太赫茲探測技術論文

　　太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源;下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!

　　篇一

　　瑞利波探測儀探測空洞的探索

　　摘要：瓦斯事故是影響煤礦安全生產的一大因素，是生產過程中需要預防的技術瓶頸。國內外科研機構和生產單位投入大量的人力物力研究新技術、探索新方法。煤炭科學研究總院西安研究院研製生產的YTR***D***瑞利波探測儀能夠準確探知50m範圍內的介質分佈情況。根據實際需要利用瑞利波儀器，通過對其探測理論的學習及延伸，嘗試在地面做空洞探測，探索研究特徵曲線，嘗試開發儀器新功能，以滿足井下安全生產的需要。

　　關鍵詞：瑞利波探測儀;施工佈置;資料採集;井下施工

　　中圖分類號：TD71 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374***2013***21-0016-02

　　平禹煤電公司四礦曾於2008年8月1日和2010年10月16日發生煤與瓦斯突出事故，前者突出煤量2554噸，突出瓦斯量約26萬m3，後者突出煤量2500噸，突出瓦斯量約17萬m3，突出區域區域性形成了不規則的空洞，為了瞭解該空洞的形狀及範圍，根據礦井生產需要，決定使用瑞利波對該區域進行探測。

　　1 瑞利波探測儀儀器原理簡介

　　瑞利波探測儀是由煤炭科學研究院西安研究院研製，型號為YTR***D***，是由探測主機、人工震源墊、銅錘、鋼釺、六道檢波器及一道觸發器組成。它是利用特定波段***瑞利波***在不同介質中及介質分介面傳播速率的變化，並以波的反射形式觸發，由檢波器接收訊號，從而達到採集資料的目的。其施工方法見圖1：

　　瑞利波是採用瞬態波進行工作的，它由震源產生一定頻寬的脈衝，通過測線上相距震源不同距離的接收感測器，進行訊號資料採集，利用FFT***快速付裡葉變換***和頻譜分析技術，通過相干函式的互功率譜相位展開譜，從而得到兩個記錄訊號在不同頻率下瑞利波在傳播過程中由於時滯而產生的相位差，根據兩路不同頻率訊號的相位差就可計算出傳播時間和速度。由感測器各點佈置的已知距離，可求得不同頻率瑞利波的相速度，同時由此得到測點的瑞利波頻散曲線。在地面上放置一個園形基座墊，並施加一個垂直的衝擊，由於慣性力和彈力相互作用，震動將會產生體波和麵波，體波包括縱波***P波***、橫波***S波***等，它們以半球面方式向地層傳播，能量以1/r2的比例衰減***r為波的傳播距離***。而面波，我們這裡主要指瑞利波***R波***，是在介質自由表面附近按圓柱形波前方式傳播，能量以1/r的比例衰減，在三種波中衰減最慢。R波的能量佔67%，S波的能量佔26%，P波的能量佔7%，即瑞利波佔總能量的2/3而且衰減最慢。因此，在震源附近觀測，所接收到的R波比體波強得多。

　　只要知道感測器道間距Δ和每一頻率的相位差φ，就可以計算出瑞利波每一頻率的相速度：

　　已知頻率為f的瑞利波速度後，其相應的波長為：

　　根據彈性波理論，瑞利波的能量主要集中在介質的自由表面附近。其深度在一個波長範圍內。

　　2 資料解釋原則

　　頻率與波長成反比，頻率越高，其波長λR越短，勘探深度越小。反之，低頻時波長較長，探測深度越大。據此可知，高頻波反映介質表面附近的地質情況，而較低的頻率的波則反映較深的地質情況。瑞利波探測法是礦井地質普遍採用的重要勘探方法之一，探測原理主要是利用瑞利波的兩個特性：一是波在分層介質中傳播時的頻散特性;二是波的傳播速度與介質的物理力學特性密切相關。

　　3 施工佈置及資料採集和分析

　　經多方諮詢和查詢資料，發現有瑞利波探測空洞的理論，但沒有成功例子。為了更好地完成任務，確保探測成果質量，組織人員對地面已知空洞進行探測，希望能摸索出經驗，更好地指導井下探測。

