基于MSP 技术的掘进迎头前方断层识别及其应用*

张教福 黄炳林 刘文锋 朱权洁

（1.杭州安顺爆破工程有限公司，浙江杭州 310000；2.武汉爆破有限公司，湖北武汉 430056；3.中国黄金集团辽宁有限公司健康安全环保部，辽宁沈阳 110000；4.华北科技学院应急技术与管理学院，北京 101601）

0 引言

随着我国煤矿开采深度的日益增加，地质条件越来越复杂，掘进巷道前方赋存存在断层、破碎带、陷落柱、溶洞等地质异常区域明显增加，导致矿山动力灾害频繁发生，阻碍煤矿巷道顺利掘进，对矿山安全生产和广大职工的生命安全造成严重威胁［1］。因此，对待掘巷道实施超前探测，进而识别未知区域地质异常体（以断层为主）已成为掘进工作的必要前提。

煤矿巷道超前探测手段主要有地震波法［2］、直流电法［3］、瞬变电磁法［4］和地质雷达法［5］，其中地震波法因其探测距离大、分辨率高而成为应用最广泛的方法。反射波是先进探测中应用最广泛的地震波。在反射波方法中，通常将线性观测系统布置在巷道两侧，利用Radon 变换和二维傅里叶变换提取巷道前方的反射波。最后，利用衍射偏移成像实现对巷道前方100 m 范围内地质构造的预测。此外，巷道反射波先进探测技术也应用于矿山巷道，主要有负视速度法、TSP、HSP、TRT、TST、ISIS、TGP 等。

刘盛东等［2］对矿井地震波超前探测技术（MSP）所涉及的地震数据能量合成与分解、波场分离、偏移叠加等处理方法进行了介绍，并开展了相关数值模拟、室内实验以及现场测试。目前，矿井震波超前探测技术已被广泛应用于实际煤矿掘进巷道的施工中。平煤十二矿17200 机巷瓦斯巷迎头［6］、鹤煤十矿1504底抽巷迎头［7］、新桥煤矿南一采区胶带上山［8］等多个地点已取得良好的运用效果，解决了巷道掘进的诸多难题。

地质异常区域严重制约和影响着巷道掘进速度和施工安全，对工作面的安全回采带来了严重威胁。为实现对这类区域的探测和断层识别，利用非接触式矿井震波超前探测技术进行预先探测意义重大。根据探测结果可以提前获知工作面前方断层的坐标、形态等特征，从而制定相应的对策和防治措施，保证掘进工作的正常、有序、安全开展，对于工程开展具有显著的社会、经济效益。

1 矿井震波超前探测技术（MSP)原理

矿井震波超前探测利用振动波在传播过程中遇到非均质构造体或异常介质而发生反射的原理，通过在巷道后方布置观测系统，包括震源和传感器，用于探测未掘巷道前方的非均质构造或地质异常体。震源通常沿着巷道左（右）帮平行排列，由人工敲击形成一系列有规律的轻微震源，构成地震断面。这些震源产生的地震波在遇到地层、节理、尤其是断裂、溶洞、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时会产生反射波。

井下超前探测工作由于掘进巷道空间的局限性和地质构造的复杂性，有别于地面常规勘探。研究巷道前方反射波时距曲线，对深入识别复杂波形，进一步提高数据处理的效率和准确度具有重要意义。巷道前方阻抗界面时距方程分别为［9］：

式中，tF、tB分别为前后置接收点反射旅行时间；x为任意激发点的x坐标；h前方界面和x轴的交点坐标；V1为第一层介质速度；角为界面倾角；L为前置接收点位置。时距曲线如图1。

图1 掘进巷道前方反射界面时距曲线

MSP 系统以本安型KDZ1114－6A30 的矿井巷道地质探测仪为中心，主要由记录单元、接收单元和激发单元3 部分组成。在解释巷道参数之前介绍一下MSP 中三维坐标系的设置（如图2 所示）。坐标系方向：以巷道掘进方向为横坐标x正方向，沿顶板垂直向上为y轴正方向，沿巷道左帮垂直于煤层往里为z轴正方向，基于一号检波器位置为原点建立空间直角坐标系进行数据后处理。结合图1 揭示，图中S 为炮点（震源位置），在指定位置激发震动波；R 为接收点，一般在巷道指定位置布置多个接收点，图中RB、RF分别为后置、前置接收点。坐标系上方显示的是RB、RF对应的旅行时间，这与震动波传播的距离有关。

