新型防爆地震仪在瓦斯隧道超前地质预报中的应用

李 好

(中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039)

0 引言

近年来，全空间条件下的主动源地震波反射法被广泛应用于隧道超前地质预报工作，已成为隧道超前地质预报最主要的物探方法之一。主动源地震波反射法在隧道的应用是从20世纪90年代瑞士Amberg测量技术公司研发的TSP202超前地质预报系统[1-2]，和国内铁道部科学研究院研制的“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”(简称“陆地声呐法”)超前地质预报系统[3]开始的，之后美国NSA工程公司在21世纪初研发了TRT系统[4]，同时国内铁路系统也开始研究“水平垂直剖面法”和“负速度法”的隧道地震波反射法[5]；20世纪末至2003年期间,中科院地质与地球物理研究所和云南航天工程物探检测公司合作开发了TST超前地质预报系统[6]；2003年北京水电物探研究所也开始研发类似瑞士TSP的TGP12型隧道超前地质预报系统[7-8]，以及近年来重庆大学也研发了类似TSP的TeTSP型隧道超前地质预报系统[9]。上述多种主动源地震波反射法的成套技术及装备主要还是针对非瓦斯(天然气)隧道的地震波反射法，若被直接用于煤矿井下掘进巷道或瓦斯隧道，现场数据环节存在一定的安全隐患，而在高瓦斯隧道或煤与瓦斯突出隧道的安全应用难以保障。

在21世纪初，针对煤矿井下的瓦斯探测环境，中煤科工集团重庆研究院有限公司研制了类似瑞士TSP的DTC-150防爆地质超前探测仪[10]，并在煤矿井下巷道掘进工作面超前探测工作中得到了较为广泛的应用。上述所有仪器设备，除DTC-150防爆地质超前探测仪外，均属于非防爆产品，无防爆合格证和产品安全标志证书，按相关安全技术要求是不能在煤矿井下或瓦斯隧道内使用的。但是近年来随着高速公路和高速铁路在全国大量建设，遇到的瓦斯隧道，尤其是高瓦斯隧道也越来越多，由瓦斯引起的隧道内瓦斯燃烧或爆炸安全生产事故时有发生，各类瓦斯灾害也越来越严重；另外，在实施非瓦斯隧道和瓦斯隧道的放炮激发震源的地震探测时，由于放炮作业不规范、炮孔封孔不正确引起的炮工受重伤、炮孔内火药爆炸的喷出物引燃对面的电缆或指示牌等事件时有发生，其相关的安全工作也备受国家重视和社会关注。故提高目前瓦斯隧道地震波反射法的安全应用水平是刻不容缓的。

鉴于在瓦斯隧道或高瓦斯隧道实施放炮激发震源的地震波反射法存在较大安全风险，通常情况下首先排除需要打孔放炮的地震波反射法[11]，只能采用不会激发火花等火源的其他物探方法，所以针对瓦斯或高瓦斯隧道地震波反射法的研究工作也甚少，截至目前在国内外仅查询到2017年高树全发表的《高瓦斯隧道穿越煤系地层段TSP法超前探测》[12]中，和相关的铁路与公路瓦斯隧道技术规范、施工安全技术规范、超前地质预报技术规程中涉及到了非防爆仪器设备在瓦斯隧道使用时的瓦斯体积分数限制与加强通风、辅助钻爆安全作业、什么情况下应采用防爆仪器设备等问题[13-15]。本文基于当前地震波反射法在瓦斯隧道的应用现状，从防爆地震仪及检波器气囊耦合装置研制等方面进行深入研究，并以重庆渝北至四川广安高速公路华蓥山隧道为例，进行应用经验分享。

