MSP超前探測技術(shù)在口孜東煤礦巷道超前探測中的應(yīng)用

劉飛

中煤新集能源股份有限公司口孜東礦地測科 安徽淮南 236153

1 MSP地震波超前探測技術(shù)現(xiàn)狀與研究意義

隨著煤炭資源的日益緊張，大采深、構(gòu)造復(fù)雜、礦井地壓大等問題的礦井越來越多，不僅對煤礦生產(chǎn)效率大大影響，且由于不可控的地質(zhì)因素的增多，嚴重影響和制約了礦井的安全有序生產(chǎn)和人的生命和財產(chǎn)安全。目前我國煤礦礦井超前探測技術(shù)主要有礦井地質(zhì)雷達探測技術(shù)，瑞利波探測技術(shù)、電法超前探測技術(shù)等[1]。但是由于受設(shè)備自身設(shè)計上的缺陷，無法進行長距離的超前探測。在這種情況下，MSP地震波反射超前探測技術(shù)則體現(xiàn)了其本身所具有的探測距離遠，資料準確度高的特點。可極大的保障井下工作人員的人生安全，具有極大的社會價和社會效益。

2 MSP地震波超前探測技術(shù)工作原理

2.1 MSP技術(shù)的基本原理

MSP地震波超前探測技術(shù)，是應(yīng)用地震波在傳播過程中遇到不均勻地質(zhì)體(存在波阻抗差異)時會發(fā)生反射的原理，結(jié)合巷道的特點，設(shè)計研制的沿巷道后方布置震源和傳感器來探測巷道前方地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的觀測系統(tǒng)。震波是由特定位置進行小型爆破產(chǎn)生的，爆破點一般是沿巷道左(右)幫平行巷道成直線排列，由人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源，形成地震斷面。這些震源發(fā)出的地震波在遇到地層層面、節(jié)理面、斷裂破碎界面、溶洞、暗河、巖溶陷落柱以及淤泥帶等不良界面時，將產(chǎn)生反射波。

2.2 MSP的系統(tǒng)構(gòu)成

MSP系統(tǒng)主要由記錄單元、接收單元和激發(fā)單元三部分組成，其中記錄單元基于Windows平臺，12通道，18位的A/D，最大記錄長度為14468樣點，采樣間隔為62.5μs和125μs，動態(tài)范圍為100dB，其激發(fā)點布置在巷道側(cè)幫（如圖中所示爆炸孔）；接收單元為三分量坐標系統(tǒng)，靈敏度為1000mV/g±5%，0.5-5000HZ頻率范圍，橫向靈敏度＞1%，工作環(huán)境溫度0℃-65℃；激發(fā)單元輸入電壓在240～2400V之間，輸出電壓在0.5～5V之間，其布置在巷道側(cè)幫，高度為腰線位置。

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 MSP采集系統(tǒng)的組成

MSP現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要以礦井地質(zhì)探測儀KDZ1114-3為中心，配以三分量孔中貼壁式傳感器及相關(guān)附件組成，包括KZDK1114-3主機、信號大線、啟動線、啟動延長線、三分量傳感器、傳感器延長管、專用傳感器孔鉆頭、充氣筒、鐵錘、錘墊、以及皮尺、羅盤以及粉筆等。

2.3.2 MSP現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方法及步驟

為保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，MSP井下現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時必須按規(guī)定的流程操作，主要流程有目標明確、環(huán)境調(diào)查、方案設(shè)計、檢查儀器、數(shù)據(jù)采集、資料上傳、數(shù)據(jù)解釋以及編制報告。

（1）目標明確：重點確定探測的時間，地點，探查的目的；

（2）環(huán)境調(diào)查：對巷道現(xiàn)場條件提前調(diào)查，以查明巷道內(nèi)是否滿足施工條件；

（3）方案設(shè)計：對已探查的巷道在平面圖上進行設(shè)計，確定三分量鉆孔的位置，采集的道數(shù)和施工的距離，并在圖上標注清楚；

（4）檢查儀器：采集數(shù)據(jù)前提前對設(shè)備儀器認真檢查，確認儀器在充滿電的情況下可以正常使用，工具完好，避免線路有連接不實或者有破損的情況。另外井下作業(yè)前應(yīng)在地面進行模擬實驗，查看儀器的工作狀態(tài)，保證能夠順利完成井下作業(yè)；

