高瓦斯礦區地質構造超前探測系統

溫亨聰，李學臣，劉寶寶，楊海濤

（焦作煤業（集團）有限責任公司 科學技術研究所，河南 焦作454002）

隨著國內部分礦井開采不斷規模化、大型化，采區逐步向深部延伸，煤巖層內存在的斷層、裂隙等“地質薄弱區域”附近往往巖石破碎、位移、煤厚起伏變化、瓦斯積聚、地層完整性缺失、巖層強度降低，礦井開采時刻面臨著瓦斯涌出、底板出水、頂板潰水潰沙等災害的嚴重威脅[1]。為解決日益嚴峻的安全形勢，礦井掘進工作面急需提前探明煤巖層中地質構造發育帶等易發生災害事故的“地質薄弱區域”，為礦井安全掘進、采區合理布設、消除安全隱患提供重要依據。

目前國內外對礦井地質構造超前探測主要方法有直接鉆探法、地震波法、井巷電阻率法、電磁波法等[2]。其中反射地震波法依靠探測距離大、分辨率高、準確率高、抗電干擾能力強等優點，而被眾多礦井廣泛應用，是目前井下構造探測最先進、最有發展前景的方法[3]。同時，隨著礦井采區向深部延伸、煤層瓦斯含量增大、水文地質條件愈加復雜，礦井對井下安全作業的嚴格管控，使得以放炮激發為震源的傳統地震波超前探測技術在瓦斯或高瓦斯礦井施工時，必須減少炮點及炸藥量并嚴格按照礦井“一炮三檢、三人連鎖”等放炮規程作業，造成探測施工愈加繁瑣、探測精度下降、適用范圍減小甚至不再適用于高瓦斯礦井[4]。

根據國內外地震波超前探測技術和設備的發展情況，提出了一種便攜、高效、精細的地震波超前探測系統。該系統集合了國內儀器裝置布置簡便、施工快速及進口儀器采集系統高靈敏、高分辨率等優點，采用負視速度原理，以錘擊激發為震源、分布式采集系統與孔中膠囊檢波器為組合、繞射深度偏移算法為優化，減弱巷道側幫及后方地質異常干擾、提高設備適用性和靈敏度、優化數據反演成果，實現瓦斯礦井采區高效、精細、可靠的地震波超前探測，提前查明掘進工作面前方的煤巖層裂隙發育范圍、斷裂破碎帶的位置、陷落柱范圍等地質構造異常體賦存情況，為礦井安全生產提供保障。

1 系統勘探原理

地震波超前探測技術屬于反射地震波勘探范疇，采用的是回波測量原理，大體原理為：在指定的震源點利用小炸藥量或機械震源激發產生地震波，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當遇到波阻抗差異界面，如斷層、巖石破碎帶和巖性界面等物性界面時，一部分信號反射回來、一部分信號折射進入前方介質[5]。反射回來的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收，供分析解釋。反射波的旅行時間和反射界面的距離成正比，反射波的能量強弱、相位等信息與反射界面的位置、性質密切相關，通過分析反射波的各種特征即可判斷掘進頭前方的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質及其分布狀況[6]，地震波超前探測波路圖如圖1。

圖1 地震波超前探測波路圖Fig.1 Wave path diagram of seismic wave advance detection

1.1 負視速度時距特征

與地面反射地震勘探基于水平或低傾角反射界面不同，巷道前方的反射界面與地震測線呈垂直或高傾角空間關系，因此表現出獨特的負視速度時距特征[7]。受巷道有限觀測系統限制，測線巷道前方界面的反射波場中只能反映出局部反射波同相軸；該局部同相軸和界面傾角大小相聯系，當前方界面為高傾角時，時距曲線段表現出負視速度特征；測線上前后置接收點時距曲線特征相似，均表現出負速度特征。巷道側幫界面同樣為雙曲線規律，其中后置傳感器曲線在巷道空間中的有效反射波同相軸表現為正視速度而前置傳感器曲線有效反射波牲卻表現出負視速度特點。

1.2 分布式采集系統

分布式地震波超前探測技術，其基于反射地震勘探原理，將多個檢波器或震源點呈線性排列，有規則的接收或激發地震信號，利用地震反射波在煤系地層中傳播的特征來辨別掘進巷道前方斷層、軟弱夾層等不良地質體[8]。分布式主要指超前探測設備和觀測系統具有靈活多變特征，不拘于巷道的特定位置，設備具有延展性，觀測系統具備現場調整性。當煤系地層中存在地質異常體時，介質間的彈性差異是不同的，為反射波的產生和傳播提供了物理前提，而分布式地震波超前探測系統具有更好采集和區分異常信息[9]。

