s b yd i n gh a ip e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h ac h e n g m a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 此 恧。 学位论文作者签名：j 霹日嘭 日期：渺罗衫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ， l作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年d一年半口 学位论文作者签名：3 肖鸭 签字日期：矽口罗巧 两年口 导师签名：涉恸 签字日期抄矿，7 ，乒 一 、 - 4 - ， 东北大学硕士学位论文摘要 本溪市东山煤矿采空区的瑞雷波勘察方法应用 摘要 根据国内外工程物探技术的发展，利用瑞雷面波物探技术解决煤矿采空区的勘探问 题是发展趋势。瑞雷面波勘探是近年来兴起的一种新的浅层地震勘探方法，由于该方法 具有操作简便，探测速度快，对检测场地要求不高，且能一次获得与深度相关的地层瑞 雷面波速度参数特点，因而在工程地质勘察和工程质量检测领域得到了广泛的应用。 在煤矿开采后，地下会留下采空区，采空区的垮塌会造成地面下沉、裂缝，毁坏耕 地、建筑物等设施，破坏生态环境。地下采空区是工程建设的一大隐患，对其进行高效、 准确勘察是很重要的工作。本文以本溪市东山小学旧址采空区为研究对象，利用 s e 2 4 0 4 e p 工程地震仪并采用了瑞雷面波勘探方法( 瞬态法) 对该地区进行了勘察。并 对勘察资料进行了详细的整理分析与研究。首先在瑞雷波理论分析和前人工作的基础 上，推导了多层介质中瑞雷波的频散方程，根据工程的实际地质情况，对两层介质模型 进行了正演模拟，分析了瑞雷波的频散特性，对采空区的地震波特征进行了分析，研究 总结地震数据采集工作方法，在对资料数据进行处理时，采用了f o u r i e r 变换、数字滤 波、小波分析和相关性分析等。根据采空区的地球物理特征，研究了采空区对瑞雷面波 速度及频散曲线的影响，归纳采空区处频散曲线的变化特征。并进行了地质解释，确定 了频散曲线的不协调处为疑似采空区的位置。最后，通过疑似采空区进行了工程验证。 证明了采空区的存在。说明该方法在浅层煤矿采空区探测中的实用性和有效性，具有较 好的应用效果和发展前景。 本文研究得出的结论，探明了煤矿采空区，为消除工程安全隐患，提供了有力的技 术支撑。 关键词：采空区：瑞雷波；正演模拟；频散曲线；f o u r i e r 变换；数字滤波；小波 k 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fr a y l e i g hw a v ei n v e s t i g a t i o ni nb e n x i d o n g s h a n sm i n e d o u ta r e a s a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f d o m e s t i ca n da b r o a dg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n r a y l e i g h w a v ee x p l o r a t i o nm e t h o di nt h em i n e d - o f ta r e a si st h ed e v e l o p m e n tt r e n d r a y l e i g hw a v e e x p l o r a t i o ni san e ws e i s m i ce x p l o r a t i o nm e t h o df o rl o wl a y e ri nr e c e n ty e a r s i th a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ed o m a i n so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le x p l o r a t i o na n de n g i n e e r i n gq u a l i t y t e s t i n g , s i n c ei ti se a s ya n dq u i c kt oo p e r a t ew i t h l e s sl i m i to ft h eo p e r m i n gs i