1 新型防爆地震仪的研制

与目前国内外的其他非防爆地震仪相比，新型防爆地震仪的主要优势在于它的采集通道有36道之多、具有防爆性、能实现远程控制操作进行数据采集、采用气囊耦合方式等。

1.1 36道防爆地震仪主机研制

1.1.1 主机与主板设计

36道防爆地震仪主机是对原来的12道DTC-150防爆地质超前探测仪[10,16]的升级，其主机结构主要由310主板、检波器信号调理板、信号盒、本安电源和检波器组成。其主机结构框图和实物图如图1所示。

(a) 主机结构框图

(b) 主机实物图

Fig. 1 Structured diagram and photo of 36 channels explosion proof seismograph mainframe

36道防爆地震仪采用310主板，其具有丰富的功能，功耗低，可靠性高，采用Wince嵌入式操作系统。310主板采用温度范围-40～85 ℃的416 MHz工业级嵌入式微处理器，该微处理器为移动计算设备提供了工业级的MIPS/mW性能，是一个高度集成的片上系统(SoP)。主板硬件系统主要由PXA270、CompactFlash和SDRAM核心模块、RTL8019以太网络控制器、电池、SRam构成的系统数据备份系统、系统接口模块组成，如图2所示。

图2 310主板硬件系统组成示意图

Fig. 2 Sketch of hardware system composition of 310 motherboard

1.1.2 主机本安电源研制

36道防爆地震仪属于便携式仪器，电源采用镍氢电池供电。由于仪器内部电源有+5、+12 V电压等级，并考虑到为了尽量避免电源引入的噪声影响测量精度，故采用了多组镍氢电池组供电，并设计成一种允许在甲烷、粉尘爆炸危险环境中使用的矿用本质安全型电源，其具有双重过流、双重过压保护功能，电源噪声低、工作时间长等优点。另外，电源设计完成后，还进行了电源性能测试、环境温度测试、防爆性能测试。

1.1.3 主机远程控制技术

36道防爆地震仪的远程遥控控制系统采用G.SHDSL(single-pair high-speed digital subscriber line)技术，其由防爆计算机、远程控制器A、远程控制器B、36道防爆地震仪等组成(见图3)。该控制系统可以在煤矿井下或瓦斯隧道内进行长距离无人遥控数据采集，故可减少因实施煤矿井下或隧道地震探测工作引起的安全生产事故。

图3 远程控制系统原理框图

1.2 检波器气囊耦合装置研制

地震波反射法的检波器与围岩通常采用特制钢管与锚固剂耦合，然后再将检波器推入钢管底部，这样的耦合方式存在现场操作相对较繁琐、耗时、耗材成本较高等缺点。

检波器的气囊耦合装置是基于速度或加速度检波器改造加工而成，其采用的高精度三分量地震检波器一般选购瑞士奇石乐仪器公司生产的加速度检波器，并将其固定置于气囊内，其实物外观如图4所示。检波器气囊耦合装置由打气筒、卡条、检波器、皮管、气囊等组成。数据采集完成后，卸掉气囊内的气，便可以取出重复使用，且无耗材、成本低、轻便易于携带。缺点是在将气囊置入接收孔内时，检波器各分量方向不易控制。

图4 检波器气囊耦合装置实物图

2 应用实例

以采用新型防爆地震仪(DTC150/36矿用地质超前探测仪)于2014年11月19日在渝北至广安高速公路华蓥山隧道(属于突出隧道)进口右线掌子面K24+314处的探测成果为例，进行应用效果分析说明。

