YTR(D)_瑞利波探测仪_使用说明书

1、MA 安全标志编号：XXXXXXXXE x i bI 防爆证号:XXXXXXX煤炭科学研究总院西安分院XIAN BRANCH OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE通过 ISO9001:20 00 国 际 质 量 认证 产品执行企业标准：Q/MKYX 037-2005YTR(D) 瑞利波探测仪文件编码：MYXZ-JS-142/4Rayleigh Wave Seismograph使用说明书王有杰 编写 丛皖平 审核煤炭科学研究总院西安分院i安装、使用仪器设备前 ,请 详细阅读使用说 明 书！ 颁布日期：2005 年 5月 10日瑞利波探测技术是国家“七五”科技攻关项目荣

2、获：煤炭部科技进步二等奖北京国际发明展览会铜奖93 年国家级新产品96 年煤炭部重点推广的科技成果98 年煤炭部推广应用三等奖YTR(D)瑞利波探测仪照片煤炭科学研究总院西安分院ii第一章 概述1.1 产品特点YTR(D)瑞利波探测仪结构紧凑，性能稳定，体积小，重量轻，外形美观大 方，操作使用简洁方便。在煤矿生产过程中，查清掘进面前方地质小构造，特别是断层、老窑、岩溶 等灾害性构造情况，直接关系到煤矿安全生产以及经济效益和社会效益，甚至威 胁井下人员的生命安全。国内外近年来对煤矿井下地质小构造探测问题进行了大 量研究，现有的可用于煤矿井下地质小构造的物探技术主要有瞬态瑞利波法、槽 波地震法、坑

3、道无线电透视、矿井地质雷达及井下直流电法等。经本课题组十多 年来的研究及大量的工业性试验表明，瞬态瑞利波探测技术具有仪器体积小，重 量轻，易于进行本质安全型防爆，且该方法所需施工场地小，抗干扰（特别是抗 电磁干扰）能力强，探测经济方便等优点。新产品就要有新技术，在 2005 年最新研制的 YTR(D)瑞利波探测仪中，设计 采用了 24 位 ADC、嵌入式 PC/104 工业控制机、EPLD 及 FPGA 等先进技术，形 成了一个高性能的硬件数据采集系统，具有实用性、先进性和新颖性，为进一步 解决瞬态瑞利波探测技术中的多分量数据采集问题、提取有效瑞利波信号而采取 的极化滤波手段、瑞利波层速度分析

4、、进行瑞利波正反演地震模型计算奠定了良 好的基础。数据采集控制程序是在 Windows 环境下。显示部分采用了 6.4640×480 大屏幕高分辨率彩色 STN 液晶平板显示器，数据采集波形及处理结果显示十 分直观，同时对接收各地震道单分量或多分量的波形可进行时域/频域曲线、AGC 放大等显示方式的切换。仪器实现了无键盘操作，通过面板上的鼠标，可方便地 控制和设置仪器各项工作参数、输入施工参数和完成数据采集操作过程。仪器中 的数据文件管理采用 WINDOWS 98 中的文件管理方式，可以很方便地实现文件的存 贮、删除、移动、显示等功能，通信采用了计算机 USB 口，使仪器的实用性大大

5、 提高。1.2 主要用途及适用范围瑞利波勘探技术具有广泛的应用前景，采用瑞利波探测技术这一手段，可以为地质专家解决煤矿井下超前探测掘进面前方或巷道的顶底板、巷道两邦的一定范围内的煤层、岩层的厚度及其小构造的情况。在煤矿井下只需 3-4 人即可开展地质情况勘探。该仪器也可应用于地面工程勘探中，探测地表以下 080M 浅层构 造，如建筑地基、水坝堤防、高速公路和铁路路基等许多领域,具有数据处理简单， 成果直观等特点。瑞利波探测技术是我院根据国家“七·五”科技攻关项目“瑞利波探测技术 研究”，于 1991 年研制成功并首次用于煤矿井下的防爆型 MRD-I 型瑞利波探测仪。 根据煤矿井下实际