t ea n dd i r e c t l y g e ts u r f a o gw a v ev e l o c i t yp a r a m e t e r sr e g a r d i n gt h ed e p t ho ft h es t r a t a a f t e rt h ec o a lm i n i n g , t h ee x p l o i t a t i o no fc o a ls e a mm a k e sm o r em i n e d o u ta r e a s ，t h e c o l l a p s eo fw h i c hw i l lm a k et h eg r o u n ds i n ka n ds p l i t ，d e v a s t a t et h ei n f i e l da n db u i l d i n g s ，a n d d e s t r o yt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t s i nt h i sp a p e r , b e n x id o n g s h a ne l e m e n t a r ys c h o o l f o r m e rs i t ew o r k e d - o u ts e c t i o na so b j e c to fs t u d y t h eu s i n go fs e 2 4 0 4 e ps e i s m i ca n du s i n go f r a y l e i g hw a v ee x p l o r a t i o nm e t h o d s ( t r a n s i e n ts t a t ew a y ) s u r v e yc o n d u c t e di nt h ea r e a a n di c a r r i e do u tt h ed e t m l e dr e o r g a n i z a t i o na n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ht ot h em a t e r i a l a tt h eb a s eo f t h et h e o r i e sa n a l y s i sa tt h er a y l e i g hw a v ea n dt h ew o r kw i t hp e o p l eo ft h ep a s t , t od e d u c tt h e r a y l e i g hw a v eo fm u l t i - m e d i ad i s p e r s i o ne q u a t i o n a c c o r d i n gt ot h e a c t u a lg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，t h et w o - m e d i am o d e lf o rt h em e d i u mf o r w a r dm o d e l i n g w ea n a l y z et h e f r e q u e n c yd i s p e r s i o no fr a y l e i g hw a v e w ea n a l y s i st h es e i s m i cw a v e si nt h em i n e d o u ta r e a s ， a n da g g r e g a t em e t h o do fs e i s m i cd a t ap i c k e du p w ea d o p tf o u r i e rt r a n s f o r m ，d i g i t a lf i l t e ra n d w a v e l e t a n dr e l e v a n c ea n a l y s i st op r o c e s sd a t a a c c o r d i n gt ot h eg e o p h y s i c a lf e a t u r eo ft h e m i n e d - o u ta r e a s ，h o wt h em i n e d - o u ta r e a sa f f e c tt h er a y l e i g hw a v ed i s p e r s i o nc u r v e sw e r e a n a l y z e d ，a