1弹性波观测的理论基础

弹性波观测法是一种观测由人工激发的弹性波或接受煤岩破裂的声发射在岩土中的传播特征，获取岩土的地震学或声学参数的变化规律，以研究、评价勘察场地的工程地质、水文地质条件的工程地球物理勘探方法。

（1）弹性波观测的基本原理。弹性介质中质点间存在着相互作用的弹性力，某一质点因受到扰动或外力的作用而离开平衡位置后，弹性恢复力使该质点发生振动，从而引起周围质点的位移和振动，于是振动就在弹性介质中传播，并伴随有能量的传递。弹性波的传播速度与介质的弹性常数及密度直接有关。现场观测中，如能激发弹性波或接受煤岩破裂的声发射，并测出弹性波在岩体的传播速度，就能利用波速公式转求岩体的弹性常数，这就是弹性波观测的基本原理。

（2）弹性波在岩体中的传播规律。现场和实验室研究的证明。弹性波在岩体中的传播速度，与岩体的种类、岩质、孔隙率、密度、弹性常数、抗压强度、应力状态以及断层和破碎带等都有一定的关系。一般说来，有如下规律：①坚硬的岩体传播速度较快，软的岩体传播速度慢；②裂隙不发育和风化程度低的岩体，传播速度较快，反之传播速度较慢；③孔隙率小、密度大、弹性常数大的岩体，传播速度较快；反之传播速度较慢；④抗压强度大的岩体传播速度较快；反之传播速度较慢；⑤断层和破碎带少或规模小的岩体传播速度较快；反之，传播速度较慢；⑥在压应力方向上传播速度较快；在垂直于压力的方向上传播速度较慢。根据弹性波在岩体中的传播特性，可以鉴别岩体的物理力学性质、受力状态、完整程度等。

2弹性波观测法在采矿地质中的应用

目前，对于采矿过程中动力现象的研究主要集中在现场预测预报与治理。由于井下动力现象的随机性、突发性以及破坏形式的多样性，使得预测预报工作变得非常复杂，预测的准确性受到很大的影响。信息技术、数字技术的快速发展及地震学在矿山冲击矿压研究领域日益广泛应用，极大地推动了弹性波观测法在地下采矿中的应用。

（1）采矿微震法。采矿微震法主要是记录矿山震动，对其进行有目的的解释。分析和利用这些记录的信息，对矿山动力危险，如冲击矿压、煤与瓦斯突出进行预测和预报。总的来说，震动现象是由于矿山开采使岩层产生应力应变过程的动力现象，具有如下特征：①地震波的震动频率随岩层断裂缝尺寸的增加而下降；②地震波的阻尼当震动频率增加时会增大；③随着震动能量的增加，震动数量按对数下降。利用微震监测系统，通过在空间上不同方位设置微震拾震器，对微震事件进行实时监测，记录和分析震动的地震图，进行震源定位，确定各种震动参数，以此为基础判断推理煤岩体应力状态及破坏情况，并根据微震活动的变化、震源方位和活动趋势来评价和预测冲击矿压危险。

（2）采矿声发射法。声发射法就是以脉冲形式记录弱的、低能量的地音现象。其主要特性是振动频率从几十到至少2000Hz或更高；能量低于10 ²J，下限不定；振动范围从几到大约200m。声发射研究的机理在于煤岩体是一种非均质体，其中存在各种微裂隙、孔隙等，以致煤岩体在受外力作用时就会在这些缺陷部位产生应力集中，发生突发性破裂，使积聚在煤岩体中的能量得以释放，且以弹性波的形式向外传播。采矿声发射方法主要用来确定正在掘进的巷道或正在开采的回采工作面的冲击矿压危险，即：确定采矿巷道或煤层部分的冲击矿压危险状态；连续监测冲击矿压危险状态的变化；冲击矿压防治措施的评价及其效果的控制。

（3）采矿声波法。采矿声波法主要集中在研究与采矿作业引起的矿山动力现象，确定岩体的物理力学参数，提前认识矿床构造点等问题。采用声波的特点是声波研究的非破坏性、从较大范围的岩体内直接获得信息。其所用频率为几十到2000Hz。根据采矿地质条件及研究目的，采矿声波方法有以下几种测量方式：①采矿巷道中的声波剖面法；②巷道之间的声波透视法；③钻孔中的声波剖面法；④钻孔之间的声波透视法。

3弹性波观测法的发展前景

弹性波观测法所能够解决的地质问题已从当初的构造探测，发展到下组煤勘探、陷落柱、冲刷带探测、“三带”、煤与瓦斯突出监测和独头巷道超前探测等范畴，并已取得了不少成功的实例。但是，由于煤矿井下地质条件的复杂性，还存在着许多不足之处，主要体现在以下几个方面。

（1）基础研究比较薄弱。煤矿井下的地震波场非常复杂，不能将地面成熟的方法技术不加任何改造而简单地直接“移植”到井下，而需要开展大量的数学、物理模型正演模拟和分析工作，为今后开展的煤矿井下地震勘探数据采集、处理与解释提供依据。

（2）煤矿井下地震信号的信噪比较低、波场复杂，需要开发针对煤矿井下的地震采集系统和特殊处理软件，以便于井下地震数据采集、信噪分离和准确成像。

（3）声发射技术的发展离不开声发射仪器的发展，声发射信号的分析与处理方法、能力还不能有效除噪、分频，进一步限制了AE技术的应用，寻找排除噪声的新方法和研究缺陷有害度评估的新方法，从而研制出适合于严重噪声环境下应用的新仪器，研制排除噪声干扰应用的新型声发射监测仪器更是有待解决的难题。

（4）煤矿井下地质勘探的仪器必须符合防爆要求，同时要尽可能轻便。采用成熟的新技术新工艺，用于煤矿探测仪器的生产，从硬件上保障煤矿井下地质勘探工作的开展。