（岩土工程专业论文）岩土工程地下空区瑞雷波探测技术的研究与应用.pdf

研究生硕士论文 摘要 摘要 随着国民经济的高速发展，越来越多的工程，诸如：矿山，铁路，高速公路，工 业与民用建筑等经常会遇到地下隐伏空区、洞穴的探查问题。地下隐伏空区与洞穴是 工程建设的一大隐患，对其进行高效、准确探查，是一件既重要又十分棘手的工作。 课题来源于国家科技部十五攻关项目地下空区形态层位探测技术( 编号： 2 0 0 1 b a 6 0 9 a 一0 9 0 5 ) 。课题目的为提高群采空区层位探测精度，为最大限度地消除群 采空区造成的安全隐患奠定基础，科研任务由白银有色金属公司和中南大学共同承担。 作者参与了具体的科研工作，并结合课题研究内容，完成了本论文，具体内容如下： 明确了开展采空区调查的目的和意义，介绍了地下隐伏空区与洞穴的分类、 危害和常用的处理方法。 ( 2 简单介绍了地下空区探测的理论基础，列举了几种常用的探测地下空区的物 探方法。 重点研究了瑞雷波探测空区的理论基础，具体操作的技术和方法，数据分析 与处理和最终图像解释方法。 结合工程实际，采用s e 2 4 0 4 e x 型综合工程探测仪等先进探测设备，对地下 空区形态进行了全面的探测研究，经大量的现场探测实践，进一步摸清了瑞雷波空区 探测技术，和用于地下金属矿山空区探测与定位的合理技术参数。最后作者采用瑞典 r a m a c g p r 便携式雷达，对探测的空区进行了检验。实践证明，瑞雷波探测方法取得 了较好的效果。 本研究得出的结论，为探明隐伏空区，进而消除工程安全隐患，提供了有力的技 术支撑。 关键词空区空区探测瑞雷波探地雷达 ， ， 。 研究生硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , w eo f t e nf a c et h ep r o b l e mo fp r o s p e c t i n g m i n e d o u ta r e am o r ea n dm o r ei nt h eg e e t e c h n o l o g y e n g i n e e r i n gs u c h a s r a i l w a y e n g i n e e r i n g ，h i g h w a ye n g i n e e r i n ga n dm i n i n ge n g i n e e r i n g m i n e d - o u ta r e ai sab i gp r o b l e m o f h i d d e ns a f e t yh a z a r df o rs o m ec i v i lc o n s t r u c t i o n t h ew o r ko f p r o s p e c t i n gm i n e d o u ta r e a i sav e r yi m p o r t a n ta n dh a r dt a s k t h i sr e s e a r c hi sc o m i n gf r o mt h ep r o j e c to f t h e1 0 t hf i v ey e a rp l a no f f e r e db yn a t i o n a l t e c h n o l o g yd e p a r t m e n t t h ea i mo ft h er e s e a r c hi si n c r e a s i n gt h ep r e c i s i o no fm i n e d o u t a r e ap r o s p e c t i n gt e c h n o l o g y , e l i m i n a t i n gt h er i s ko fm i n e d o u ta r e aa tt h em o s t t h e r e s e a r c hi sc h a r g e db yt h ec e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y ( c s u ) a n dt h eb a i y i nn o n f e r r o u s m e t a l sc o m p a n y ( b y n m c ) t h ea u t h o rh a dt a k e np a r ti nt h er e s e a r c hw o r ka n df i n i s h e dt h i sp a p e rc o m b i n i n gw i t h t h er e s e a r c ht a s k a sf o l l o w i n gs h o w si nd e t a i l ： t h ea i ma n ds i g n i f i c a n c eo fm i n e d o u ta r e ap r o s p e c t i n gi n v e s t i g a t i o nw a sp o i n t e d o u t ，a n dt b c p t h ec l a s s i f i c a t i o n ，d a n g e ra n dg e n e r