基于超前探测技术的掘进巷道地质特征反演

于汝超，时振京，李 萍

(1.徐州集团 新疆天山矿业有限责任公司，新疆 库车 842000； 2.北京启迪智信注册安全工程师事务所有限责任公司，北京 101601)

随着煤矿开采向深部不断延伸，地质构造愈加复杂化，断层、褶曲、破碎带、溶洞、矿井突水点等地质异常体多见，不仅影响施工效率，而且给矿井安全生产造成严重的威胁。巷道掘进作为煤矿开采的重要环节，是一项工作环境特殊、技术难度大、工作要求高且关系到矿井安全的地下隐蔽工程，在待掘信息未知的情况下进行掘进活动，地质异常体诱发的矿井灾害时有发生，给掘进工作带来严重的阻碍。因此，在煤矿巷道掘进工程施工前期，有必要对待掘区做详细的地质分析。超前探测技术能有效地识别地质异常体、掌握地质构造参数、预测巷道前方压力、保证巷道掘进的安全施工，可作为待掘区地质分析的有效手段。

针对巷道(隧道)的超前探测技术始于20世纪70年代，经过近40 a的不断改进和完善，国内外专家学者提出了十余种地质探测方法，主要包括地震波法[1-3]、电磁类方法(瞬变电磁法)[4-6]、地质雷达法[7-9]、核磁共振法[10-12]、电阻率法/激发极化法[13-15]等。这些方法的应用和推广解决了煤矿安全生产的诸多实际问题，为探测和预报异常地质体做出了突出贡献。

尽管近年来超前探测方法在断层、溶洞探测等方面取得较大进展，但以煤矿掘进巷道为例的监测对象仍面临诸多问题和需求，地震波探测技术和预警方法仍有待进一步研究。这主要体现在以下几个方面：①对地震波的传播特性了解不深、认识不够，无法准确获取地震波的波场分布特征；②煤矿掘进巷道条件复杂，缺少对典型地质异常区域地震波探测结果的特征分析与挖掘，不利于对探测数据的快速解译和评估；③没有形成系统的超前探测评价与预警体系，尤其是针对动力灾害显现较为明显的煤层巷道，在巷道掘进过程中的随掘随探分析与预警。除此之外，由于国外煤矿开采条件与国内存在极大的差异，掘进巷道超前探测工作的发展也处于停滞状态，大多还是利用预警、监控数据等方法实现突出危险的预测预报工作，对于专业的预警参数测定数据并没有进行深入的研究与硬件升级工作。

针对上述问题，本文以动力灾害显现煤层巷道为对象，利用地震波探测技术，提出“随掘随探”的超前探测方式，分析和挖掘典型异常探测结果的相应规律和成像特征，最终提出和形成基于三维成像技术的动力灾害显现煤层巷道随掘探测预警技术,为动力灾害显现明显的煤层巷道的超前探测提供了一种切实可行的方法，保证了巷道的快速、安全掘进。

1 超前探测技术

地震波超前探测是应用矿用地震波高级探测技术，根据地震波在传播过程中遇到不均匀地质体会发生反射的原理，结合巷道的特点，沿巷道后方布置震源和传感器，对巷道前方的地质和水文地质情况进行探测而设计开发的一种观测系统。 MSP系统主要由记录单元、接收单元和激发单元3部分组成，如图1所示。

图1 MSP的系统构成

2 探测信号精细化处理

2.1 频率域滤波

野外数据采集的过程中，采集有效波的同时总会伴随不同程度的干扰信号。针对有效波与干扰波不同的频率特征以及速度特征，在数据处理时可以采用不同的方法消除干扰波带来的影响。

频率滤波是建立在频谱分析的基础上的，下面介绍一下振幅谱的概念。地震波是由不同频率成分的谐波叠加形成的，通过傅氏变换，可以把地震信号从时间域变换到频率域进行分析。下式为一组傅氏变换对，X(f)是时间域信号x(t)的正变换，x(t)为X(f)的反变换。公式表明一个非周期震动的脉冲信号可用许多不同频率的振动叠加构成，每一个不同频率的谐和振动的振幅和初始相位由X(f)决定。

(1)

把X(f)的模称为信号x(t)的振幅谱,振幅谱也可以用分贝谱表示，即:

A(f)=20log10|X(f)|

(2)

在进行频率滤波前要进行频谱分析，通过对地震记录x(t)进行频谱分析，求取地震记录的振幅谱A(f)，根据地震记录中有效信号与噪声的频谱差异，选择合适的参数进行滤波，从而消去噪声，突出有效信号，提高地震记录的信噪比。

2.2 直达波切除

煤层巷道超前探测技术主要依据地震反射波中包含的地质异常体信息。通过建立地质异常体与煤层巷道随掘过程中地震波信号之间的地球物理特征响应规律，分析、研究煤层巷道待掘区的地质特征，继而进行煤层巷道随掘超前探测预报。因此，超前探测数据分析主要是基于反射波信号展开，对直达波进行切除处理，提取有效反射波成为了超前探测技术的关键。