1.3 偏移處理

地震記錄上的反射同相軸因為受波的傳播特性的影響和記錄方式的限制往往與其相應的反射地質體在形態和位置上不一致性，這種不一致性稱為偏移。而設法消除偏移影響的方法叫偏移處理或偏移成像稱為偏移成像處理。其整體可以視為通過數值計算把地面記錄延拓為地下波場的過程。在此過程中，繞射波得到收斂，傾斜界面反射波得到歸位，波場干涉得到分解，波前回轉現象得到消除，界面折射得以校正(深度偏移)，從而使地層構造、斷層分布、斷點、尖滅點、邊緣、異常體和巖性變化得到清晰成像和準確歸位，從而使偏移后的地震剖面與實際地質剖面具有更好的可比性[10]。

2 系統組成

系統整體選用進口的SummitⅡEx 地震儀和國產的YWZ11-Z 地震波超前探測儀為基礎設備。這2種設備為目前國內外地質構造地震勘探類中較為典型、效果良好的儀器，系統組合應用這2 種儀器，旨在集合國內探測儀設備布置方便、施工快速及進口地震儀采集系統高靈敏、高分辨率等優點，提高有限資源的使用效益和專業化水平，促進物探方法協同創新，拓寬物探技術深度和廣度。

系統設備主要是為煤礦巷道超前探測地質構造設計和應用。因此，系統的研發考慮輕便、簡易、防塵、防水、防爆等特性，選擇以YWZ11-Z 地震波超前探測主機為基礎，采用SummitⅡEx 膠囊式高靈敏檢波器為系統信號接收設備，以錘擊激發系統為震源，同時應用自主研究的儀器信號轉接線，使探測系統減弱異常干擾、提高設備適用性和靈敏度、優化數據反演成果，達到高瓦斯礦區高效、精細、可靠的地震波超前探測。

1）主機。選用安徽惠洲地質安全研究院股份有限公司生產的YWZ11-Z 型主機，采用安卓操作系統，操作系統具有觸摸屏和鍵盤雙控制操作平臺；雙采集模式，可同時接入速度型傳感器和MEMS 加速度傳感器的信號采集，兼顧深部與淺部地震信號；采樣頻率高，滿足超淺層地震信號采集，人機交互便捷。

2）震源激發組合。系統震源激發組合包括震動觸發器、信號傳輸器、墊片、大錘4 部分組成，在銅錘的一端安裝高靈敏度的震動觸發器，在大錘與墊片錘擊產生地震波瞬間觸發主機采集數據。

3）檢波器。為了能利用反射地震波的各種持征來判斷掘進頭前方的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質及其分布狀況，就要求檢波器具有分辨視角廣、頻率響應好、線性度高、抗干擾能力強等特點，同時還能高保真、高信噪比、高分辨地把地震波信息記錄下來，其采集的地震信息質量直接影響物探最終結果的可靠性和準確性。為此系統檢波器選用德國DMT公司生產的SummitⅡEx 膠囊式高靈敏檢波器，即GS-A 檢波器。GS-A 檢波器是一種安插在鉆孔中的傳感器，為垂直的雙分量水平檢波器，孔直徑為55 mm。檢波器由檢波器探頭、連接線及充氣閥門組成。檢波器探頭核心部分為內置的2 個且互相垂直檢波探針組成。1 個安裝在中心軸上，另1 個則與其垂直安裝。通過線纜連接處的充氣閥門向探頭中填充壓縮空氣，以實現探頭與孔壁間的耦合。通過往探頭內充氣使其膨脹，探頭上的金屬接觸片繼而連同檢波器一起緊緊地貼在孔壁上，GS-A 膠囊式檢波器如圖2。

4）儀器信號轉接線。針對SummitⅡEx 膠囊式檢波器數據接口和YWZ11-Z 型數據傳輸大線串口型號不匹配的問題，系統采用自主研究出儀器信號轉接線，使得YWZ11-Z 型主機和SummitⅡEx 膠囊式檢波器能夠聯合應用，實現信號轉換傳輸，促進多種設備、方法協同創新，拓寬物探技術深度和廣度，信號轉換線電路示意圖如圖3。

圖2 GS-A 膠囊式檢波器Fig.2 GS-A capsule type detector

圖3 信號轉接線電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of signal wiring circuit

3 優化提升

1）錘擊為震源，拓寬應用范圍。在礦井安全形勢日益嚴峻、生產環境愈加復雜的大環境下，瓦斯礦區對井下安全作業的管控只會愈加嚴格。在高瓦斯礦區以放炮激發為震源的傳統地震波超前探測技術在井下應用時，必然會變得舉步維艱，其適用范圍將大幅度減小甚至不再適用。即使能在局部應用時，也必將面臨減少炮點及炸藥量并嚴格按照礦井“一炮三檢、三人連鎖”等放炮規程作業的狀況，造成探測施工愈加繁瑣、效率低下、探測精度下降等問題。系統以錘擊激發為震源，有效解決了傳統放炮震源超前探技術難以在高瓦斯礦井應用的技術瓶頸，消除了井下放炮給高瓦斯礦井帶來的安全隱患，使地震波超前探測技術在高瓦斯礦井具有更大的推廣性和適用性。

