煤礦巷道全空間地震探測裝置及探測方法的分析

姚國峰

（山西汾西中興煤業有限責任公司，山西 交城 030500）

引言

礦井地震探測技術能提前探測掘進巷道前方和回采工作面內部的陷落柱、斷層等地質構造，還能探測煤厚變化區、煤層破碎帶、應力集中區等其他地質異常，從而為煤礦提供良好的地質保障。在地震探測現有技術中，在回采工作面內側幫布置一排炮點和檢波點進行探測，缺少煤層及頂底板等不同深度位置的地震波場信息，獲取的地震信息十分有限；在進行工作面內反射探測時，工作面內部和外側的地震反射信號同時被檢波器接收到，使得在數據處理和資料解釋時，對異常區難以進行準確的地質異常性質判別；在進行工作面透射地震探測時，探測器只在煤層內的一個深度上采集地震數據，沒有采集其他垂向的地震信息，使得數據處理和解釋時缺少信息約束，有時會造成誤報、漏報或異常解釋偏差較大和異常性質難以判定等問題。而一種井下巷道全空間地震探測裝置及探測方法，能夠實現礦井巷道全空間的多波地震探測，可以在巷道內不同層位激發和接收地震波，以獲得豐富全面的地質信息，還可以充分利用縱波、橫波和煤層中傳播的槽波等多種地震波信息，將各個層面的綜合信息進行多參數約束解釋，并用于地質異常體的精細探測和性質判別。井下巷道全空間地震探測裝置與方法充分發揮了其在探測領域的價值，可為煤礦安全開采提供充分可靠的指導信息。

1 全空間地震探測裝置的設計

1.1 結構分析

一種應用于井下巷道全空間地震探測裝置的結構如圖1 所示，該裝置包括礦井地震儀主機、采集站、孔中檢波器、起爆器、數據傳輸總線、數據傳輸小線、震源觸發線等部件。

圖1 井下巷道全空間地震探測裝置結構示意圖

從圖1 可知，裝置中的礦井地震儀主機通過數據傳輸總線與采集站連接；采集站通過數據傳輸小線與孔中檢波器連接；起爆器一端通過震源觸發線與地震儀主機相連，另一端與炮孔內炸藥相連，通過地震儀主機控制起爆器，并按照數據采集人員的要求進行放炮；所述測點包括檢波點和炮點，布置在巷道內側幫和巷道外側幫上。

從圖2 可知，炮點和檢波點分別布置在煤層頂板、煤層和煤層底板的不同位置處；孔中檢波器安置于檢波點處。

圖2 工作面地震探測時各側幫的炮點和檢波點布置圖

進行數據采集之前，首先要進行觀測裝置設計，在巷道內側幫和外側幫均勻布置測點，共布置80 個測點，測點間距10 m。炮點和檢波點間隔交錯布置，炮點橫向間距為20 m，檢波點橫向間距為20 m；在巷道內側幫垂向上布置5 組設計炮點和檢波點，在煤層底板下方2 m 處布置1 組炮點和檢波點，在煤層底板上方1 m、2 m 和3 m 分別布置1 組炮點和檢波點，在煤層頂板上方2 m 布置1 組炮點和檢波點；在巷道外側幫布置3 組炮點和檢波點，在煤層底板下方2 m 布置1 組炮點和檢波點，在煤層底板上方2 m 布置1 組炮點和檢波點，在煤層頂板上方2 m布置1 組炮點和檢波點。因此，共計布置8 條測線。

采集站布置在靠近測點處，通過數據傳輸小線與孔中檢波器連接，同時采集本測點煤層、煤層頂板和煤層底板中布置的8 個孔中檢波器的地震數據，共24 道地震數據，同時采集、存儲并通過數據傳輸將總線與礦井地震儀主機連接。

礦井地震儀主機不僅能夠將各采集站采集的數據快速存儲并按照測線或測點組合方式實時顯示成圖，還可按照自定義數據集顯示成圖，實現數據采集的現場質量監控，還能夠同時采集80 個測點共1 920 道地震數據，實現煤礦井下多道數據快速采集和現場數據質量監控。

采集站能夠同時采集測點垂向和軸向不同空間位置布置的多道地震數據，還能將布置在煤層及頂底板垂向和軸向不同空間位置的數據同時采集并存儲。

孔中檢波器為三分量檢波器，被設置在巷道兩側幫煤層和頂底板不同空間位置。在數據采集時可以在巷道兩側（內側幫和外側幫）的煤層及頂底板的不同空間位置同時布置炮點和檢波點，來采集巷道不同空間位置的地震信息。在具體施工時可根據探測目的和需求再進行合理的觀測裝置設計。

1.2 特點分析

1）該裝置的單個采集站不僅能夠同時對巷道兩側幫的煤層及頂底板不同空間位置的地震波場進行信息采集，還能夠按照設計的不同道集方式進行現場數據質量監控，施工效率高，獲得的波場信息豐富。

2）該裝置充分利用煤礦巷道可用的有限空間，獲得巷道兩側幫的煤層及頂底板不同空間位置的地震波場信息，可實現礦井地震巷道全空間地震成像。對工作面內部實現透射-反射聯合精細探測，對工作面外側地質構造進行反射探測；通過巷道內外側反射信號走時和振幅強弱關系來判斷異常的發育方向和位置，從而減少巷道內外兩側的異常體反射波對另一側地質構造探測的影響；基于垂向多測線數據和成像結果，利用數據特征分析法和異常交匯分析法，形成地質異常體解釋的關鍵約束信息，從而提升異常范圍圈定精度和異常性質判別的準確度。因此，本發明能夠提供不同方位和不同垂向高度的地震信息，為準確地進行異常圈定和性質判別等地質解釋提供更可靠的地球物理依據。

2 全空間地震探測方法分析

該井下巷道全空間地震探測裝置的探測步驟如下：

1）根據探測目的和需求在巷道內外側幫的煤層及頂底板上不同空間位置設置測點。

2）根據測點的設置，進行探測裝置連接，在所述測點上布置檢波點和炮點，炮點內設置炸藥，檢波點內放置孔中檢波器。

3）引爆炸藥的同時進行地震數據采集與處理，地震數據處理包括工作面反射地震數據處理和工作面透射及反射地震數據處理。通過工作面反射地震數據處理可獲得巷道內側幫煤層及外側幫煤層的反射地震探測成果圖，采用走時對比法和振幅對比法對所采集的巷道內外側幫的煤層上的地震數據進行反射波聯合數據處理和解釋，判斷地質異常的發育方向和位置；通過工作面透射及反射地震數據處理對巷道內外側幫的煤層及頂底板上不同垂向高度的測點所采集的地震數據進行透射和反射地震數據分析，得到不同垂向高度的探測成果圖，并分別圈定異常范圍，形成地質異常體解釋的關鍵約束信息。

4）獲取巷道全空間地震綜合探測成果，對尚未驗證的探測異常區進行解釋，最終給出準確的地質異常的圈定范圍和特征地質信息。

3 結語

該裝置能夠獲得井下巷道全空間地震數據，充分利用井下巷道的有限空間，更準確地判定探測范圍內的地質異常體及其性質，為煤礦的安全生產提供可靠的地質資料。