a ld i s p o s a lo fm i n e d o u ta r e aw e r e i n t r o d u c e d t h eb a s i c t h e o r yo fd e t e c t i n g m i n e d o u ta r e aw a si n t r o d u c e d a n ds o m e p r o s p e c t i n gm e t h o d sf o rt h em i n e d - o u ta r e aw a s i l l u s t r a t e d t h eb a s i ct h e o r y , p r i n c i p l ea n dm e t h o df o rp r o s p e c t i n gm i n e d o u ta r e ab yu s i n g r a y l e i g hw a v et e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e d ，t h ed a t aa n di m a g e sp r o c e s sw e r eg i v e n ，a n dt h e f i n a li m a g ea n ds i g n a li n t e r p r e t a t i o nw e r es t u d i e d s o m ei n v e s t i g a t i o n sw e r ec a r r i e di nt h e c h a n gb al e a dz i n cm i n e t h e u n d e r g r o u n dm i n e d - o u ta r e a sa r es t u d i e du s i n gt h es e 2 4 0 4 e x t h er a y l e i g hw a v em e t h o d f o rp r o s p e c t i n gm i n e d o u ta r e aw a sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yt o p r o s p e c te x h a u s t e da r e ai n u n d e r g r o u n dm e t a lm i n e s ，a n di t sr e a s o n a b l ep a r a m e t e r sw e r eg o tb ym a k i n gal o to f e x p e r i m e n ta n dt e s t s t h er a y l e i g hw a v et e c h n i q u ei su s e f u la n di t se f f e c ti ss a t i s f a c t o r ya s p r o v e db yt h et e s t su s i n gr a m a c g p ri nc h a n gb al e a dz i n cm i n e t h er e s u l t so f t h er e s e a r c hp r o v i d ea p 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 aa 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 ，m i n e d o u t a r e a p r o s p e c t i n g ，r a l e i g hw a v e ，g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：燃2 日期：翌竖堕年月扛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或 湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盟导师签名整亟刍日期：丛年月旦日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1开展采空洞穴探查的目的和意义 随着国民经济的高速发展，越来越多的工程，诸如：矿山，铁路，高速公路，工 业与民用建筑等经常会遇到采空洞穴的探查问题。采空洞穴是工程建设的一大隐患。 采空洞穴的探查也是十分棘手的工作。在地形平坦，地质情况简单，采空洞穴埋深不 大，且有一定规模的情况下，有不少物探方法可以选用，也可以取得良好的探查效果； 然而，在地形起伏较大，地质情况复杂，且埋深较大，洞穴规模较小的情况下，不少 物探方法的应用受到限制，得不到理想的探查结果。在这种情况下，如何提高采空洞 穴探查效果，成为急待解决的课题。 目前，我国大多数矿山均不同程度地存在着一些未处理的采空区。特别是在西部 一些拥有优质矿产资源的矿山( 如广西南丹大厂矿务局、厂坝铅锌矿、兰坪铅锌矿、 栾川钼矿、秦岭金矿、会东铅锌矿等) ，经十余年的民间掠夺式开采，已遭到严重破坏， 留下大量的灾害性采空区。这些采空区的长期存在，严重影响了矿山的安全生产。