6、工作特点，在广泛听取了煤矿生产现场技术人员的意见的基础 上，于 1993 年又研制成功“MRD-II 型瑞利波探测仪”和相应的计算机数据处理 软件系统。比较满意地解决了煤矿井下长期未能解决的巷道四周构造探测，特别 是掘进前方超前探测的问题，为矿山生产的部署，瓦斯、水患等灾情预报和治理 提供了一种高效、适用的手段。MRD-II 型瑞利波探测仪在 94 年被列为煤炭工业 部“八·五”期间 100 个重点推广技术之一，1996 年煤炭工业部又将该仪器确定 为重点推广的八项科技成果之一，目前仍在推广使用。MRD-II 型瑞利波探测仪在 我国四川、湖南、河北、河南、山西、重庆、山东、安徽、贵州

7、、宁夏、广东、 陕西等省六十多个局、矿推广使用表明，该项技术在煤矿井下地质构造探测方面 发挥了重要作用，解决了不少地质上的难题，不仅多出了煤，而且节省了大量的 资金，对矿山安全生产及高产、高效有着广阔的应用前景。1.3 产品规格与分类1.3.1 防爆类型YTR(D)瑞利波探测仪为煤矿用本质安全型设备，防爆标志为“ExibI”。1.3.2 防爆性能经国家防爆检验部门审查检验合格，取得检验部门发放的“防爆检验合格证”及矿用产品安全标志办公室发放的“煤矿矿用产品安全标志证书”。1.3.3 产品组成与关联表 1 瑞利波探测仪成套整机明细序号产品型号及名称使用环境防爆型式安标证编号1YTRZ(D)瑞利波

8、探测仪主机煤矿井下本质安全2GZD (D)震动传感器煤矿井下本质安全3YTRZ(D)瑞利波探测仪充电机井上不防爆无1.3.4 产品使用方式产品使用方式为便携式仪器。1.3.5 工作时间充足电后，连续工作时间不小于 2h。1.4 产品使用环境条件 YTR(D)瑞利波探测仪在下列条件中应能正常工作： a. 环境温度为 040；b. 相对湿度不超过 95%（25）；c. 大气压为 80 kPa106kPa；d. 允许在甲烷和煤尘，但无破坏绝缘的腐蚀性气体的场合中使用；e. 在无剧烈振动和冲击的地方使用。1.5 外形尺寸及重量 YTRZ(D)瑞利波探测仪主机外形尺寸及重量： 外形尺寸：240 mm&#

9、215;199 mm×165mm（长×宽×高）。 重量：9kgGZD(D)震动传感器外形尺寸及重量： 外形尺寸：55mm×60mm (直径×高) 重量：单只传感器重量约 0.7kg（含线重量）第一章 工作原理2.1 瑞利波探测技术概况瑞利波探测法是近年来工程地震勘探兴起的方法之一。瑞利波的存在是 1887 年由英国物理学家瑞利（Rayleigh）在理论上确定的。因技术条件所限，直到六 十年代后期，随着数字计算机在地球物理勘探领域中的应用，对瑞利波频散特性 的研究有了较大发展。八十年代初日本人佐藤以瑞利面波传播特征为基础，研制 成功了利用稳态激振

10、法的 GR810 佐藤式全自动地下勘探机，目前美国和其他一 些国家也在使用瑞利波法，并在工程地质勘探中的许多领域应用。瑞利波探测技术是通过采集人工地震波所携带的地下信息来分析地层结构， 目前有两种方法，一种是面波变频探测法，亦称稳态法，其基本思想是利用某一 波长的瑞利波相速度来表征深度小于该波长一半（/2）的地层平均剪切波速度（用 VR/2 曲线表示），改变激振器的频率从而得到不同波长的瑞利波，当曲 线形态发生异常，在曲线异常处的深度上就可能存在地质异常体或岩性界面。这 种方法由于激振器较笨重，在某些工程场地使用困难，特别是煤矿井下无法采用。 另一种方法是面波频谱分析法，也叫瞬态法，它是由震源