图2 MSP 负视速度排列法三维观测系统［9］

2 工程实例

2.1 矿井概况

山西某矿21 采区胶带运输下山位于工作面北部，该段为一单斜构造，地层走向35°，倾向125°，倾角20°～32°左右。根据三维地震及钻孔资料分析，仅有DF10 断层可能影响巷道掘进，DF10 断层倾角70°，落差0 ～5 m。但因该巷道处于山梁沟谷处，有可能存在没有探测清楚的隐伏断层等地质构造，在较大断层揭露之前往往会出现一些次生的小断层。同时根据以往2#煤巷道的采掘情况分析，巷道掘进时小断层、底鼓比较发育，一般落差0 ～3.5 m，在掘进过程中要做好编录和预报工作。

21 采区皮带运输下山迎头前方的地质构造精准探测和识别对该巷道掘进工作的安全进行和有序接替具有重要保障意义。为了实现这一目标，本次由华北科技学院和福州华虹智能科技股份有限公司共同组织了对21 采区胶带运输下山迎头前方地质构造特征进行探测。本次探测共进行3 组试验，观测系统均布置于21 采区胶带运输下山，测线沿该巷道掘进方向布置，该区域已揭露的断层信息如表1、图3 所示，利用矿井震波探测方法对该巷道迎头前方的地质构造（以断层为主）进行探测和有效识别，为掘进工作的规划和设计提供可靠的指导依据。

表1 掘进过程中揭露的断层信息

图3 探测区域断层分布及其三维空间形态

2.2 观测台网布置

本次矿井MSP 探测在21 采区胶带运输下山右侧帮展开，采用锤击震源。超前探测台网布置示意图如图4 所示。3 次实验测线布置方向均于巷道右帮沿掘进方向进行布置，以2 胶2 导线点为基准点，于距离基准点23.6 m位置开始布置检波器（图中C1和C2），震源点距第2 个检波器2 m 处沿巷道掘进方向依次布置（P1～Pn）。为了3 组实验能构成对比研究，3 组实验中2 个传感器的距离分别为2 m、3.8 m和3.8 m，第一组实验和第二组实验震源点间距为0.5 m，第三组实验震源点间距为1 m。此外，第一组实验共布置16 个震源点，第二组实验共布置12 个震源点，第三组实验共布置6 个震源点。整个实验过程在检修班进行，避免了嘈杂的采掘扰动，有利于提高探测数据的准确性和可靠性。此外，探测过程确保采集系统和震源激发的同步性，便于后期的数据处理。

图4 21 采区胶带下山超前探测台网布置示意

探测参数和结果数据显示界面如图5 所示，图中主要显示了文件道参、激发孔参数、传感器参数3部分，具体包括数据有效性、分量类型、源捡距、激发点空间坐标、接收点空间坐标等子项。

图5 观测参数及结果显示界面

表2 为现场超前探测完成的工作量表，本次采用MSP 探测方法实施探测工作。第一组震源点为16 个，检波器为2 个，数据总数为96 组；第二组震源点为12 个，检波器为2 个，数据总数为72 组；第三组震源点为6 个，检波器为2 个，数据总数为36 组。基于探测数据，展开数据处理分析和探测结果解释。

表2 现场超前探测完成的工作量

3 数据处理与分析

3.1 数据预处理

探测工作结束后，需对探测数据展开精细化处理，确保探测结果的准确性，为煤矿巷道迎头断层识别提供数据支撑。图6 为现场三分传感器获取的震动数据记录，数据精细化处理流程如图7 所示，主要流程包括数据预处理、频谱分析、直达波求取、反射波提取、速度分析、深度偏移、界面提取等部分。首先在MSP 系统中设置现场台网布置参数，包括检波器和震源点位置以及其他相关参数；其次，探测数据依据巷道的空间坐标进行空间定位和处理，其中，以巷道掘进方向为横坐标x正方向，沿顶板垂直向上为y轴正方向，沿巷道左帮垂直于煤层往里为z轴正方向，基于一号检波器位置为原点建立空间直角坐标系进行数据后处理。