选 择合理的处理方法对采空区进行及时处理，对有效控制地压，避免大规模的地压活动， 确保井下作业安全和矿山的可持续发展，具有重大现实和战略意义。 1 2 采空区的处理方法及理论 1 2 1 采空区的分类 地下矿体的开采按区域大小可分为大面积采空区和小窑采空区。地下矿层大面积 采空后，矿层上部的岩层失去支撑，平衡条件被破坏，随之产生弯曲、塌落，以致使 地表下沉变形，形成凹地。随着采空范围的不断扩大，凹地发展成凹陷盆地。小窑一 般采空范围不大，开采深度较浅，以巷道采掘为主，且巷道一般规模较小。因此，地 表不会产生凹陷盆地。但是，因为开采深度浅，地表变形剧烈，大多产生较大的裂缝 和陷坑。 按照空区内的充填物的不同，又可以分为以下几类 ( 1 ) 空洞。地下矿体开采后，矿体顶部及周围岩层没有产生坍塌。矿层位于地下水 位以上，洞内充填空气。 ( 2 ) 充水洞穴。采空洞穴位于地下水位以下。洞内充填水。 ( 3 ) 充填或半充填洞穴。采空洞穴被矿渣回填 ( 4 ) 崩落洞穴。采空洞穴上部岩层破碎塌落使洞穴充填起来。 ( 5 ) 倾斜崩落洞穴。开采倾斜或陡倾斜矿层时，采空洞穴下部被碎石充填，上部空 中南大学硕士学位论文第章绪论 出。 了解了地下矿体的开采方式和采空洞穴的类型，有助于分析和研究各种物探方法 反映在采空洞穴上异常的机理。 1 2 2 采空区的主要危害 采空区形成后，根据矿山岩体力学分析，会产生二次应力场而导致周围岩体发生弹 性、塑性或粘性变形，在急倾斜开采条件下产生松脱地压。而采空区的岩体是否失稳和 移动或片落，主要取决于岩石性质、岩体结构、地质构造、开采深度、采矿方法、矿体 倾角、矿柱及其回收方法、空区规模与形态、空区存在时间与处理方法等“1 采空区主要造成的危害，有以下几个方面：一是造成地质资源损失，二是增大矿石 贫化，三是危及运输与通风主巷道安全，四是采空区相互连通造成污风短路与漏风损失， 五是增加残矿二次回采的难度”3 。 1 2 3 采空区的主要处理方法 采空区处理方法处理原则应满足下述要求：( 1 ) 技术经济合理。既要技术可行，又 要经济合理：( 2 ) 安全可靠，施工方便。既要保证处理作业安全，又要施工方便而稳 妥：( 3 ) 提高矿床资源回收率。既要合理处理采空区，又要保证地下资源有效回收，既不 损失，又不浪费，使国家地下宝贵的不可再生的资源为社会服务，为企业盈利，为矿工 增效。 对于矿山地下开采遗留的采空区，处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四种。 但由于各个矿山的具体条件不同，各个采空区位置、形态特征各异，对每个采空区的处 理方法，常常不尽相同。如何针对采空区的特点和条件，综合考虑影响其处理方法决策 的各种因素，并应用先进的手段和方法，从众多方案中确定出在技术、经济和安全可靠 性等方面总体效果最佳的采空区处理方案，是多采空区矿山生产的重要环节。 一般处理方法根据不同采空区的特征，其处理方法有下列几种”1 ： ( 1 ) 强制崩落围岩，使地表陷落消除空区，或者强制崩落部分围岩使之形成废石垫 层，将作业区段隔开： ( 2 ) 围岩自然崩落充填空区： ( 3 ) 用矿石垫层将作业区段与采空区隔开 ( 4 ) 用各种材料，包括掘进废石、选矿尾砂、或尾砂加其它胶结材料充填空区： ( 5 ) 留永久矿柱支撑空区： ( 6 ) 矿柱支撑和充填联合处理采空区： ( 7 ) 疏通空区与密闭空区： ( 8 ) 以上两种或几种不同方法联合处理空区。在以上多种采空区处理技术中，又可 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以归纳为充、崩、撑、封等4 种具体使用方法。 1 3 空区探测基础原理 矿山采空区充填介质类型可划分为空气充填型、地下水充填型和泥砂充填型3 种 情况。尽管各自的地质条件不同，或被空气、地下水、泥砂等介质所充填。但采空区 内介质与围岩相比，都存在明显的物性差异，具备各种物探方法试验的地球物理前提。 电磁波：由于地质雷达波的反射仅发生在地下介质的介电常数发生变化的部位， 引起介电常数发生变化的因素主要是介质电性的不同、相对密度的改变、介质含水量 的变化等。 地震反射波：地下采空区不论被什么介质所充填，在其边缘部位都存在一个明显 的波阻抗反射界面，采空区内介质和围岩介质的波速存在明显的差异，浅震反射波法 和瞬态瑞雷波法正是利用这一物理前提来探测地下采空区的。 电性：采空区内部被空气所充填的，表现出高阻特征：其内部被水、泥砂等介质所 充填的，表现出低阻特征。电法类正是利用上述的电性差异来探测地下采空区的。主 要介质的物性参数如表卜1 ”。 - 毒 表1 1 主要介质的物性参数一 介质名称 视电阻率p纵波速vp横渡速vg雷达波速度 ( q m ) ( m s )( m s )( c 1 t i ns ) 水 绕射波的振幅随波前传播距离r 的增大而与石成反比衰减，比反射波等体波 衰减要慢得多 2 绕射波的振幅与入射波的频率f 的平方根成反比。对于一个非周期性的入射波 来说，其低频成分的绕射波振幅比高频成分的绕射波振幅相对增大。因而绕射波相对 于入射波来说有较低的频率成分。 3 从波的鸣振现象也可说明采空洞穴的波形特征。所谓鸣振现象，则是把洞穴视 为一个次生振源，产生鸣振。从而在地震记录上会出现波的续至振荡现象。 