n dh o wt h ef e a t u r eo ft h ed i s p e r s i o nc u r v e sv a r yw i mt h em i n e d - o u ta r e a sw e r e a l s od i s c u s s e d t h e nic a r r i e do nt h eg e o l o g i ci n t e r p r e t a t i o na n di d e n t i f yt h es u s p e c t e d l o c a t i o no ft h em i n e d - o u ta r e a a tl a s t , s u s p e 斌e dm i n e d - o u ta r e ai st h ep r o o f i tp r o v e dt h e e x i s t e n c eo fm i n e d o u ta r e a t h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i sm e t h o du s e df o rt h e s h a l l o wc o r em i n e d - o u ta r e a sw a sp r e s e n t e d s ot h em e t h o dh a st h eb e r e ta p p l ye f f e c ta n d d e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hp r o v i d eap o w e r f u lt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rp r o s p e c t i n gt h e m i n e d o u ta r e a sa n dr e d u c i n gt h eh i d d e ns a f e t yh a z a r d s k e yw o r d s ：m i n e d - o u ta r e a s ；r a y l e i g hw a v e ；f o r w a r dm o d e l i n g ；d i s p e r s i v ec u r v e ； f o u r i e rt r a n s f o r m ；d i g i t a lf i l t e r ；w a v e l e t l n r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究现状及发展概况l 1 1 1 国内外现状1 1 1 2 瑞雷波法的特点及发展方向3 1 2 研究目的和意义3 1 3 研究内容与拟解决的关键问题4 1 3 1 研究内容4 1 3 2 拟解决的关键问题4 1 4 瑞雷面波研究应用中存在的问题4 第二章采空区瑞雷波勘察方法7 2 1 瑞雷波的形成7 2 2 瑞雷波的传播及特点9 2 3 瑞雷波的频散特性1 l 2 4 采空区的瑞雷波频散曲线1 3 2 5 勘察区概况1 4 2 5 1 仪器选择15 2 5 2 测线布置1 6 2 6 采空区的地质条件1 9 2 6 1 工程地质条件l9 2 6 2 水平采空区的地质特点2 0 2 6 3 倾斜采空区的地质特点2 l 第三章采空区瑞雷波勘察与正反演算法2 3 3 1 工程勘探方法2 3 3 2 正演分析2 6 3 2 1 层状半空间中的瑞雷波：2 7 一l v - 目 录 31 比的关系3 3 3 5 3 7 3 7 3 7 ：z 1 1 1 1 z 1 1 z l l z l ：! 4 5 4 5 4 8 4 3 3 傅立叶反变换5l 4 4 小波分析5 1 4 5 相关分析5 4 4 5 1 相关系数与相关函数5 4 4 5 2 自相关和互相关5 4 4 5 3 功率谱5 5 4 6 频散曲线。5 7 4 6 1 瑞雷波频散曲线5 7 4 6 2 相速度深度频散曲线5 8 4 6 3 曲线拟合5 9 第五章瑞雷波勘察成果6 l ， 5 1 资料处理6 l 5 1 1 方法概述6 1 5 1 2 瑞雷面波处理步骤6 l 5 2 解译成果的工程验证6 2 第六章结论与建议8 3 参考文献8 5 - v - 东北大学硕士学位论文 目录 致谢8 9 附录9 1 一一 ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究现状及发展概况 1 1 1 国内外现状 随着国民经济的高速发展，在实际的工程中，人们常会遇到工程地质情况判断或地 下空洞的探测问题。