11、产生一定带宽的脉冲， 通过测线上相距震源不同距离的两个接收传感器，把信号采集到瑞利波仪的记录 中，利用 FFT（快速付里叶变换）和频谱分析技术，通过相干函数的互功率谱相 位展开谱，从而得到两个记录信号在不同频率下瑞利波在传播过程中由于时滞而 产生的相位差，根据两路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。由 A，B 两点的已知距离，便可求得不同频率瑞利波的相速度，同时由此得到该点的 频散曲线。由于瞬态法在理论上考虑了层状介质中瑞利波的传播理论，其探测精 度高于稳态法。2.2 系统组成YTRZ（A）瑞利波探测系统是由“井下”和“室内”两部分组成， “井下部 分”是由 YTRZ（A）瑞利波探测

12、仪箱体和六个加速度传感器组成，井下设备均为 本质安全型设计，并通过了行业相应机构的防爆性能检测。“室内部分”是由微 型计算机（主频 2GH 以上）、打印机、电源单元专用充电机和资料分析及处理软 件组成，构成了一个完整的数据采集与信号分析处理系统，其任务是把施工勘探 数据采集后以数字量形式进行计算、显示、存贮、通信、处理分析和打印成图。第三章 产品技术特性3.1 技术性能输入 信号 道 ：6CH最 大 输 入 信号 ：8Vp-p信 号 输 入 频率 ：0500Hz；传感器：幅频响应：10Hz1000Hz（相对误差5）；输出电压范围：5V电源 ：锂离子电池组，具有过压、过流、欠压的保护功能。外 型

13、 尺 寸 ：240 mm×199 mm×165mm ；重量 ： 5 kg ；防 爆 形 式 ：矿用本质安全型，防爆标志为 ibI(150OC) ；工 作 温 度 ：0+40 ；存 贮 温 度 ：-20+55 。3.2 面板说明YTR(D)探测仪面板示意图如图 3-1 所示：图 3-1. YTR(D)瑞利波探测仪面板示意图YTR(D)瑞利波探测仪面板说明：*1显示器；*2鼠标；*传感器加速度传感器输入插座；*传感器加速度传感器输入插座；*触发/USB触发传感器输入插座和 USB 插口；*充电电池充电输入插座；*开用于开启系统电源；*关用于关闭整机电源；*MA矿用设备安全标志准

14、用证；*ExibI 防爆标志。3.3 资料处理与解释为了便于用户在施工现场就能了解当前的勘探结果，数据采集系统提供了结 果预览功能，在每一个测点采集数据完成后，控制程序自动进入结果预揽，将该 测点采集到的所有炮（根据设置）的探测结果显示在液晶屏上。整个过程十分简 单。如果采用测线连续测点勘探方式施工，在采集多个测点后或一条测线完成后， 可用仪器上的测线预揽功能, 为用户提供整条测线的瑞利波剖面图，由于是现场 实时采集后的结果预览，没有经过必要的数据处理和信号增强处理，其预览结果 仅供用户参考，不作为正式资料提供，希望用户在实际使用过程中了解这一点。施工现场的放炮记录文件被存入探测仪箱中的存贮体

15、上，回到室内后把通信 电缆与仪器面板上的通信插座连接，并将仪器所配置的 U 盘插入 U 盘接口，打开 仪器电源，执行“通讯”命令后，放炮记录即可通过 U 盘拷贝到台式计算机中。 通过我们设计开发的“瑞利波资料处理软件”进行数据处理，得出分散曲线和深 度曲线，并可打印单个曲线和地质剖面图。在数据分析处理过程中，采用了增强 有效信号，压制干扰信号，提高信噪比等手段，使地质异常点能够清晰在深度曲 线上表现出来。如果采用测线连续测点勘探方式施工，在资料处理完成后，经瑞利波成图软 件图形处理，可为用户提供每条测线的瑞利波剖面图,如果结合地质资料绘制推断 性的地质剖面附在瑞利波剖面图上，则可构成瑞利波地质