图5(a)示出TSP传统的钢管锚固剂耦合方式，图5(b)示出本文介绍的检波器与围岩之间采用气囊的耦合方式。经在渝广高速公路华蓥山隧道地质预报项目上的6次36道防爆地震仪及检波器气囊耦合的试验应用证明： 图5(b)示出的气囊耦合方式现场施作时间仅需要约2 min；而图5(a)示出的传统钢管锚固剂耦合现场施作时，锚固剂浸泡、锚固剂灌入接收孔内、钢管插入灌注锚固剂的接收孔内及钢管位置调整、击打钢管至接收孔底、用推杆将检波器推入钢管内底部等环节一共需要最少时间为25 min，而且还受锚固剂凝固时间参数影响，若锚固剂锚固效果太好，钢管不可拨出二次使用，地质预报成本大大增加，若锚固剂锚固效果不好，又影响耦合效果，导致采集地震记录数据质量不高。二者对比可知，气囊耦合方式有现场施作时间短、锚固效果好、实施成本极低、采集数据质量高等诸多优点；传统的钢管锚固剂耦合方式存在现场施作复杂且时间长、需要锚固剂和钢管等耗材、施作耗材成本一次高达2 000元人民币、锚固效果不易控制等缺点。

通过使用新型防爆地震仪和高精度三分量检波器气囊耦合装置，观测系统如图6所示，与传统的TSP方法观测系统基本一致。现以X分量为例进行说明，X方向的纵波地震原始记录如图7(a)所示。由图7(a)分析可知，除第8炮和第24炮为哑炮被剔除外，其余的地震原始记录数据质量均较好，基本无直流漂移分量存在；再由图7(b)可知，各炮首波连线与图6设计观测系统的炮检距几何关系高度吻合，其纵波反射波较明显，同相轴也较连续。

(a) 钢管锚固剂耦合

(b) 气囊耦合

图6 地震波反射法观测系统设计

图7(b)示出的地震数据经滤波、炮能量均衡、Q评估以及波场分离、速度分析、深度偏移、反射界面提取等一系列处理后可得反射界面成果，如图8所示。由图8可知，掌子面正前方0～40 m内P波、SH波、SV波的反射界面均较少或无；掌子面正前方40～55 m内P波、SH波、SV波的反射界面均有，但不密集；掌子面正前方55～95 m仅存在SH波、SV波的极少反射界面；掌子面正前方95～100 m存在SH波、SV波的反射界面，但较密集。

综上物探解译分析可得，超前地质预报范围K24+314～+414内： 1)K24+314～+354岩体构造不发育，层理、节理裂隙较发育，岩石完整性较好，推测在里程K24+344附近有T3xj5须家河组第5段1号煤层存在； 2)K24+369～+409段岩体构造相对不发育，岩石完整性较好，推测在里程K24+374附近有T3xj5须家河组第5段5号煤层存在； 3)K24+354～+369段岩体构造较发育，层理、节理裂隙发育，该范围存在砂岩-泥岩分界面；4)K24+409～+414段岩体构造较发育，层理、节理裂隙发育，该范围存在砂岩-泥岩分界面，及软岩或破碎带。

(a) X分量纵波原始地震记录

经施工单位掘进开挖验证： K24+344附近的T3xj5须家河组第5段1号煤层和K24+374附近的T3xj5须家河组第5段5号煤层的实际位置，与图8标注的P波和SV波的反射提取异常界面位置基本吻合。同时，也说明了使用新型防爆地震仪和检波器气囊耦合装置在瓦斯隧道中进行地震波反射法超前地质预报工作的有用性。

3 结论与建议

1)从防爆地震仪研制角度，详细阐述了新型防爆地震仪的主机结构、主板设计、本安电源研制、远程控制技术、检波器气囊耦合装置研制等相关核心技术。

图8P波、SH波、SV波的反射界面

Fig. 8 Reflecting interface of P wave, SH wave and SV wave

2)以新型防爆地震仪和检波器气囊耦合装置在渝广高速公路华蓥山隧道进口右线K24+314掌子面处的试验应用为例，展示了该装备及技术的良好应用地质效果。

3)为了保障在瓦斯隧道内实施地震勘探方法的安全性，同时鉴于矿用防爆地震仪具有的良好防爆性能和检波器气囊耦合装置的优越性，建议在瓦斯隧道内进行地震勘探时尽量采用相关防爆地震仪和检波器气囊耦合装置进行地震数据采集。