从十八世纪开始，人们就开始通过各种各样的方式去研究和处理采 空区。在这个阶段，欧洲工业大发展，在欧洲各主要工业国形成了大量的采空区。为此 西方国家投入了大量精力对煤矿采空区进行勘查和处理研究。这些研究都是建立在经验 和调查的基础上，如收集资料和调查访问、钻探、室内试验、数值模拟等，直接通过地 球物理方法勘探采空区并没有系统和普遍应用【l 】 煤层稳定程度的研究，目前仍然主要是定性的描述，定量的研究虽有所发展，但还 没有形成统一的数量标准作为煤层稳定程度的依据，采空区问题更加复杂，难以定量分 析。在我国近年来由于煤矿采空区引起的问题日益严重，大多数矿山不同程度地存在着 一些未处理的采空区，采空区是工程建设的一大隐患，但通过资料调查和钻探无法查明 采空区确切的形态和位置。近年来众多物探工作者对采空区勘探进行了研究，取得了很多 实用性的成果。如运用瞬变电磁、浅层地震、高密度电法相结合的综合物探方法在煤矿 采空区的勘探研究。也有部分专家学者对其它物探方法，如地质雷达、c t 法等方法对 采空区中的勘探效果进行了研究。 对于采空区的物探工作总体来讲，还是处于经验积累和理论研究阶段，采空区的勘 探研究还处于发展阶段，勘探手段和理论均不甚完善。 面波勘探( 又称为弹性波频率测深) 是一种新兴的岩土原位测试、浅层地震勘探方 法。主要有两种类型：瑞雷面波勘探和勒夫面波勘探。在岩土工程测试中以瑞雷波在振 动波组中能量最强，振幅最大，频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探以瑞雷 面波为主。浅表地层的瑞雷波法勘查与常规的弹性波勘查方法相比，瑞雷波法具有分辨 率高、应用范围广、受场地影响小、检测设备简单、检测速度快等优点，因此广泛应用 于浅表层岩土工程勘察和灾害地质调查等领域。已成为浅层或超浅层地球物理勘探和工 程掩体及施工质量检测的主要勘探手段之一。到目前为止，国内外关于瑞雷波法的理论 和应用研究取得了很大的进展。 自从英国数学物理学家r a y l e i g h 发现瑞雷波之后，国内外大量的学者对瑞雷波在各 第一章绪论 行了广泛而深入的研究。瑞雷波勘探技术近几年在工程领域中的 ，应用的范围也逐渐扩大，如在地质分层、地层物理力学参数计 寻找地下空洞、探测地下目标物体、检测灰土及强夯地基密实情 面检测、滑坡调查等方面，都取得了较好的应用效果。 揭示了其在弹性半空间介质中的传播特性【2 1 。2 0 世纪5 0 年代初， 频散特性【3 1 ，随之开始了利用天然地震记录中的瑞雷波探测地球 真正将瑞雷波的频散特性用于解决工程问题始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 3 年，美国 e k c h a n g 和r e b a l l a r d 等人利用瞬态瑞雷波来研究浅部地质问题 7 1 ，引起许多地球物 理学者的注意，开始了对瑞雷波勘探理论及方法的深入研究。8 0 年代初，浅表层面波勘 探方法有了突破性进展，8 0 年代初，日本研制出了稳态法的g r - 8 1 0 型佐藤全自动勘察 机【引，用以解决工程地质勘查问题，但该设备沉重、价格昂贵，限制了它的应用和推广。 1 9 8 2 年，s t o k o ea n dn a z a r i a n 9 】等提出了所谓的面波频谱分析方法( s a s w ) ，通过分析面 波的频散曲线建立近地表的s 波速度剖面。随后，s a s w 方法不断改进并在许多工程中 得到应用，目前，s a s w 方法己经应用到水下。1 9 9 9 年，夏江海博士等人提出了瑞雷波 反演估算近地表剪切波速的新方法m a s w ，对瞬态瑞雷波法进行了十分有效的改进。 我国浅表层瑞雷面波法工程勘查的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期。1 9 8 7 年，铁路系 统首先引进g r - 8 1 0 型面波勘探系统，用以解决铁路和公路路基的勘查问题。1 9 8 8 年， 吴世明等人采用瞬态瑞雷波法测试土层波速 1 0 - 1 7 1 ，随后展开了一系列研究，1 9 9 6 年，出 版了专著土介质中的波，书中对瑞雷波勘查方法技术问题进行了较系统的阐述。1 9 8 9 年，杨成林等人利用浅震仪配合国产可控震源以及自制的附属设备，组成了稳态瑞雷波 法勘查系统，进行了第四纪地层划分、地基处理效果评价等方面的研究，并于1 9 9 3 年 出版了瑞雷波勘探原理一书，书中就瑞雷波勘探方法原理及技术等问题进行了较为 深入的论述【1 8 】。