2）高靈敏檢波器，保障數據采集質量。在高瓦斯礦井地質構造超前探測時，系統以錘擊激發為震源，雖能有效解決了傳統放炮震源超前探技術在高瓦斯礦井難應用瓶頸，但同時也因為以錘擊激發為震源，使得震源存在激發能量變弱、信號分辨率降低等問題。為此，系統采用GS-A 孔中膠囊高靈敏檢波器為傳感器，以其分辨視角廣、頻率響應好、線性度高、抗干擾能力強的特點，利用其及在地震信息記錄中高保真、高信噪比、高分辨的優勢，有效彌補以錘擊激發為震源時激發能量弱、信號分辨率低等不足，保障井下施工時數據采集的精細度和可靠性。

3）多技術聯合應用，提高成果準確性。系統采用負視速度原理，可以大幅度減弱巷道側幫及后方地質異常干擾，提高勘探的可靠性；以分布式采集系統與孔中膠囊檢波器為組合，可以有效提高探測效率和設備靈敏度，保障超前探測精度；以繞射深度偏移算法為優化，可優化數據反演成果，提高物探成果的精細度和準確率，最終實現掘進工作面的高效、精細、可靠的地震波超前探測。

4 工程實例

焦作煤業（集團）新鄉能源有限公司趙固二礦11060 工作面運輸巷為掘進煤巷，根據礦井已知三維地震資料顯示：該巷道通尺2 010～2 015 m 段附近存在1 條DF20斷層，傾角15°，落差0～2 m。巷道掘進至通尺1 953 m 時急需查明巷道前方斷層等地質異常構造體的分布狀況，為巷道的布置、設計、安全掘進提供決策依據。

4.1 施工布置

本次地質構造超前探測在11060 工作面運輸巷通尺1 953 m 處實施，施工采用反射地震波回波測量法，線性排列布置方式，即沿著掘進巷道一側布置激發震源和接收檢波器，逐點錘擊激發、逐點采集。設計在巷道的左幫布置激發點，利用錘擊依次激發產生地震波，利用2 個檢波器同時接收反射回來的地震波，通過分析反射波的旅行時間、能量強弱、相位等信息，判斷掘進頭前方的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質及其分布狀況，地震波超前探測施工布置圖如圖4。

4.2 勘探結果及驗證

11060 工作面地震波超前探測成果圖如圖5。其中，圖5 中顯示了探測范圍內煤巖層各處的地震波能量（振幅）大小（粗黑色震蕩線顯示的是巷道中軸附近的實時波形圖）。能量（振幅）越大，對應區域顏色越偏亮色（正相位）或灰色（負相位），表示附近存在地質構造異常體（如斷層等）的幾率越大。

圖4 地震波超前探測施工布置圖Fig.4 Seismic wave advanced detection construction layout

圖5 地震波超前探測成果圖Fig.5 Seismic wave advanced detection results

由圖5 可以看出，趙固二礦11060 工作面運輸巷掘進頭前方存在1 處地質構造異常區，標記為Y1。Y1 位于掘進頭前方48～56 m 段（圖中粗線所圈區域），為中等偏弱強度波阻抗界面，分析認為可能系巖層斷裂破碎帶（斷層）或裂隙發育區的反映。

根據11060 工作面運輸巷實際掘進情況，對超前探測成果進行驗證，驗證結果為：11060 工作面運輸巷掘進到通尺2 008 m（即Y1 異常區附近）及往前10 m 范圍區域時，巖層產狀開始出現變化，在Y1異常區延伸范圍段，巖層普遍顯著破碎、內含方解石夾層且伴有頂板滴淋水現象，證實存在斷層，物探結果與巷道實際揭露基本吻合，地震波超前勘探結論準確、可靠。

5 結 語

系統以錘擊激發為震源、分布式采集系統與孔中膠囊檢波器為組合、繞射深度偏移算法為優化等多種方法手段，減弱巷道側幫及后方地質異常的干擾，提高設備適用性和靈敏度，優化數據反演成果，實現高瓦斯礦區地質構造高效、精細、可靠的地震波超前探測。應用該技術可以有效提前查明掘進工作面前方煤巖層中斷層、裂隙等易發生災害事故的“地質薄弱區域”，為礦井安全掘進、采區合理布設、消除安全隱患提供重要依據，保障煤礦的安全生產。