综上所述，当采空洞穴顶部反射波难以识别时，在地震时间剖面上，可以由绕射 波或绕射波和反射波叠加形成的续至振荡现象引起的振动延续变长的长周期波形来 识别。 1 42 地震波层析成像( c t ) 法 地震波速度和岩体特性一般具有一定的对应关系。致密完整的岩体地震波速度较 高，而疏松破碎的岩体则波速较低。采空洞穴相对围岩而言，波速较低。地震波穿透 这些低速介质时，则旅行时间增加。采用相互交叉的致密射线构成的网络可对洞穴及 内部充填物等低速介质在空间上的位置进行确定。在地震波c t 剖面中，一般主要解 释低速异常区的位置和大小来识别采空洞穴。 1 4 3 电磁波层析成像( c t ) 法 通常，电阻率较高( 介电常数较小) 的介质对电磁波表现为低吸收；相反则表 现为高吸收。由于采空洞穴的形态和充填物不同，洞穴与围岩电性之间高低差异变化 j 较大。不同的岩石层与洞穴和围岩电性之间高低差异变化较大。所以采空洞穴在电磁 波c t 剖面中的异常反映也是多变的。应结合现场慷况具体分析，深入研究地层、洞 碉 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 穴、煤、水等的电性情况，做好电性参数测定工作。 1 4 4 地震浅层反射波法 与极小偏移距地震反射波法相似，浅层反射波法主要根据采空洞穴及其充填物与 围岩之问的波阻抗差异形成的反射界面变化来判别异常。因此，在地震时问剖面上， 采空洞穴应出现反射波不规则，连续性差或同相轴中断出现波的频率、振幅、相位以 及信噪比变化等现象。 1 4 5 瞬变电磁法 瞬变电磁法又称时间域电磁法，是通过观测时间域断电后的二次瞬变电磁场的衰 减值的变化，来区分地下不同深度的电场分布状态，故通过测线上的不同测点的时间 域电阻率变化来解释不同深度的地质层位变化。它探测深度较大，最大可达1 0 0 0 m 。 其视电阻率异常特征明显，容易识别。异常特征表现为：空气充填型采空区，视电阻率 等值线表现为高阻异常：地下水、泥砂充填型采空区，视电阻率等值线表现为低阻异 常。空气充填型，位置误差较小，精度较高。对于被地下水和泥砂充填的采空区，视电 阻率在其分界面上不能产生阶变，而是一种渐变的过程，异常晕宽，所以产生的误差较 大。点距相对于目标体的大小是影响横向分辨率的主要因素。要识别大范围深度内的 目标体，则必须提高仪器本身的采样点数。瞬变电磁法寻找地下深部采空区有独到之 处，可发现多层采空区，探测精度与充填介质的电性差异有关。 1 4 6 探地雷达方法 探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱( 1 m h z l g h z ) 电磁技术。 探地雷达利用一个天线( 即发射天线t ) 发射高频宽带电磁波，另一个天线( 即接收 天线r ) 接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时其路径、电磁场强 度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收波的旅行时间 ( 亦称双程走时) 、幅度与波形资料，可推断介质的结构。 从地质雷达探测成果看，对埋深在3 0 m 以内的目标体，有较清楚的异常反映，越 浅异常特征越明显，解释准确率越高：在采空区上方，波形相位出现空室震荡，顶部发 生绕射，频谱成分发生分化。空气充填，异常清楚，误差较小。解释成果与已知资料吻 合。单一使用地质雷达技术，可获得清楚的图象异常，结合相关的地质资料，根据现 场实验结果，选择合理的工作参数和正确的天线频率，可使分辨率提高。地质雷达法通 常可获得目标体的顶板和边界反射雷达波，不规则体底界和边界难以确定，另外电磁 波还受到金属矿体和水的影响，影响探测精度。这些可利用综合方法互补，最大限度 地克服其局限性，使成果客观地反映实际地质现象。 中南大学硕士学位论文 第章绪论 1 47 瑞雷波法 瑞雷波是纵波和横波在界面附近的复合振动形成的复合波。气体、液体等流体中 不产生横波。因此，在空洞和充水洞穴内没有瑞雷波传播。此时，波的频散曲线可能 出现错断、中断、间断等异常反映。洞穴的顶、底界面都是弹性界面。即使洞穴由于 坍塌、垮落、充填松散碎石等，仍能形成弹性界面。因此，瑞雷波遇采空洞穴能出现 类似地层界面的z 字形异常反映。 瑞雷波勘探是利用弹性应力波中占主要成分的瑞雷波在成层介质传播时速度具 有频散效应这一特点，借助于数字信号分析技术求算出测点处瑞雷波视速度随深度变 化曲线来达到勘探目的。众所周知，介质的强度与介质的速度有着良好的相关关系，在 同一区域的一定物理条件下，定强度的岩土介质，其瑞雷波的速度是确定的，因此可 以根据所求得的岩土层速度值来反演岩土层的物理状态和物理特征。地下存在的洞穴 可以看作是一种特殊的介质体，瑞雷波在其上有着特有的传播规律，主要表现在洞穴 存在的深度范围内，频散曲线上出现断点，而且频散点分布非常散乱，因此在实际工作 中，就可以根据瑞雷波频散曲线出现异常的位置来确定所在测点处地下洞穴存在与否 以及其埋藏深度及发育状况等。 1 5 探测方案的确定 目前，对地下洞穴的探测方法较多，每种方法均受其特定的使用条件限制。常规 地震勘探适合于大型洞穴的探测，例如煤田的采空区。对于小型的洞穴，由于受波的绕 射和分辨率的限制而无法使用。