1 9 9 1 年，铁道部第四勘测设计院朱裕林等利用g r 8 1 0 型勘查系统展开 地基勘察、地基加固效果评价、人工洞穴以及岩溶洞穴探测工作。 1 9 9 3 年，刘云帧等利用自制的多道地震数据采集处理系统把瞬态面波的勘探深度由 1 0 m 提高到3 0 m ，条件好的情况可以达到5 0 m 以上，基本能够满足岩土工程勘察的需 要。1 9 9 3 年，关小平、黄嘉正等人发表了“工程勘察中的稳态瑞雷面波法解释理论的探 讨”，讨论了近源场的面波特性及实际资料解释方法的改进问题【1 9 】。胡家富、张碧星分 别就瑞雷波的反演方法和瑞雷波频散曲线中的“之”字形的形成和反演进行了研究。在 1 9 9 3 1 9 9 6 年，夏唐代、吴世明等利用有限元和解析法相结合求解了各向同性成层地基 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 和横观各向同性成层地基瑞雷波的特征方程，有效地分析了复杂地基的瑞雷波特性 2 0 】【2 l 】。1 9 9 8 年陈龙珠、黄秋菊、夏唐代等人发表了“饱和地基中瑞雷波的弥散特性”， 同年，孙进忠、祁生文等应用瞬态面波法对抛石填海地基的强夯处理进行了检测，成功 的实现了瑞雷波在大面积检测的应用2 2 1 2 3 1 。 1 1 2 瑞雷波法的特点及发展方向 瑞雷面波法勘探与其它物探方法相比，具有以下优点： ( 1 ) 浅层分辨率高。瑞雷波速度低、波长短，人为控制勘探深度可达几厘米 精度，这是其它弹性波无法比拟的。 ( 2 ) 信噪比高，适用面广。在均匀各向同性半无限弹性介质中，纵波、横波 和瑞雷波，瑞雷波所占能量最多，且瑞雷波能量衰减比纵波、横波慢得多。此外， 折射波法要求具有波速差异，即使只有1 0 的差异也可精确分辨，且被勘探的地层 中可有速度倒转现象。 ( 3 ) 基本不受测量场地周围金属物体以及电磁干扰的影响。这在井下勘探中 是十分有利的。 ( 4 ) - i - 作条件要求低，效率高，较经济。瑞雷波法比跨孔法、下孔法等方法 的工作条件简单，易于操作；短时间内可交出大面积勘探结果，为工程项目节省时 间；勘探费用低，为工程项目节省资金。 1 2 研究目的和意义 采空区沉陷是一种典型的地质灾害，其治理在国际上也属于难题【2 4 】。 从地质条件分析，采空区可以造成公路、铁路及隧道等工程设施的病害，如隧道工 程，因采煤形成的采空区改变了地应力的分布，围岩处于蠕变状态，采空区的形成在很 大程度上降低了围岩的力学性能与完整性，致使隧道部分受力不均而变形。 采空区引起的严重问题已经引起国家高度重视，治理工作正在全面展开【2 6 】。在采空 区塌陷引起地表沉陷以前，有效而经济地利用地球物理方法对采空区域进行勘探和作出 评价，并提出适宜的防治措施有着良好的经济效益和社会效益。 因此，本论文研究的目的主要是在瑞雷波传播理论分析和前人工作的基础上，通过 对瑞雷波频散曲线的正演方法技术研究。实现岩土力学参数的分布特征和规律的预测， 在研究煤矿采空区地质与地球物理特征的基础上，来研究瑞雷波勘探方法在煤矿采空区 中的应用，在瑞雷波野外采集技术、室内提取技术、数据处理技术三个方面分别展开研 - 3 - 雷波数据 ( 1 ) 利用传递矩阵方法，编程进行正演计算。 ( 2 ) 针对工程上经常遇到的问题，对各向同性层介质中的瑞雷波频散特性进行讨 论，并进一步讨论存在低速层情形下瑞雷波的频散特性。 ( 3 ) 在瑞雷波野外采集技术、室内提取技术、数据处理技术三个方面分别展开研 究形成一套实用的、可靠的瞬态瑞雷波勘探方法。 ( 4 ) 实践方面：将上述瞬态瑞雷波勘探方法应用于本溪市东山沉陷区工程，对该 场地地基土体的工程地质性质作出全面评价。 1 4 瑞雷面波研究应用中存在的问题 迄今为止，尽管国内外学者对瑞雷波的理论和应用方面作了大量的工作，取得了很 大的进展，极大的推动了瑞雷波在岩土工程中的运用。但是，由于理论上计算的复杂性 和实际工作情况的多样性，瑞雷波方法在理论和应用方面仍存在着大量的问题，主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 非饱和土层、各向异性土层中瑞雷波传播规律的研究及其特征方程的建立，这 方面的研究很少，但是由于自然界大多数情形多属于这种情形，因此这方面的研究意义 重大。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 在软弱夹层瑞雷波的传播规律的研究及其特征方程的建立，研究文献也很少， 由于边界条件的复杂性，传统的解析法根本无法求解。 ( 3 ) 在关于瑞雷波提取技术方面，不能正确认识震相致使瑞雷波信号提取存在偏 差，是利用瑞雷波研究岩土工程问题存在很大误差的主要原因之一。