时距曲线是指地震波到达各检波器的时间与震源点到各检波器的距离之间的关系曲线。对时距曲线进行研究，可区分直达波与反射波，进而对直达波进行切除[16]。

由震源出发向外传播，没有遇到分界面直接到达接收点的波叫直达波。其时距曲线如图2所示。O点为震源点，在测线接收，在坐标系中，将震源点与各接收点连起来得到一条曲线，形象地表达了直达波到达测线上某一观测点的时间同观测点与激发点之间距离的关系，称直达波时距曲线。直达波时距曲线方程为:

图2 直达波时距曲线

(3)

式中：t为直达波初至时间；X为震源点到各检波器的距离；Δh为偏移距；V为直达波波速。

由震源发出向外传播的弹性波，遇到不同弹性介质 (波阻抗差异) 的分界面，将产生反射，由检波器接收的波叫反射波。其时距曲线如图3所示。O点为震源，地震波遇倾角为α的波阻抗界面，产生球面反射波，依次被线性排列的检波器接收，且记录在时空域坐标轴中形成一条时距曲线[17]。反射波的时距曲线方程为：

图3 反射波时距曲线

(4)

式中：t为反射波初至时间；X为震源点到各检波器的距离；h0为震源点与波阻抗界面的垂直距离；V为反射波波速。

3 工程实例

3.1 工程背景

山西某矿21采区胶带运输下山位于+788 m水平、11采区，地面标高+1 721～+1 616 m，井下标高+1 305～+788 m.该巷道沿2号煤层掘进，2号煤层厚度2.56～3.91 m，平均3.26 m，煤层倾角20～32°，平均29°.工作面地面为沟谷及山地斜坡，建筑物有小庄旺村庄、工业广场，小庄旺村庄、工业广场已经留设保安煤柱，有1趟500 kV供电线路通过。工作面井下位于21采区，工作面北部为设计的21采区回风下山巷道、21采区轨道运输下山巷道，南部为设计的21采区行人下山，西部为南翼胶带运输大巷，东部为未采动区。

为了查明山西某矿21采区胶带运输下山迎头前方的地质构造情况，更好地控制该巷道前方的异常构造位置，对21采区胶带运输下山前方构造情况进行探测。本次探测测线主要布置在21采区胶带运输下山，利用矿井震波超前探测法基本控制21采区胶带运输下山前方的断层位置，为巷道的掘进工作提供物探资料。现场探测系统布置于S1所在区域，R1、R2、R3为后期掘进后揭示和验证的异常区域(断层)。图4为探测位置平面图及揭示异常区域分布示意图。

图4 探测位置平面图及揭示异常区域分布示意

3.2 探测系统建立

现场测线布置时，以2胶2导线点前23.6 m为探测起始位置。震源点布置在巷道右帮，总共16个震源点，检波点2个分别为C1、C2，C1、C2均布置在右帮，传感器及震源点顺序和方位见图5，震源点1～16布置在右帮，设计震源点间距0.5 m；C1、C2检波点间距2 m.其中C2传感器距离P1号震源点2 m，P16距离P1震源点7.5 m.现场测量源检距，后续以实际距离计算。

图5 观测台网布置图

3.3 数据处理分析

根据速度谱同时结合现场岩性情况，进一步根据以往探测的验证结果，本次MSP探测取综合速度为1.5 m/ms进行偏移处理速度。获得地震波探测数据，进行数据处理，数据基础处理流程如图6所示。

图6 地震波超前探测数据处理流程示意

3.4 综合地质解释

图7为反射界面提取剖面，从反射异常界面提取剖面中可以看出，在探测位置前方共存在3处反射异常带，分别命名为R1、R2、R3.从井下钻探验证和巷道实际揭露情况可知，矿井震波超前探测基本上查清了巷道施工前方的构造发育及煤层起伏变化情况，为动力灾害显现煤层巷道的安全、快速掘进提供了技术保障。

图7 21采区胶带运输下山MSP探测结果

综合图8及上述分析和现有地质资料对上述异常段作如下推断解释：异常R1在2胶2点前56.3 m附近，该异常界面的影响范围在距2胶2点前54.3～61.3 m，分析为受J3断层影响产生的反射界面；异常R2在2胶2点前78.3 m附近，该异常影响的范围在距2胶2点前77.3～83.3 m之间，分析为受G4、J6、J7断层综合影响产生的反射界面；异常R3在2胶2点前110.3 m附近，该异常影响的范围在距2胶2点前104.3～116.3 m之间，分析为受J8断层及21总回风巷道综合影响产生的反射界面。

图8 21采区胶带运输下山探测结果解释图

4 结 语

此次MSP超前探测在21采区胶带运输下山进行，根据以往的探测经验把地震波速定为1.5 m/ms.结合探明断层空间三维形态示意图，最终探测结果显示，探测位置前方存在3处地震反射异常界面，分别与探测位置前方J3断层，G4、J6、J7断层，J8断层的位置相对应，推测这3处异常为受这几处断层影响所致，巷道掘进过程中要加以注意。由上述分析提出如下建议：

1) 建议在巷道掘进过程中，加强地质编录，可进一步提高对探测区域的解释精度。

2) 实际生产过程中，如发现构造异常，应及时通知相关技术人员，以便采取加密观测及防治措施。

3) 针对提出的异常体区域，做好提前预防的准备。