高密度电阻率法是利用地质体的电阻率变化来确定洞 穴的位置，对于无充填的洞穴是一高阻体，而充填地下水后地下洞穴为低阻体这一特 性进行探测，但这种探测方法受场地电场干扰较大而影响其测试精度。电磁波法是根 据电磁波在洞穴处产生的反射波来确定洞穴的形状和埋藏深度，但是容易受到地下水 位及场地电磁场干扰的影响。而瑞雷波法探测深度受到激发频率大小的限制。为此， 笔者采用瑞雷波勘探空区，并用雷达法辅助检验，在实际工程中取得了良好的应用效 果。 1 6 研究课题的来源、内容、意义 课题来源于国家科技部十五攻关项目地下空区形态层位探测技术( 编号： 2 0 0 1 b a 6 0 9 a 一0 9 一0 5 ) 。课题目的为提高群采空区层位探测精度，为最大限度地消除群采 空区造成的安全隐患奠定基础，科研任务由白银有色金属公司和中南大学共同承担；这 个专题的研究基地，选定在厂坝铅锌矿1 2 0 2 m 中段i 、i i 矿体位于3 3 4 2 勘探线之间 的部分采场。这些试验采场受群采破坏严重，具有典型性和代表性。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本研究课题( 图1 1 ) 以探明群采空区的赋存状况，基本解决空区的平面定位和产 状等技术问题，提高矿床开采强度和效率，改善井下工人的工作条件，提高劳动生产能 力和降低生产成本，确保井下生产安全为目标，借助于理论研究、室内模拟与现场试验 相结合的手段，采用瑞典r a m a c g p r 便携式雷达、长春科技大学工程技术研究所 s e 2 4 0 4 e x 型综合工程探测仪等先进探测设备( 图l 一2 ) ，对研究提出的地下空区形态 层位探测技术进行了全面的研究。 本专题的研究内容，技术起点高、创新性强、易于产业化。成果将具有国内先进水 平，其经济、社会、环境效益主要表现在如下几个方面。 ( 1 ) 为群采空区的矿产回收提供生产安全保障系统，实现露天开采向地下开采安全 过渡： ( 2 ) 创新采矿工艺技术，实现矿山生产能力提高，为在较短时期1 5 0 万吨年产量， 提供技术保障； ( 3 ) 提高矿石回收率，降低矿石贫化率，充分利用有限资源，延长矿山服务年限， 实现矿山可持续发展 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜1 技术路线图 ( a ) r a m a c g p r ( b ) s e 2 4 0 4 e x 图1 - 2 研究中采用的主要设备 8 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 2 1 瑞雷波探测的基本原理“3 瑞雷波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工 程地质勘察的物探方法。在自由界面( 如地面) 上进行竖向激振时，均会在其表面附近产 生瑞雷波。而瑞雷波有三个与工程质量检测有关的主要特征： ( ! ) 在分层介质中，瑞雷波具有频散特性 ( 2 ) 瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同； ( 3 ) 瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。 2 11 瑞雷波的产生 弹性波在到达弹性或速度，密度不同的介质界面上时，会产生反射，折射现象，同 时产生界面波。特别将沿自由表面传播的波称为表面波( s u r f a c ew a v e ) 。在表面波 中，质点在波的传播方向垂直平面内振动，质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆， 且振幅随深度呈指数函数急剧衰减，传播速度略小于横波。这一种类型的波最初由英国 学者瑞雷( r a y l e i g h ) 在理论上确定的，称为瑞雷波。( 图2 1 ) 在天然地震中，瑞雷波是危害性最大的一种地震波。在人工地震勘探中，瑞雷波是海 一种强干扰波。因此，对瑞雷波的早期研究，人们主要是根据瑞雷波的特点，采取诸多 方法来减小他的危害或消除它的影响。 0 o 0 6 1 0 r z 图2 - i 瑞雷波质点振动轨迹图 9 x 中南大学硕士学位论文 第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 2 1 2 瑞雷波的传播与波速 瑞雷波在弹性波中振动能量最强( 约占振动总能量的7 0 ) 且传播速度最低( 在泊 松比为0 2 5 时，为纵波波速的5 4 ，横波波速的9 2 ) ，能量的衰减也比体波慢得多， 因而容易检波且具有较高的分辨率。在分层介质中，瑞雷波的一个重要特征是具有频散 效应。在均匀介质条件下，瑞雷波的速度v r 与振动频率f ( 即与 r ) 无关。在不均匀介 质中，瑞雷波传播速度随频率( 或说波长) 不同而变化，这种变化反映了不同深度( h ) 介质物理力学性质的变化。理论研究表明，对于不同的介质，瑞雷波的水平和垂直振幅 的主要能量均大部分集中在一个波长的深度内，即认为瑞雷波的穿透深度为一个波长。 4 0 ，4 2 目前国内外的瑞雷波一般采用的半波长解释法，认为勘探深度为波长的一半，瑞雷 波的波速代表着 r 2 以上介质的平均速度。但利用 r 2 直接做为勘探深度容易使 界面深度较实际值偏小。 