另外，瑞雷波相速 度的提取采用通常采用频谱分析等，但这些谱分析方法是建立在稳定信号处理基础上， 给出的结果显示了信号总体所包含的各种频率成分，也就是说不能做局部分析，但瑞雷 波是非稳态性质信号，需要知道每一时刻在信号中所包含的频率成分。 ( 4 ) 目前，利用面波信息探测地层波速的流行方法是将频散曲线转换为速度一深 度( 圪一日) 曲线，根据曲线的特征进行场地土层划分、推算土层厚度，并利用均匀介质 中横波波速与面波波速之间的关系求算土层的横波波速，基木上处在定性分析阶段。如 何利用而波频散特征更为准确地求取地层的层速度和层厚度，对于工程应用是一个有待 解决的课题。 ( 5 ) 关于频散曲线的“之”字形现象，从理论模型的解析中还不能精确地解释此现 象。 ( 6 ) 就瑞雷面波频散曲线的提取而言，无论是稳态法还是瞬态法，都面临着如何 识别直达波、折射波、反射波和面波，如何消除各种干扰波并保留较纯瑞雷波的问题。 它涉及到观测系统的布置等多方面的问题。 ( 7 ) 对于勘探深度，大多数地质工作者采用半波长作为瑞雷波的勘探深度。虽说 半波长理论有一定的理论依据，但没有定量关系，因此，实际勘探中的半波长理论有待 深入研究，在实地应用中应根据场地地质条件、探测对象、与孔旁测试的对比结果来做 适当调整。 ( 8 ) 当测试深度加大时，振源信号具有足够的低频信号，但目前难满足此要求。 因此低频时的面波值少，使得下部频散曲线的点相对稀少，对解释精度影响较大。多以， 瑞雷波探测深度较浅，一般情况下可靠的测量深度为2 0 - 3 0 m ，最深不过5 0 - 6 0 m 。 - 5 东北大学硕士学位论文第二章采空区瑞雷波勘察方法 第二章采空区瑞雷波勘察方法 2 1 瑞雷波的形成 瑞雷面波勘探主要是利用了瑞雷波的两种特性：一是瑞雷波在分层介质中传播时的 频散特性，面波在多层介质中，面波的传播速度会随着频率的不同而有所变化，这种现 象称为面波传播的频散，借助于数字信号分析技术求算出测点处瑞雷波速度随深度变化 曲线来达到勘探目的；二是瑞雷波传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。利用 瑞雷波的这种特性可以解决许多的浅层地质问题，如对地层进行划分，确定地基的持力 层，可方便地划分出地层中软弱层的埋深及范围，还可以有效地用于场地土类划分等。 瑞雷面波法也是一种无损检测技术，它是利用物质中因有缺陷或组织结构上的差异 存在而会使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不使被检查物使用性能及形态 受到损伤为前提，通过一定的检测手段来检测或测量、显示和评估这些变化，从而了解 和评价材料、产品、设备构件等的性质、状态或内部结构等。 均匀半空间介质虽然是一种理想化的模型，但通过对理想化模型中瑞雷波的研究可 以解决如下两个问题：一是说明瑞雷波在介质的自由表层，只要存在波动就会有瑞雷波 的存在，并对瑞雷波的传播机制和特性有一详细的了解【2 7 1 ；二是说明在均匀介质中，瑞 雷波的传播速度与频率无关，即没有频散性。这种均匀介质的无频散性是瑞雷波勘探的 物理前提条件之一，因为地质勘探的目的就是探明地下不均匀地质体的状态。所以，具 备了这一前提才使得利用瑞雷波进行勘探的理论依据更充分。 假设在自由界面以下的无限半空间充满了弹性常数为五，g 和密度为p 的介质，其 上面为空气，空气的密度相对介质的密度而言非常的小，可视为零值。因此该界面为唯 一自由界面，令坐标石y 平面与自由面重合，z 轴垂直于自由界面向下，见图2 1 。 厂一7 v ov s 比 、7 x 图2 1 半空间均匀介质 f i g 2 1 s e m i i n f i n i t ei s o t r o p i em e d i u m - 7 - 第二章采空区瑞雷波勘察方法 a z 乙 p 蔷 p 为介质的密度。 和垂直位移可写成如下形式： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) - ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中：、k 分别为介质内纵波和横波的传播速度。式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 的解得形式可 写为： 缈( 工，z ，f ) = ( z ) 少x w 1( 2 6 ) 缈( 工，z ，f ) = 甲( z ) 少】 ( 2 7 ) 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 2 ) ( 2 3 ) 可得： ( z ) + 后2 彳( z ) = 0 ( 2 - 8 ) 、l ，( z ) + | j 2 p ；甲( z ) = o ( 2 - 9 ) 式中：a = ( ，7 ) 一1 ，仍= 【( 1 ，匕) 一1 弘，因为 屹，所以见 见。