MSP超前探測技術在口孜東煤礦巷道超前探測中的應用

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現狀與研究意義

隨著煤炭資源的日益緊張，大采深、構造復雜、礦井地壓大等問題的礦井越來越多，不僅對煤礦生產效率大大影響，且由于不可控的地質因素的增多，嚴重影響和制約了礦井的安全有序生產和人的生命和財產安全。目前我國煤礦礦井超前探測技術主要有礦井地質雷達探測技術，瑞利波探測技術、電法超前探測技術等[1]。但是由于受設備自身設計上的缺陷，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則體現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工作原理

2.1 MSP技術的基本原理

MSP地震波超前探測技術，是應用地震波在傳播過程中遇到不均勻地質體(存在波阻抗差異)時會發生反射的原理，結合巷道的特點，設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條件和水文地質條件的觀測系統。震波是由特定位置進行小型爆破產生的，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則排列的輕微震源，形成地震斷面。這些震源發出的地震波在遇到地層層面、節理面、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，將產生反射波。

2.2 MSP的系統構成

MSP系統主要由記錄單元、接收單元和激發單元三部分組成，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，動態范圍為100dB，其激發點布置在巷道側幫（如圖中所示爆炸孔）；接收單元為三分量坐標系統，靈敏度為1000mV/g±5%，0.5-5000HZ頻率范圍，橫向靈敏度＞1%，工作環境溫度0℃-65℃；激發單元輸入電壓在240～2400V之間，輸出電壓在0.5～5V之間，其布置在巷道側幫，高度為腰線位置。

2.3 數據采集

2.3.1 MSP采集系統的組成

MSP現場數據采集系統主要以礦井地質探測儀KDZ1114-3為中心，配以三分量孔中貼壁式傳感器及相關附件組成，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現場數據采集方法及步驟

為保證數據采集的質量，MSP井下現場數據采集時必須按規定的流程操作，主要流程有目標明確、環境調查、方案設計、檢查儀器、數據采集、資料上傳、數據解釋以及編制報告。

（1）目標明確：重點確定探測的時間，地點，探查的目的；

（2）環境調查：對巷道現場條件提前調查，以查明巷道內是否滿足施工條件；

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

（4）檢查儀器：采集數據前提前對設備儀器認真檢查，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。另外井下作業前應在地面進行模擬實驗，查看儀器的工作狀態，保證能夠順利完成井下作業；

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

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

（7）數據解釋：數據處理完畢，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（地質構造、斷層、陷落柱等），結合地質資料以及原始數據給與解釋，定位；

（8）成果報告：根據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、作業流程和最終結果解釋清楚。

3 實施情況與效果

3.1 數據采集

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構造情況以及DF14斷層的位置，國投新集公司物探隊利用MSP技術對迎頭前方進行了超前探測。結合111301工作面機巷現場實際情況，探測測線布置在巷道右幫，錘點19個，接收傳感器點2個即C1、C2，錘點布置在右幫，錘間距略大于或小于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道有效數據物理點數。通過MSP數據處理，本次探測有效距離為80m，中已揭露區20m，未揭露區60m，具體探測成果見下圖2。

通過探測在巷道前方發現了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）。結合地質資料分析，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 現場實揭：根據后期實際揭露的地質資料，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，實際與預測基本符合。

4 存在的問題

本文就MSP地震波超前探測技術在口孜東煤礦井下的實際應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的工作原理、數據搜集和數據體解釋等方面的內容，經過解釋的數據體和巷道實際揭露的地質資料相互對比驗證，也發現了該項技術存在的一些不足，需要進一步研究和改良。

（1）該項技術對井下現場作業條件要求相對較高，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，如果現場條件較差，往往會出現無法采集到數據或者采集到的數據品質較差。

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

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

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