h 2 r 2 ( 2 - 1 ) h = v r 2f ( 2 - 2 ) 式中：h 为勘探深度v r 为瑞雷波的波速 入r 为瑞雷波的波长，为瑞雷波的频率 从式( 2 1 ) 可以看出，频率，越高，测试深度h 越小，反之，则大因此控制频率由 高向低变化，并测定出各个频率条件下的v r 值，就可以得到v r 随频率f ( 或说深度h ) 的变化曲线。另外由于瑞雷波的传播速度和介质的物理性质密切相关，通过观察h v r ， 或九。一v 。曲线中的拐点有助于判断界面的深度。通过瑞雷波的上述特性，辅助计算机的 应用，使瑞雷波的勘测成为了现实。 2 1 3 均匀半空间介质中的瑞雷波 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；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。 均匀半空间介质是一种理想化模型，也是最早证明瑞雷波存在的一种假设，它为研 究瑞雷波的某些传播特征和具有的某些特性提供了简便的方法。 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 hp lv p lv s l 0 p2 v p 2v s 2 1 图2 - 2 两层半空间介质 图2 3 是瑞雷波在图2 2 模型中传播时的 频散曲线。所用两层参数为：v 。9 5 m s ，v i = 2 5 0 m s ， pr = 1 8 9 c m , h l = 2 m ；v s 2 = 2 4 0 m s ，v ，2 ：5 0 0 m s ， p2 = 1 9 9 c m 3 。从图中可以看出当频率较大时，v 。 ：9 0 m s ，即等于第一层的瑞雷波传播速度，第二层 影响几乎为零，当在低频段时，v 。：2 1 0 一2 2 3 m s ， 即代表第二层的瑞雷波传播速度。当在1 4 - - 4 0 h z 之间，频散曲线梯度较大，为两层互相影响的结 果。 2 2 04 01 0 0 图2 3 两层半空间介质中瑞雷波频散曲线 2 2 检测方法与关键技术n 1 f ( h z ) 2 2 1基本检测方法与原理 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。在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距a x 设置n + 1 个检波器， 就可以检测到瑞雷波在n a x 长度范围内的传播过程，设瑞雷波的频率为厂，相邻检波 器记录的瑞雷波的时间差为t 或相位差为q ，则相邻道a x 长度内瑞雷波的传播速度 为： v r = a x a t ( 2 - 3 ) 瑚i枷m啪啪 中南大学硕士学位论文 第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 或 或 v r = 2 nf ，a x ( d 测量范围n a x 内平均波速为 v r _ n l x z a t i 7 f = i v r = 2 矽t n a x a 叫 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 在同一地段测量出一系列的v r 值，就可以得到一条v r _ 厂曲线，即所谓的频散曲线 或转换为v r 一1r 曲线， r 为波长： r - - - - v r f ( 2 7 ) ， v r 一，曲线或v r 一 r 曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系，通过对频 散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞雷波 传播速度v r 值。另一方面，v r 值的大小与介质的物理特性有关，据此可对岩土的物理性 质做出评价。 2 22 稳态法 图2 - 4 是稳态瑞雷波勘探原理示意图，当激振器在地面上施加一频率为，的简谐 竖向激振时，频率为，的瑞雷波以稳态的方式沿表层传播，利用地面上的检波器可测 量出相邻道瑞雷波的同相位时间差t ，根据公式( 2 3 ) 计算出，的瑞雷波的传播速度 v r ，。改变激振的振动频率为，就可以测量当前出当前频率下的v x 值，所以当激振 的振动频率由高向低变化时，就可以测得一条v r f 曲线或v r 一 r 曲线。稳态法的主 要优点是可以得到较低的频率，从而达到较大的勘探深度。并且可以从实测各频点资料 的过程中，总结出一套地层地质的解释经验，缺点是仪器大，施工慢，效率较低。瑞雷 波勘探属于弹性波的应用范畴。因此，记录信号的设备配置与常规浅层地震勘探仪器相 似，主要的区别在于，稳态法瑞雷波勘探须配置激振系统，瞬态法需要配置信号处理功 能较强的计算机。 中南大学硕士学位论文 第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 图2 - 4 稳态法原理示意图 2 2 3 瞬态法 瞬态法与稳态法的区别在于瞬态法的震源是在地面上产生一瞬时冲击力，产生一定 频率范围的瑞雷波，不同频率的瑞雷波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播。而稳态法 则产生单一频率的瑞雷波，可以测得单一频率波的传播速度。