( 2 8 ) 式和( 2 9 ) 式的解可根据，、屹、三者的关系分成几种情况，分别对应地震波的不同入射情况。 当a 、见全为虚数时，1 ， 屹，方程( 2 - 8 ) 和( 2 - 9 ) 的解分别2 8 】为： ( z ) = 4 e 却+ 4 p 一却 ( 2 - l o ) 甲0 ) = 尾p 。+ b 2 e 一如2 ( 2 一l1 ) 式中：m ： 1 一( v ) 2 pv 2 = 1 一( y 屹) 2 p 4 、e 、4 、最为任意常数。 - r 东北大学硕士学位论文第二章采空区瑞雷波勘察方法 根据波动的物理概念，显然当z o o 时，振幅应为有限值，因此4 、届为零，将4 、琏 替换为a 、b ，则方程( 2 8 ) 、( 2 9 ) 的解分别为： 缈( z ，z ，t ) = a e h q 2 p 雎坩( 2 1 2 ) 缈( x ，z f ) = b e 一锄2l e 髓。一坩( 2 1 3 ) 式中v 是一个特定的恒量，显然上边两个式子代表一个以速度v 沿x 轴方向传播的简谐 列波。波的振幅在自由界面( z - - 0 ) 上最大，其速度略小于横波速度，并随着离开自由 表面的距离增大而呈指数形式衰减，这种形式的波动传播，其能量主要限制在一格表面 波层内，因此称为面波，又称为瑞雷波。利用自由边界上应力为零这个边界条件确定矿 值，称为瑞雷波的相速度，一般记为k ，同时瑞雷波的波动方程为【2 9 】： 2 一( v i v a 2 2 4 1 一( y ) 2 z 1 一( v i v a 2 p = o ( 2 - 1 4 ) 2 2 瑞雷波的传播及特点 物体粒子间存在着弹性相互作用，当某处物质粒子离开平衡位置时，该粒子在弹性 力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动。这样形成的振动在弹性介质 中的传播过程称为“弹性波”。对于一个均质各向同性的半无限弹性空间中，存在着两种 弹性波：p 波( 纵波) 和s 波( 横波) 。纵波运动的方向和所引起的物体变形方向一致； 而横波的运动方向和其介质的变形方向为垂直的关系。由于他们在半空间内的传播是一 个球面的波前，因此被统称为体波。 另外，对于成层的半空间介质，还可能存在两种不同运动规律的弹性波：瑞雷波和 勒夫波。它沿介质的分界面传播，质点在波传播方向的垂直平面内振动，表面振动轨迹 为逆时针方向转动的椭圆，而在离表面为o 2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆， 但运动方向与表层相反。瑞雷波的振幅随着深度呈指数函数急剧衰减，传播速度略小于 横波。勒夫波则是有波由拉夫在数学上首先证明，其质点振动轨迹在波传播的水平面上。 勒夫波只能存在于两个高速介质中的低速夹层，它是由于波在低速带的上下俩个层面多 次反射叠加而成。 根据自由表面边界上应力为零这一条件。可得到瑞雷波在自由表面相应的位移方 程： 二k 。，二 乜= d ( e 厶一坐e 厶) s i n k ( x - v r t ) ( 2 1 5 ) 9 - 。 7 一 d 一d z l “ 一 0 z 久 图2 2 q 、d ：随深度的变化 f i g 2 2 见、皿w i t h t h ed e p t ho f c h a n g e 瑞雷波穿透深度与波长的关系 当泊松比从o 1 增大到0 5 时，水平和垂直位移的振幅也随之增大，这说明介质 的泊松比越大，转换为面波的能量越多；对于不同的介质，随深度增大，面波的水平和 垂直位移振幅达到极大值后迅速降低，其主要能量均集中在z 厶 1 2 6 d b ； 等效输入噪声5 l u v ； 接收频带范围0 1 - 5 0 0 0 h z ； 检波器低截频为4 5 h z ； 采样长度5 1 2 4 0 9 6 字节道； 采样率o 0 0 5 - - - 3 0 m s ； 谐波失真度小于0 0 5 。 具有多炮同屏连续显示和预处理功能；每炮道头文件可记录测点坐标，震源采用重 锤。为了获取各测线的观测系统参数，主要进行了单边激发，近震源道记录中反射波与 直达波、面波和噪声很难分辨，所以需要一定的偏移距才能将其与干扰波分辨清楚。我 们依据实验选取了最小和最大偏移距2 m 和6 m 。 1 5 法 2 5 2 测线布置 f i g 2 7 t h ef i e l dw o r k 测线的布置将影响采集信号的有效性，工程师在总结经验后对于试验的设置，给出 许多的建议。