　　首先在野外選取垂直落差在5～10m的坡地為探測地點，主要是利用探測各站不同的傾角來查明和確定探測訊號穿出黃土層進入空氣的介面，還有訊號沿直線穿出空氣再次進入黃土層的介面位置。為了達到該目的，在探測落差面上遊2m處平行佈置一排檢波器，該站為垂直打設，主要是為資訊分析提供基礎性參考資料，該站資料02-04取樣長度2048，取樣間隔1/4s，01、05-06取樣長度1024，取樣間隔1/4s，各道原始資料一致性較好，整體資料質量較好，可以作為基礎性參考資料;二站、三站分別以-68°、-56°向落差面方向探測，預計訊號穿出黃土層進入空氣的位置分別為落差面5m處和3m處，由此來判定瑞利波探測訊號是否在空洞中傳播以及傳播的方式如何，下面詳細介紹探測過程、引數設定及分析過程***探測分析圖見圖2、圖3、圖4***。

　　探測各站組間距、道間距均為1m，一站垂直地表打設，採用5炮3級制，獲得有效資料5組，探測發現地表以下3.2m、5.1m、8.3m、17.6m、37.5m均出現了不同程度的波形異常，由落差面黃土層的分佈情況來看，0～3.2m為鬆散的黃土層，3.2～5.1m為褐紅色膠質黃土層，前者主要是受人類活動的影響，推斷5.1～8.3m範圍為緻密的膠泥層，8.3～17.6m可能為有夾雜物的膠質黃土層，17.6m之後介質發生了實質性的變化，認為探測訊號可能進入巖類介質中。以上分析可作為本次探測基礎性參考資料。

　　由以上分析，可類推出二站探測訊號的路徑：發現探測方向3.4m、5.7m、9.3m、15.2～19.6m、33.2m均為波形異常，推斷3.4～5.7m為褐紅色膠質黃土層，5.7～9.3m範圍為緻密的膠泥層，9.3～19.6m可能為有夾雜物的膠質黃土層，19.6m之後介質發生了實質性的變化。

　　假想瑞利波在同一介質內於探測方向上傳播，則該站從理論上推算訊號穿出黃土層應該位於+=3.6m，即訊號在黃土層中傳播3.6m遇與空氣接觸面任何介質中傳播，理論計算與探測值誤差0.2m，瑞利波作為面波的一種，遵循面波的基本特性，即面波是在地表或者介質分界點相遇後激發產生的，但在遭遇喀斯特、斷裂和空洞等構造時，因形成面波的橫波不能在其中傳播，則呈現出瑞利波不傳導的情況，從理論上講，在介面附近出現一個波峰，隨後便不存在任何波形異常，直到瑞利波探測有效範圍。事實上包括第三站均出現與第一站類似的波形，而不像理論上推導的那樣。合理的解釋是瑞利波在淺層半空間探測中***0～10m***，在採集到軟體處理中均受到人為的壓制，出現了失真度較高的情況，不能作為判別的依據，另外，帶有坡度的探測中瑞利波在傳播過程中於介面處發生了衍射，是造成三站類似的主要原因。

　　4 井下施工情況

　　根據以上試驗成果，我們對現場進行了探測。由於現場條件複雜，從施工的6組資料中提取的有效資訊有限，最終未能取得預想效果。

　　5 結語

　　經過探測分析及查閱資料，發現井下探測空洞是可行的，但需施工一個距離探測目標大於10m的斷面，並且目標空洞應為“漏斗”形的，這樣可為瑞利波衍射提供條件，否則探測波形只能顯示出最初遇到的介面而不能同時衍射到另一個介面，這樣也就達不到探測目的。

　　圖釋：波形圖中橫座標為同一探測模式的取樣數量，縱座標為探測方向上的延伸深度。根據瑞利波在介質面反應強烈性質，結合試驗區域表土層分佈狀況，推斷圖2中①為鬆散黃土層與較緻密膠質層分介面，②為緻密膠質層與鬆散巖性介質的分介面。圖3、圖4可依此類推。

　　參考文獻

　　[1] 張文昌，張軍.瑞利波探測儀在屯蘭礦地質構造超前探測中的應用 [J].華北科技學院學報，2008，***2***.

　　[2] 楊勤海，李洪濤，吳悅.瑞利波勘探技術在水庫勘察中的應用 [J].物探與化探，2004，***1***.

　　[3] 趙存明，沈斐敏，張燕清，吳存興.瑞利波探測公路施工隧道含水斷層破碎帶 [J].煤田地質與勘探，2008，***2***.

　　[4] 煤炭科學研究院西安研究院.瑞利波探測儀使用說明書[S].

　　作者簡介：高子勇***1975-***，男，供職於禹州安泰煤業有限公司，研究方向：採礦管理;趙軍傑***1983-***，男，供職於禹州安泰煤業有限公司。

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