16、剖面图。此章节详细内容请阅读瑞利波资料处理系统操作手册。第四章 施工方法及技术YTR(D)瑞利波探测仪采用了瞬态法瑞利波勘探方法，仪器具有防爆性能，既 可以应用于矿井地质构造勘探，又可以应用于地面工程勘探。瞬态法瑞利波勘探 的工作过程是在放炮点上产生一个瞬态冲击振动作为震源，该震源产生一定频率范围的瑞利波，不同频率和振幅的瑞利波叠加在一起向前传播，在距震源 x 处的 测线上，采用纵观测系统，即震源和传感器排列在一条直线上，以道间距为 x 安 置有两个或两个以上单分量加速度传感器，对于布置传感器的道间距 x ， 理论 上讲 x 越大，所接收瑞利波频谱的低频成分越丰富，对加大勘探深度非常有利。 如

17、果 x 太小，所接收的各道信号就没有足够的相位差，从而无法保证资料处理。 由于施工现场条件限制，应视施工现场场地大小来决定 x ，在通常情况下，道间 距 x 布置约为 100cm 左右。震源激发点距第一个传感器 x 也布置约 100cm 左右,如图 4-1 所示。图 4-1. 施工布置示意图实际上在整个施工过程中应包括：踏勘、布置测线、在测线上激发（放炮）并采集数据、资料处理与解释，下面分别进行介绍。4.1 施工现场踏勘施工现场踏勘是正确安排施工各项工作不可缺少的一个重要环节，必须认真 进行。因此，在布置测点/测线前，要充分搜集和研究已有的地质、钻探、物探资 料并进行实地踏勘。踏勘应注意观察和

18、了解地形、地物、布置传感器地表的岩性（不同的岩性，对传感器要采用不同的安置方法）等有关施工现场工作条件，供以后施工勘探设计和开展各项工作参考。 瑞利波的施工方法可以沿测线进行探测，提供每一条测线上的瑞利波等值线剖面图。如果施工场地狭小，如煤矿井下掌子面超前探测，可进行瑞利波的点探测，其结果得到该物理点上的瑞利波VR ZR （波长 ZR 可变换为深度 H）曲线。为 了准确而迅速地探明测区地质情况，必须注意测点或测线的合理布置，以满足地 质解释工作的需要。4.2 测线/测点布置原则瑞利波勘探的测线/测点布置原则与其它物探方法一样，要根据探测对象、施 工环境、生产任务、地质构造和地形等条件来确定，请

19、按照如下几点要求： 测线/测点布置可垂直于岩层或构造走向，也可顺岩层（如顺煤层追踪其 走向）走向，测线尽可能布置成直线。如果施工现场条件不能满足上述要求，则 要计算出传感器与岩层的夹角，以便最终处理结果（如层厚度）的修正。 瑞利波探测法通常采用纵观测系统，锤击点（放炮点）与传感器应布置点在同一条直线上。 不同的地表岩性，对传感器采用不同的安装方法。在测线/测点上安装传 感器时，可用钢钎固定法、各种粘接法（如：502 粘接剂、双面胶带、石膏粉、 快干水泥）、磁铁座等安装方法，传感器必须固定牢靠，与岩层达到较好耦合。在滚动施工时，要求各道传感器的道间距 x 相等，以便资料处理时进行炮迭加。4.3