由于使用仪器和测试对象的范围大小不同，仪器的布置也存在一定的差异， 需要对实际情况进行调试再合理设置。 ( 1 ) 测线的布置根据工作任务、探测对象、地质构造和地形等条件来确定的。本 工程按下列原则布置： 测线为直线，尽量垂直岩层或构造的走向，便于最大限度地控制构造形态，以利 于资料的整理与分析； 测线尽可能与其它物探测线或钻孔的勘探线一致，便于结合地质资料进行分析解 释； 测线尽可能的均匀地分布在全测区，以利于资料的对比与综合分析。 ( 2 ) 进行地震勘探工作时，需要沿测线按次序在许多点进行激发，同时在响应地 段接受。通常称布置检波器的接受段为接受排列。每次激发接受记录时，第一道( 第一 检波器) 到激发点的距离称为偏移距。 相邻两个检波器间的距离称为道间距，道间距越大，排列长度越长，工作效率也就 16 东北大学硕士学位论文第二章采空区瑞雷波勘察方法 越高。但道间距太大，各相邻记录道同一个波的相位追踪和对比往往比较困难，不利于 分辨有效波。 在这次工作中共安排了6 条测线，每条测线布设1 2 个测点，测点间隔2 米，测线 的布设如图2 9 ，用重锤冲击地面，在地基土中激发产生波动，激发点地面上垫一块厚 铁板作为锤垫以改善激发效果，每个激发点进行数次激发，以保证取得良好的记录数据。 同一测点上多次激发的记录是否具有良好的重复性是衡量瑞雷波测试结果可靠性的重 要指标，重复性良好一方面反映出仪器系统工作正常可靠；另一方面，也表明各次记录 基本反映了工程岩土体的真实特性。 野外数据采集直接关系道检测的成败，现场检测取得能够正确揭示工程岩土体频散 特征的记录波形，是保证瑞雷波检测结果可靠性的基本条件，对于工程岩土体的探测至 关重要。在现场工作时必须注意采取恰当的措施，避免和排除各种不利因素，保证取得 良好的测试记录。本次检测对记录波形影响最大的是现场施工、车辆振动和锤击的弹性 回跳现象，曾一度中断检测的进行。在检测中，利用周围影响相对较小的时刻，以获取 初至清晰的面波记录波形，效果良好，为结果的准确性奠定了基础。 图2 8 现场测线布置 f i g 2 8m e a s u r i n gc i r c u i t 一条测线上检波器的数量决定了试验覆盖的最大距离。由于高频信号衰减较快，在 区域之外检波器接受的高频信号十分微弱，无法进行信号处理和对浅层物质特性的分 析。本溪市东山采空区工程中每测线的测点为1 2 到2 4 个，经过频谱分析证明，所需高 频成分能量仍然可以进行分辨。 - 1 7 - 东北大学硕士学位论文 g - 章采空区瑞雷波勘察方法 表2 1 观测剖面实物工作量表 t a b l e2 1t h ep r a c t i c a l i t yw o r k l o a do f o b s e r v e dp r o f i l e 测线号 长度( 米) 检波器测点、炮点 a a 4 8 2 4 bb241 2 c - - - c 4 8 2 4 一 d-d241 2 b - e 2 41 2 r - f 2 4 1 2 合计 1 9 29 6 进行面波法测量，追踪目的层位，连续有效的获取地下构造信息，必须按照一定的 规则布置激发点和接受排列，激发点与接受排列的相互位置关系见图2 9 测线布设图 d i i = - ， bb 7 c d 7 c 7 f i i 7 7 日舅线团点位 地震勘探测线平面布置图 图2 9 测线布设图 f i g 2 9m e a s u r i n gc i r c u i tm o u n t s - 1 8 - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 东北大学硕士学位论文第二章采空区瑞雷波勘察方法 2 6 采空区的地质条件 在一个地区利用瑞雷波勘探方法能否取得好的地质勘探效果，在很大的程度上是取 决于工程地质条件。地震地质条件一般分为两类：表层地质条件；深部地质条件。不同 地区的地震地质条件通常是不相同的，就是同一个地区的不同地段，其地质条件也常常 是不同的。掌握、分析和解决复杂的地质条件是勘探中的基础工作【3 2 】。本溪市东山煤矿 采空区地质条件如下。 2 6 1 工程地质条件 ( 1 ) 表层地震地质条件 表层地震地质条件包括地形、地表风化层的性质等因素。它不仅影响地震勘探的激 发和接受，而且影响地震波的运动学和动力学特点，严重影响地震剖面的精度。 地壳的风化壳也称为低速带。它是由于受到长期风吹、日晒、雨淋等地质风化作用 而形成的，其岩石变得十分疏松。所以低速带的特点是：低速带一般是指不含水的风化 层，当风化层含饱和水后，其速度会增高，就不属于低速带了；低速