图6 三分量检波器拾取的震动记录

图7 数据处理流程

3.2 频谱分析

基于FFT工具对本次超前探测数据的频谱进行分析，主要是为了识别震波的频率域，分析震波传播过程中的主频分布范围，进而判断不同震波的探测信息，从而确定巷道迎头前方的地质异常体分布特征。图8 为第一组试验地震波形的频谱分析图，从图中可以看出主频范围为50 ～500 Hz，分布范围较大，有利于断层的识别。

图8 21 采区皮带运输下山探测地震信号的频谱分析

3.3 深度偏移处理

通过对超前探测数据进行深度偏移处理获取震波的直达波初至直线，其方法是利用检波器与震源间距，结合初至到时进行拟合而成，如图9 所示。由图可知，本次探测直达波波速为1.5 m/ms。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。

图9 现场实采通道波形及直达波速度

深度偏移是震波超前探测数据处理的关键，通过给定的波速模型，对超前探测数据的反射能量进行归位偏移，目的是将反射信号归于空间点便于深度分析和识别。基于深度偏移处理可以获取有效的地震波信号特征，成为巷道迎头前方地质异常体探测和识别的有效依据。在本次处理中，采用均匀速度背景值为1.5 ～3.5 m/ms，基于直达波速度进行处理。本次探测的介质为煤层，整体探测距离为120 m，其中已揭露区域为11.5 m，未揭露区域为108.5 m。

4 综合地质解释

基于3 次试验探测分析结果和图3 探测区域断层分布及其三维空间形态对探测结果做综合解释。

图10 为第一组试验深度偏移剖面图，可以看出：21 采区胶带下山2 胶2 钻孔前方约50 m 处存在一个强波阻抗界面——波阻抗差异越大，表明该区域地质差异越明显；而松动圈的存在，会使槽波形成一定的延时情况。因此，推断该区域可能存在断层、节理裂隙发育或是围岩破碎情况。

图10 21 采区胶带下山R1 异常区域探测与验证

为了进一步证明上述结论的正确性，后期通过对比钻探及实际揭露情况与探测结果进行对比分析。结果表明，R1 区域确实存在异常区域，包括2 处断层J3 和X3（如图3 中所示）。其中，J3 断层延伸约15 m，上下盘落差H=1 m，断层倾角为65°；X3 断层约15 m，落差为3.2 m，倾角65°。将探测结果与真实情况合成对比分析图，其结果如图11 所示。可以看出，21 采区胶带下山2 胶2 钻孔前方56 m 处有1处断层。综合上述分析可知，探测结果与实际情况基本吻合，探测成果能够满足现场需求。

图11 试验一探测结果与实际情况叠加合成成果展示

图12 为第二组试验深度偏移剖面图，可以看出：21 采区胶带下山2 胶2 钻孔前方约66.7 m处有1 处异常（距离探测传感器位置约50 m），该区域波阻抗明显，初步推测为：该区域可能存在断层、节理裂隙发育或是围岩破碎情况。

图12 第二次试验R2 异常区域探测与验证

后期通过对比钻探及实际揭露情况与探测结果进行对比分析。结果表明，R2 区域确实存在多处异常区域，多达5 处断层。其中，J6 断层、J7 断层位于巷道掘进前方，与二者对应的还有X4、X5 两处行人下山巷道轴向上的断层。J6 断层约20 m，落差H=1 m，倾角约75°；断层J7，约27.8 m，上下盘落差H=0.7 m，断层倾角为80°。胶带下山与行人下山之间有26 m煤柱，断层X4、X5 分别与J6、J7 在平面方向上走向相近。从倾角上来看，X5、J7 断层有可能相贯通。将探测结果与真实情况合成对比分析图，其结果如图13 所示。通过对比现场资料收集，结合后期掘进资料以及断层实际揭露情况，结果显示：超前探测区域前方45～55 m 处有多处异常界面，后经证实实际情况为该处存在J6、J7、X5 等合计5 处断层，这与探测解释结果R2 基本吻合。