所以瞬态法记录的信号要 经过频谱分析，相位谱分析，把各个频率的瑞雷波分离开来，从而得到一条v 一f 曲线 或v r 一 r 曲线。瞬态法优点是仪器轻便，施工快速，目前的主要问题是如何激发出频 率较低的信号，进一步增大它的勘探深度。( 图2 5 ) 瞬态法的有效信号和干扰信号在记录上难以分别时，应该在同一激发点重复接收3 5 次，把重复接受的信号叠加，取其平均值，以加强有效信号，压制干扰信号。在测 点的一侧激振和接收完成后，可把振源移至测点的另一侧，再重复激振接收3 5 次， 把两侧的测量结果平均，作为该点的最终结果。 瞬态瑞雷波法是由地面一点激发出不同频率的瞬态瑞雷波，波沿地面表层传播，同一 频率( 波长) 的传播特性反映了地质介质在水平方向的变化情况，不同频率( 波长) 的传播特 性反映着不同深度的地质介质的变化。它最佳探测深度为3 0 m 以内，采空区的异常特征 是在采空区顶部，频散曲线发生歧变，该异常特征适应各类型采空区。特别是浅部采空区 的异常，精度很高。瑞雷波法横向分辨率取决于采样的点距，点距必须小于异常体的宽度， 要提高纵向分辨率，可增加低频成分。瑞雷波法的有效探测深度可达8 0 米左右，在3 0 m 以 内能够确定采空区的分布范围和顶板埋深。适合各类型采空区探测，探测精度较高。3 0 m 以下由于受频率的限制，频点较稀，异常不易分辨，探测精度较低。 多道瞬态瑞雷波勘探技术，利用瑞雷波的频散特性和传播速度与岩土物性力学的相 中南大学硕士学位论文 第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 关性可以解决诸多的工程地质问题，实践证明是岩土工程勘察的一种行之有效的勘察方 法，一方面能准确反映和区分不同岩性的界面，指出其精确厚度和各层的波速；另一方 面所测波速能够直接反映岩土的物理力学性质。因此，该方法不仅大大节省投资，而且 明显地简化了现场工作程序，缩短勘察周期，提高了工作质量和效率，必将在岩土工程 勘察领域发挥越来越大的作用。 2 24 本次探测采用的方法及其现场数据采集方法1 本次试验考虑到试验条件，决定采用瞬态法。 由于瞬态瑞雷波勘探是通过不同波长的面波来反映不同深度的介质，并通过瞬态瑞 雷波的速度来描述不同地层的物理力学性质的，因此要根据不同勘探目的，选取适当的 激发、接收方式和采集参数。 n ) 道间距偏移距的确定：道间距与偏移距主要根据勘探分辨率和深度来确定，一般 勘探深度浅时道间距及偏移要小，反之，则要大。在岩土工程勘察中一般要求道间距a x 应小于2 倍的勘探分辨率，偏移距应为勘探深度的1 2 至1 3 。 道间距的设置要合理。根据空间采样定理可知，检波器的距离要小于等于波长的一 半才不至于出现空间假频。从相移计算角度考虑，道间距也要小于波长才能保证两道间 相移为同一频率成分之间的相位差。因此在选择道距时，一般要小于或者等于目的层深 度，这样才能分辨出相应深度的地层。也就是说，在探测大距离时要用大道距，探n d , 距离时用小道距。 ( 2 ) 排列长度的确定：排列长度受仪器道数，道间距等因素限制。在多道瞬态瑞雷波 勘探中，一般要求为勘探深度的1 5 - 2 倍。 ( 3 ) 记录长度、采样间隔的确定：在瞬态瑞雷波勘探中，采样间隔与勘探深度有关， 对于浅层宜采用较高的采样率：反之，应采用较低的采样率以增加低频段的频道数，达 到提高深层的分辨率。记录长度可根据瑞雷波群速度和最大偏移距来确定，以在时间剖 面上最远道的瑞雷波开始出露在记录长度的1 1 3 - 1 2 为宜。 此外，对于偏移距离( 最小炮检距) 的选择也尽量做到大于或等于道距；保证道问 一敛住也特别重婴；同时汪葸尽量避外讣境十犹的影啊，以提局致聒米集明质重。 2 2 5 现场数据采集注意的问题 ”1 多道瞬态瑞雷波勘探现场数据采集与常规地震勘探使用的多道观测系统相同。这与 稳态法和早期只有两道的采集系统相比更加方便快捷，并且可以在时间剖面上准确识别 瑞雷波所在的时间空间位置，合理设计观测“窗v 1 ”。为了取得高质量的现场观测数据，还 需涟枣隧下间霹。 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 ( 1 ) 使用宽频带的脉冲震源：低频瑞雷波的传播特征反映了深层的信息，高频分量的 特征则反映了浅层信息。在工程中常需要对地下几十米内的土体进行分层，这就需要使用 的脉冲震源有足够宽的频带。 ( 2 ) 选择匹配的检波器：在理想情况下瑞雷波勘探用检波器的频响特性应有从0 h z 到数百甚至千赫的宽频特性，这在实际中是达不到的，可以结合使用不同固有频率的检 波器，如4 hz 、3 8 hz 和1 0 0 hz 。 ( 3 ) 采集过程中最好不要进行滤波：滤波会损失瑞雷波携带的有用信息，同时，瑞雷 波勘探中，希望滤波处理不改变数据的相位特性，但现有的滤波处理程序都会产生一定的 相移，从而对瑞雷波频散曲线的计算产生不利影响。 ( 4 ) 选择合适的观测系统参数：观测系统参数包括时间采样率、采样长度、道间距、 偏移距、记录道数等，应根据勘探目的层的深度、厚度或目标体的尺寸确定观测系统参数。 一般说，展开排列长度应不小于最大勘探深度，道间距应不大于研究的最小地层的厚度。 图2 - 5 瞬态法原理示意图 2 3 测试数据、图像处理及结果分析n 1 当在矿岩介质表面施加一瞬间冲击力后，在介质表层产生一个由许多波组成的瑞雷 波。