煤矿巷道全空间地震探测装置及探测方法的分析

姚国峰

（山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500）

引言

矿井地震探测技术能提前探测掘进巷道前方和回采工作面内部的陷落柱、断层等地质构造，还能探测煤厚变化区、煤层破碎带、应力集中区等其他地质异常，从而为煤矿提供良好的地质保障。在地震探测现有技术中，在回采工作面内侧帮布置一排炮点和检波点进行探测，缺少煤层及顶底板等不同深度位置的地震波场信息，获取的地震信息十分有限；在进行工作面内反射探测时，工作面内部和外侧的地震反射信号同时被检波器接收到，使得在数据处理和资料解释时，对异常区难以进行准确的地质异常性质判别；在进行工作面透射地震探测时，探测器只在煤层内的一个深度上采集地震数据，没有采集其他垂向的地震信息，使得数据处理和解释时缺少信息约束，有时会造成误报、漏报或异常解释偏差较大和异常性质难以判定等问题。而一种井下巷道全空间地震探测装置及探测方法，能够实现矿井巷道全空间的多波地震探测，可以在巷道内不同层位激发和接收地震波，以获得丰富全面的地质信息，还可以充分利用纵波、横波和煤层中传播的槽波等多种地震波信息，将各个层面的综合信息进行多参数约束解释，并用于地质异常体的精细探测和性质判别。井下巷道全空间地震探测装置与方法充分发挥了其在探测领域的价值，可为煤矿安全开采提供充分可靠的指导信息。

1 全空间地震探测装置的设计

1.1 结构分析

一种应用于井下巷道全空间地震探测装置的结构如图1 所示，该装置包括矿井地震仪主机、采集站、孔中检波器、起爆器、数据传输总线、数据传输小线、震源触发线等部件。

图1 井下巷道全空间地震探测装置结构示意图

从图1 可知，装置中的矿井地震仪主机通过数据传输总线与采集站连接；采集站通过数据传输小线与孔中检波器连接；起爆器一端通过震源触发线与地震仪主机相连，另一端与炮孔内炸药相连，通过地震仪主机控制起爆器，并按照数据采集人员的要求进行放炮；所述测点包括检波点和炮点，布置在巷道内侧帮和巷道外侧帮上。

从图2 可知，炮点和检波点分别布置在煤层顶板、煤层和煤层底板的不同位置处；孔中检波器安置于检波点处。

图2 工作面地震探测时各侧帮的炮点和检波点布置图

进行数据采集之前，首先要进行观测装置设计，在巷道内侧帮和外侧帮均匀布置测点，共布置80 个测点，测点间距10 m。炮点和检波点间隔交错布置，炮点横向间距为20 m，检波点横向间距为20 m；在巷道内侧帮垂向上布置5 组设计炮点和检波点，在煤层底板下方2 m 处布置1 组炮点和检波点，在煤层底板上方1 m、2 m 和3 m 分别布置1 组炮点和检波点，在煤层顶板上方2 m 布置1 组炮点和检波点；在巷道外侧帮布置3 组炮点和检波点，在煤层底板下方2 m 布置1 组炮点和检波点，在煤层底板上方2 m 布置1 组炮点和检波点，在煤层顶板上方2 m布置1 组炮点和检波点。因此，共计布置8 条测线。

采集站布置在靠近测点处，通过数据传输小线与孔中检波器连接，同时采集本测点煤层、煤层顶板和煤层底板中布置的8 个孔中检波器的地震数据，共24 道地震数据，同时采集、存储并通过数据传输将总线与矿井地震仪主机连接。

矿井地震仪主机不仅能够将各采集站采集的数据快速存储并按照测线或测点组合方式实时显示成图，还可按照自定义数据集显示成图，实现数据采集的现场质量监控，还能够同时采集80 个测点共1 920 道地震数据，实现煤矿井下多道数据快速采集和现场数据质量监控。

采集站能够同时采集测点垂向和轴向不同空间位置布置的多道地震数据，还能将布置在煤层及顶底板垂向和轴向不同空间位置的数据同时采集并存储。

孔中检波器为三分量检波器，被设置在巷道两侧帮煤层和顶底板不同空间位置。在数据采集时可以在巷道两侧（内侧帮和外侧帮）的煤层及顶底板的不同空间位置同时布置炮点和检波点，来采集巷道不同空间位置的地震信息。在具体施工时可根据探测目的和需求再进行合理的观测装置设计。

1.2 特点分析

1）该装置的单个采集站不仅能够同时对巷道两侧帮的煤层及顶底板不同空间位置的地震波场进行信息采集，还能够按照设计的不同道集方式进行现场数据质量监控，施工效率高，获得的波场信息丰富。

2）该装置充分利用煤矿巷道可用的有限空间，获得巷道两侧帮的煤层及顶底板不同空间位置的地震波场信息，可实现矿井地震巷道全空间地震成像。对工作面内部实现透射-反射联合精细探测，对工作面外侧地质构造进行反射探测；通过巷道内外侧反射信号走时和振幅强弱关系来判断异常的发育方向和位置，从而减少巷道内外两侧的异常体反射波对另一侧地质构造探测的影响；基于垂向多测线数据和成像结果，利用数据特征分析法和异常交汇分析法，形成地质异常体解释的关键约束信息，从而提升异常范围圈定精度和异常性质判别的准确度。因此，本发明能够提供不同方位和不同垂向高度的地震信息，为准确地进行异常圈定和性质判别等地质解释提供更可靠的地球物理依据。

2 全空间地震探测方法分析

该井下巷道全空间地震探测装置的探测步骤如下：

1）根据探测目的和需求在巷道内外侧帮的煤层及顶底板上不同空间位置设置测点。

2）根据测点的设置，进行探测装置连接，在所述测点上布置检波点和炮点，炮点内设置炸药，检波点内放置孔中检波器。

3）引爆炸药的同时进行地震数据采集与处理，地震数据处理包括工作面反射地震数据处理和工作面透射及反射地震数据处理。通过工作面反射地震数据处理可获得巷道内侧帮煤层及外侧帮煤层的反射地震探测成果图，采用走时对比法和振幅对比法对所采集的巷道内外侧帮的煤层上的地震数据进行反射波联合数据处理和解释，判断地质异常的发育方向和位置；通过工作面透射及反射地震数据处理对巷道内外侧帮的煤层及顶底板上不同垂向高度的测点所采集的地震数据进行透射和反射地震数据分析，得到不同垂向高度的探测成果图，并分别圈定异常范围，形成地质异常体解释的关键约束信息。

4）获取巷道全空间地震综合探测成果，对尚未验证的探测异常区进行解释，最终给出准确的地质异常的圈定范围和特征地质信息。

3 结语

该装置能够获得井下巷道全空间地震数据，充分利用井下巷道的有限空间，更准确地判定探测范围内的地质异常体及其性质，为煤矿的安全生产提供可靠的地质资料。