20、探测模式的选择YTR(D)瑞利波探测仪根据不同的施工对象和目的设置了浅层探测、深层探测、 超前探测等三种施工模式。选择不同的施工模式，检波器布置方式有所不同，资 料处理程序针对不同的探测模式也采用了不同的处理方法。浅层探测模式一般用于预计探测的目的曾比较浅（不大于 15m），如探测剩 余煤层厚度。这种模式下传感器的布置参考图 3-1 的方式，所布置的 6 个传感器 可得到 9 个物理点的探测结果，第 1 个探测结果物理点为 A 与 B 的中心点，第 2 个探测结果物理点为 A 与 C 的中心点，第 3 个探测结果物理点为 B 与 C 的中心 点。这种模式的优点是探测密度大、效率高。一般情况下建

21、议使用深层探测模式，这种模式下传感器的布置与浅层探测模 式相同，只是所布置的 6 个传感器只得到 1 个物理点的探测结果。探测结果物理点的位置在 C 与 D 的中心。在这种模式下，由于采用了六个信号道叠加处理， x增大，所接收瑞利波频谱的低频成分更丰富，而且随着检波器的增加，信息量有了大增加，这些措施对加大勘探深度非常有利。如果要在掘进掌子面进行超前探测,由于掌子面的宽度一般不会超过 3 到 4米，为了适应超前探测的施工要求,必须采用特殊的检波器布置方式，超前探测施工布置示意图如图 4-2 所示。其中 x 布置仍为 100cm 左右, x 为 20cm。探测结果物理点的位置在 C 与 D 的中

22、心。需要注意的是，如果要实施这种探测，则必须在系统菜单中“施工模式”项中选择“超前探测”模式。图 4-2. 超前探测施工布置示意图4.4 瑞利波的激发瞬态瑞利波法震源一般采用落重法，即以一定质量为 M 的重块，提升高度 H， 自由落下撞击地面，从而产生瑞利波。因此，当进行浅部探测时（02 米），可 用小锤。当探测深度较大时，可采用大锤或自由落体重铁块（适用于水平地面） 做震源。瑞利波的激发如图 4-1 所示的那样，在放炮点上产生一个冲击振动，必 须在一个圆形铜垫或铁垫（也可以是其它材料的圆垫）基座上进行。第五章 使用及仪器操作YTR（A）瑞利波探测仪的人-机接口是由仪器面板上的 LCD 彩色液

23、晶显示器、 小型密封式两键鼠标组成。在整个操作过程中，LCD 彩色液晶显示器可动态实时 显示数据采集的波形和采集控制系统的操作菜单界面，操作人员可根据需要并通 过鼠标光标点击菜单命令，选择适当的工作方式和仪器参数来完成数据采集任务。 施工过程中的整个操作任务十分简单，操作人员参照本使用说明书稍经练习即可 完全掌握。5.1 控制软件菜单功能MRD-III 型仪器的功能都是通过菜单的形式实现的。另外，为了操作人员的 使用方便，控制系统特意将一些常用的操作命令以快捷图标按钮的方式置于桌面 上，通过鼠标器，在桌面上直接单击所需要的快捷图标按钮，就可执行对应的命 令功能。在出现欢迎画面约 610 秒钟后

24、，系统会自动进入菜单界面，如图 5-3 所示，图中 113 内容项说明如下：14253图 5-2. 仪器操作主界面1 下拉式菜单；2 快捷按钮；3 当前设置参数显示区；4 波形振幅 AGC（自动增益控制）分贝数及溢出显示；5.2 数据采集及显示5.2.1 数据采集当各项参数设置完成后，用鼠标单击“工作状态”菜单下的“开始放炮”命 令或单击快捷图标按钮的“开始放炮”，将出现一个屏幕提示：“请捶击”。这 时系统进入外触发数据采集状态，等待震源触发信号的到来。此时，仪器操作员 告诉施工人员开始放炮（锤击圆形基座）。放炮后，仪器首先接收到外触发信号， 系统开始数据采集。当数据采集完成以后，经计算机实时