（5）數(shù)據(jù)采集：收集數(shù)據(jù)時，先采集一組或多組數(shù)據(jù)作為實驗，把儀器性能調(diào)試到最佳狀態(tài)，從而保證原始波形采集的完整，有效。儀器調(diào)試完畢后，按照設(shè)計順序在幫壁依次錘擊，正常采集數(shù)據(jù)，直至現(xiàn)場采集工作完成；

（6）資料上傳：數(shù)據(jù)采集完畢，儀器與地面主機相連接，將原始數(shù)據(jù)上傳至指定的文件盤內(nèi)，整理保存，再采用配套的MSP處理軟件系統(tǒng)處理成圖；

（7）數(shù)據(jù)解釋：數(shù)據(jù)處理完畢，得到深度偏移成像圖一張，分析圖中所反映的異常反射界面，異常（煤巖層分界面、穿層影響）或惡性異常（地質(zhì)構(gòu)造、斷層、陷落柱等），結(jié)合地質(zhì)資料以及原始數(shù)據(jù)給與解釋，定位；

（8）成果報告：根據(jù)分析的異常界面進行編制物探報告，詳細的將探測目的、工作思路、采集方法、作業(yè)流程和最終結(jié)果解釋清楚。

3 實施情況與效果

3.1 數(shù)據(jù)采集

口孜東礦111301工作面機巷過DF14斷層超前MSP探查

3.2 MSP探測：截至2013年6月21日早班，111301工作面機巷已施工至Y31測點東40.5m位置，該巷道將揭露DF14斷層。為進一步探查巷道前方的地質(zhì)構(gòu)造情況以及DF14斷層的位置，國投新集公司物探隊利用MSP技術(shù)對迎頭前方進行了超前探測。結(jié)合111301工作面機巷現(xiàn)場實際情況，探測測線布置在巷道右?guī)停N點19個，接收傳感器點2個即C1、C2，錘點布置在右?guī)停N間距略大于或小于1m，其中兩傳感器之間間距為1.65m，C1傳感器距離P1號錘點0.85m。具體情況見圖1。

圖1 MSP超前探測測線布置圖

本次探測共完成114道有效數(shù)據(jù)物理點數(shù)。通過MSP數(shù)據(jù)處理，本次探測有效距離為80m，中已揭露區(qū)20m，未揭露區(qū)60m，具體探測成果見下圖2。

通過探測在巷道前方發(fā)現(xiàn)了R1、R2兩處異常反射界面，其中R1界面位于迎頭前方46m位置（即Y31測點東86.5m），R2界面位于迎頭前方57m位置（即Y31測點東97.5m）。結(jié)合地質(zhì)資料分析，R1界面可能為DF14斷層影響所致，R2界面為DF14斷層次生斷層或斷層破碎帶影響范圍。

圖2 MSP超前探測縱波界面提取圖

3.3 現(xiàn)場實揭：根據(jù)后期實際揭露的地質(zhì)資料，111301工作面機巷在施工至Y31測點東95m位置揭露了斷層DF14 105°∠70°H=5m，在Y31測點東104m位置揭露了DF14斷層的分支斷層DF14-1 122°∠70°H=6m，實際斷層揭露的位置與探測的R1、R2界面位置分別差了9m、7m，實際與預(yù)測基本符合。

4 存在的問題

本文就MSP地震波超前探測技術(shù)在口孜東煤礦井下的實際應(yīng)用情況進行了重點的分析，同時也研究了地震波的超前探測技術(shù)的工作原理、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)體解釋等方面的內(nèi)容，經(jīng)過解釋的數(shù)據(jù)體和巷道實際揭露的地質(zhì)資料相互對比驗證，也發(fā)現(xiàn)了該項技術(shù)存在的一些不足，需要進一步研究和改良。

（1）該項技術(shù)對井下現(xiàn)場作業(yè)條件要求相對較高，如迎頭不能有鐵器，幫部必須要錨噴到位，迎頭必須停電，迎頭位置頂板及圍巖條件必須較好，如果現(xiàn)場條件較差，往往會出現(xiàn)無法采集到數(shù)據(jù)或者采集到的數(shù)據(jù)品質(zhì)較差。

（2）解釋的成果資料交模糊，對可能存在的構(gòu)造區(qū)域不能準確的給予解釋，只能做一個大概的闡述。

（3）硬件設(shè)備有待進一步的完善，現(xiàn)場操作過程中相關(guān)的設(shè)備儀器較多，往往需要3～4個人儀器操作，不利于在小空間范圍內(nèi)進行作業(yè)。

（4）由于技術(shù)的制約，該項技術(shù)的探測精度隨著探測距離的加大而誤差也隨之增大。