图13 第二组探测结果与实际情况叠加合成成果展示

图14 为第三组试验深度偏移剖面图，可以看出：21 采区胶带下山2 胶2 钻孔前方约100 m处有1 处异常（距离探测传感器位置约75 m），该区域波阻抗异常，初步推测为：该区域可能存在断层、节理裂隙发育或是围岩破碎情况。

图14 第三次试验R3 异常区域探测与验证

后期通过对比钻探及实际揭露情况与探测结果进行对比分析。结果表明，R3 区域确实存在异常区域，如J8、X6 断层。其中，J8 断层位于巷道掘进前方，与二者对应的还有X6 行人下山巷道轴向上的断层。J8 断层约19.7 m，上下盘落差H=2.1 m，倾角约80°。胶带下山与行人下山之间有26 m 煤柱，断层X6 与J8 在平面方向上走向相近。从倾角上来看，X6、J8 断层有可能相贯通。

将探测结果与真实情况合成对比分析图，其结果如图15 所示。通过对比现场资料收集，结合后期掘进资料以及断层实际揭露情况，结果显示：超前探测区域前方75 m处位置有一处断层J8，这与探测解释结果R3 相吻合。同时，由震动波分布情况来看，断层与掘进方向形成一定夹角，且有往工作面内外两端延深、发育趋势，这与探测解释成果揭示情况一致。由此可见，MSP 超前探测效果良好，对巷道安全掘进起到了较好指导作用。

图15 第三组探测结果与实际情况叠加合成成果展示

为了综合分析3 次实验的结果，将3 次测试结果汇总到同一张成果图之上，可以获取探测结果反射波提取剖面，并与工作面地质纲要图进行叠加，如图16 所示。综合分析图16 所示的探测结果解释图、矿井地质资料以及现场掘进特征对超前探测结果进行综合解译。本次探测发现3 次异常反射波，根据分析其空间定位可知，异常区域R1 位于基准点前方56.3 m 附近，其影响范围为距基准点54.3m 至61.3 m之间，由工作面构造纲要图判断异常区域R1 是由J3断层引起的震波异常反射；异常区域R2 位于基准点前方78.3 m 附近，其影响范围为距基准点77.3 m 至83.3 m 之间，由工作面构造纲要图判断异常区域R2是由G4、J6、J7 断层的综合影响引起的震波异常反射；异常区域R3 位于基准点前方110.3 m附近，其影响范围为距基准点104.3 m 至116.3 m 之间，由工作面构造纲要图判断异常区域R3 是由J8 断层及21总回风巷道的综合影响引起的震波异常反射。

图16 21 采区胶带运输下山超前探测探测综合解译

5 结论

（1）基于MSP超前探测技术对21 采区胶带运输下山迎头前方地质异常体（以断层为主）进行了有效探测和识别，地震波速度被设定为1.5 m/ms。探测结果显示，迎头前方共有3 处震波异常反射区域，经综合分析可知，异常区域R1 是由J3 断层引起的震波异常反射；异常区域R2 是由G4、J6、J7 断层的综合影响引起的震波异常反射；异常区域R3 是由J8断层及21 总回风巷道的综合影响引起的震波异常反射。

（2）断层作为常见的地质异常体，与均质煤岩层相比，二者具有明显的密度和震波传播速度差异性，因此，使用地震波进行断层带的有效超前探测和识别具有显著优势。通过对探测数据进行预处理、波形提取、信号挖掘等处理流程，可以获取地震波的有效反射信号，再经过深度偏移处理获得了高质量的成像结果，进而识别断层的空间形态和影响范围。

（3）掘进巷道迎头前方的断层探测一直以来是煤矿地质异常体超前识别的重点和难点，因其复杂的产状特征导致传统的探测技术仅能识别断层的大概位置，无法获取断层的具体空间形态。未来可借助于先进的探测设备和信号处理方法获取断层的详细参数，对其影响区域进行定量分析，为巷道掘进施工提供指导意义，保障采掘工作的安全高效和有序接替。