瑞雷波在弹性波中振动能量最强，传播速度最低，能量的衰减率低，因而容易检波 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 且具有较高的分辨率。在分层介质中，瑞雷波具有均匀介质不具备的频散效应。这是瑞 雷法探测空区的物理基础。 设介质表面上沿波的传播方向m 、托处的信号分别为“，r 和曲r 。通过积分可求 得叽俐和啦俐的互相关函数r 。( r ) ，进一步对y 。( r ) 进行f o u r i e r 变换，得到互 相关谱忍倒为： 忍倒= i 尼倒1e “+ ( 2 8 ) 式中，a 庐( 钞为丑、托处的信号的相位差。把代入v r = 3 6 0 f a 4 庐瞳，求得不同频率 ( 力谐波的瑞雷波传播速度( 盼，这里，4 x 为与兄之间的间距。基于波长( 一) 与 和，间存在的关系，可求得空区异常的探测结果。 由式( 2 8 ) 知，检波器接收到的信号u r 砂中如存在干扰成份，以及系统的非线性， 均会对探测结果产生不利影响。因此，降低干扰信号的影响，是提高瑞雷波探测空区结 果精度的有效途径。 图2 6 ，2 7 为厂坝铅锌矿探测过程中，记录到的冲击信号响应与背景噪声信号的对 比。这表明在合适的时段进行探测可提高探测精度。 图2 6 有效探测信号( 一1 8 d b ) 图2 7背景噪音信号( 一1 8 d b ) 2 4 瑞雷波勘探解释软件g e o r w a l 8 2 ；4 1g e o r w a 的基本原理 g e o r w a 软件包是长春科技大学( 原长春地质学院) 工程技术研究所推出的一套较 为完整的瞬态多点瑞雷波勘探解释软件。该软件可对所采集的面波数据进行处理，其处 理所采用的方法是在时间域中加时间窗，而后进行二维富氏变换，并在二维域中选取特 征面波频散曲线，计算出瑞雷波视速度与深度曲线，并可根据用户所确定的层位和分层 速度进行正演拟合计算。 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 该软件系统采用仿真w i n d o w s 编程风格，具有友好的用户操作界面和强大的容错处理功 能。 24 2g o o r w a 的功能菜单区 该区所包含的菜单项是整个采集处理系统的关键，具体各菜单项的内容如下所示 表2 - 1g e o r w a 的功能菜单表 1 h e a d当前数据记录头修改功能 2 l o a d 数据文件调用功能 3 f i l e s 数据文件查看功能 4 x - v 波形加时间窗口功能 5 f - k 频率一波数域工作台面 6 h v 瑞雷波速度一深度显示界面 2 4 3 资料解释步骤“2 i ( 1 ) 数据的初部处理 调用欲处理的数据或者将当前采集所得的数据进行初步整理，其主要内容是进行数 据道的反序号显示以及个别数据道的反向显示等操作。否则可直接对原始数据进行加窗 处理。其加窗处理的原则是尽量将面波成分包括在窗口之内。对于存在有异常数据道的 记录，宁可减少计算道也要将其置于窗口之外。 ( 2 ) 进行f k 计算 在f k 域工作台面上选取特征瑞雷波曲线( 可采用自动选取和手动选取两种方法) 。 对于瑞雷波信噪比较好或者瑞雷波较为发育的记录，其瑞雷波特征曲线比较完整，此时 可以使用自动选取功能。其它情况下可以利用手动方法拾取特征瑞雷波曲线。根据面波 理论可知，在无外界干扰的情况下瑞雷波所占的能量较大，故在f k 域图形中，应该选 择能量较大的区域进行瑞雷波特征曲线的选取。由于高频和低频信号的干扰，瑞雷波特 征曲线的高频端和低频端曲线会出现线段不连续、分叉等异常现象，此时你应该将这些 异常段去掉，否则会使解释结果出现许多非点，影响资料的正确解释。 ( 3 ) 进行瑞雷波分层及层速度的计算 在h v 域工作台面上调整所得的瑞雷波视速度一深度曲线，即可以将其进行分层 计算并显示出各层的速度值以及界面埋深。并可调用相应的功能对瑞雷波的分层速度和 分层界面埋深进行调整和正演拟合计算，直到拟合系数达到满意为止。如果不满意，则 可重新返回f k 域中对特征瑞雷波进行重新选取，再重复上述步骤。 中南大学硕士学位论文 第二章瑞雷波法探测采空区的理论基础 2 5 国内外实际应用情况7 2 1 4 1 5 】 从本世纪5 0 年代，人们发现了瑞雷波在介质中所具有的频散特性“1 ，广泛利用 天然地震记录得到瑞雷波来研究地球内部结构。6 0 年代以来借助计算机对瑞雷波的频散 特性研究有了突飞猛进得发展“。到了7 0 年代，美国最先开始利用人工激发得到高频 瑞雷波来解决浅层工程地质问题的方法技术。在利用稳态激振法产生瑞雷波方面，日 本于8 0 年代初推出了全自动地下勘查机，并在工程地质勘查的诸多领域内应用”1 。我 国在8 0 年代末也开始应用浅层地震仪配制国产电磁激振器开展了瑞雷波法的试验研究， 取得了可喜的成果“。 利用天然地震中的瑞雷波可以开展地球内部结构，地震灾害的研究，利用人工激 发的瑞雷波，可以解决众多方面的问题。如工程地质勘察”3 ，地基加固处理效果评价 “，岩土的物理力学参数原位测试1 ，地下空洞及掩埋物探测“，公路、机场跑道质 量无损检测“”2 4 ，饱和砂土层的液化判别。”，此外还可以有效的用于基岩的完整 性评价，场地土类型、类别划分，滑坡调查，堤坝危险性预测，桩