25、处理，在屏幕上会立刻 显示放炮记录的波形。如果等待外触发信号约 40 秒钟还没有到来，采集系统将自 动返回到主菜单。当一个测点的第 1 炮显示波形比较满意、不再需要修改任何参数时，保存该 炮纪录，输入该测点存盘文件名。可继续执行放炮命令，如果该测点设置了多炮 记录，在以后的第 N 炮数据存盘时，则不再输入放炮记录文件名，系统会根据测 点炮数自动生成系列文件名。最后一炮记录存盘完成后，系统会提示该测点工作 已完成的对话框。5.2.2 显示方式在“曲线显示”菜单中，数据采集波形的显示方式有如下几种选择，分别是：时间域曲线、频率域曲线、AGC 显示切换。5.3 勘探结果预览在施工过程中，当一个测点的

26、数据采集完成后，如果想要了解当前勘探结果， 可在屏幕上出现的“是否进入预揽程序”对话框中选择“是”，控制系统自动进 入“结果预览”处理程序，将该测点的每一炮纪录的频散曲线显示出来，屏幕上 出现如图 5-6 所示的画面。图 5-6.结果预览的频散曲线当要结束预览时，单击“退出”命令菜单，程序返回控制软件菜单窗口。如果对预览结果满意，即可继续下一个测点的探测。5.4 数据通信将放炮记录回放到 PC 机中，以便于地质或物探方法解释人员在 PC 机上作多种方式的资料处理和分析，下面对数据通信的操作过程进行介绍。 首先连接通信电缆到仪器面板上的“通信”插座上。 打开仪器“数据管理”菜单，单击“通信”命令

27、。屏幕出现通信文件选择对话框，在 C:6RLWDATA 子目录下选择所需要通信 的文件名，系统将会根据所选取的文件名来自动搜索当前路径下前三位字符相同 的所有文件，也就是说对放炮记录文件名的前三位字符相同而测线号/测点号不同 的文件自动进行数据通信。 当数据通信任务完成后，屏幕显示通讯结束的提示，即可将 u 盘从通信电缆上拔下，进行下一项操作，或选择退出系统。第六章 应用实例2005 年 6 月收到平煤集团的邀请以及淮南矿务局超前探测课题试验的需要，YTR（A）瑞利波探测仪在平顶山和淮南进行了工业性试验。试验内容主要是探测采、掘工作面前方及周边 080m 范围内的地质异常体， 对探测出的地质异

28、常体并结合已有的地质资料进行具体分析，判断构造或煤层与 岩层的分界面，即煤层位置。以下是在几个煤矿的应用情况：6.1 实例 1探测地点：平煤一矿丁 1 皮带下山上出口下 10m。 探测目的：探测丁 6 煤层下部构造和煤层位置。 探测模式：向下深层模式采样频率：4000Hz 记录长度：2048 个样点 叠加次数：5 炮 参加试验人员：一矿：田建军、祝志军、贾德海 集团地测处：胡城 西安分院：王有杰、丛皖平、贾欣池、张鹏探测结果：共布置了三个物理测点，井下采集存储数据，在地面经计算机处 理后，得到探测结果：在 5m、20m、40m42m、80m 四个测深位置有地质异常，可 能是煤层与岩层的分界面，

29、即煤层位置，或存在断层。平煤一矿解释：与实际掌握情况对比探测资料，根据丁一皮带下山实际揭露，地质情况和附近 30，-17、30-11 两个钻孔资料分别在 18.68m、39.16m、87m 为煤层位置，该区域未发现断层。探测结果与实际掌握的煤层赋存情况基本吻合。其中第一层煤位置误差为 1.32m，第二层煤位置误差为 0.842.84m，第三层煤位 置误差为 7m，详见图 6-1 所示。由此可以看出，探测距离越深，其误差越大，540m 范围内探测精度较高。(a)综合柱状 (b)深度曲线图 6-1.平煤一矿丁 1 皮带下山施工点探测结果6.2 实例 2探测地点：平煤十三矿已 161712111 机巷切眼 8m 处。 探测目的：