基于超前探測技術的掘進巷道地質特征反演

于汝超，時振京，李 萍

(1.徐州集團 新疆天山礦業有限責任公司，新疆 庫車 842000； 2.北京啟迪智信注冊安全工程師事務所有限責任公司，北京 101601)

隨著煤礦開采向深部不斷延伸，地質構造愈加復雜化，斷層、褶曲、破碎帶、溶洞、礦井突水點等地質異常體多見，不僅影響施工效率，而且給礦井安全生產造成嚴重的威脅。巷道掘進作為煤礦開采的重要環節，是一項工作環境特殊、技術難度大、工作要求高且關系到礦井安全的地下隱蔽工程，在待掘信息未知的情況下進行掘進活動，地質異常體誘發的礦井災害時有發生，給掘進工作帶來嚴重的阻礙。因此，在煤礦巷道掘進工程施工前期，有必要對待掘區做詳細的地質分析。超前探測技術能有效地識別地質異常體、掌握地質構造參數、預測巷道前方壓力、保證巷道掘進的安全施工，可作為待掘區地質分析的有效手段。

針對巷道(隧道)的超前探測技術始于20世紀70年代，經過近40 a的不斷改進和完善，國內外專家學者提出了十余種地質探測方法，主要包括地震波法[1-3]、電磁類方法(瞬變電磁法)[4-6]、地質雷達法[7-9]、核磁共振法[10-12]、電阻率法/激發極化法[13-15]等。這些方法的應用和推廣解決了煤礦安全生產的諸多實際問題，為探測和預報異常地質體做出了突出貢獻。

盡管近年來超前探測方法在斷層、溶洞探測等方面取得較大進展，但以煤礦掘進巷道為例的監測對象仍面臨諸多問題和需求，地震波探測技術和預警方法仍有待進一步研究。這主要體現在以下幾個方面：①對地震波的傳播特性了解不深、認識不夠，無法準確獲取地震波的波場分布特征；②煤礦掘進巷道條件復雜，缺少對典型地質異常區域地震波探測結果的特征分析與挖掘，不利于對探測數據的快速解譯和評估；③沒有形成系統的超前探測評價與預警體系，尤其是針對動力災害顯現較為明顯的煤層巷道，在巷道掘進過程中的隨掘隨探分析與預警。除此之外，由于國外煤礦開采條件與國內存在極大的差異，掘進巷道超前探測工作的發展也處于停滯狀態，大多還是利用預警、監控數據等方法實現突出危險的預測預報工作，對于專業的預警參數測定數據并沒有進行深入的研究與硬件升級工作。

針對上述問題，本文以動力災害顯現煤層巷道為對象，利用地震波探測技術，提出“隨掘隨探”的超前探測方式，分析和挖掘典型異常探測結果的相應規律和成像特征，最終提出和形成基于三維成像技術的動力災害顯現煤層巷道隨掘探測預警技術,為動力災害顯現明顯的煤層巷道的超前探測提供了一種切實可行的方法，保證了巷道的快速、安全掘進。

1 超前探測技術

地震波超前探測是應用礦用地震波高級探測技術，根據地震波在傳播過程中遇到不均勻地質體會發生反射的原理，結合巷道的特點，沿巷道后方布置震源和傳感器，對巷道前方的地質和水文地質情況進行探測而設計開發的一種觀測系統。 MSP系統主要由記錄單元、接收單元和激發單元3部分組成，如圖1所示。

圖1 MSP的系統構成

2 探測信號精細化處理

2.1 頻率域濾波

野外數據采集的過程中，采集有效波的同時總會伴隨不同程度的干擾信號。針對有效波與干擾波不同的頻率特征以及速度特征，在數據處理時可以采用不同的方法消除干擾波帶來的影響。

頻率濾波是建立在頻譜分析的基礎上的，下面介紹一下振幅譜的概念。地震波是由不同頻率成分的諧波疊加形成的，通過傅氏變換，可以把地震信號從時間域變換到頻率域進行分析。下式為一組傅氏變換對，X(f)是時間域信號x(t)的正變換，x(t)為X(f)的反變換。公式表明一個非周期震動的脈沖信號可用許多不同頻率的振動疊加構成，每一個不同頻率的諧和振動的振幅和初始相位由X(f)決定。

(1)

把X(f)的模稱為信號x(t)的振幅譜,振幅譜也可以用分貝譜表示，即:

A(f)=20log10|X(f)|

(2)

在進行頻率濾波前要進行頻譜分析，通過對地震記錄x(t)進行頻譜分析，求取地震記錄的振幅譜A(f)，根據地震記錄中有效信號與噪聲的頻譜差異，選擇合適的參數進行濾波，從而消去噪聲，突出有效信號，提高地震記錄的信噪比。

2.2 直達波切除

煤層巷道超前探測技術主要依據地震反射波中包含的地質異常體信息。通過建立地質異常體與煤層巷道隨掘過程中地震波信號之間的地球物理特征響應規律，分析、研究煤層巷道待掘區的地質特征，繼而進行煤層巷道隨掘超前探測預報。因此，超前探測數據分析主要是基于反射波信號展開，對直達波進行切除處理，提取有效反射波成為了超前探測技術的關鍵。

時距曲線是指地震波到達各檢波器的時間與震源點到各檢波器的距離之間的關系曲線。對時距曲線進行研究，可區分直達波與反射波，進而對直達波進行切除[16]。

由震源出發向外傳播，沒有遇到分界面直接到達接收點的波叫直達波。其時距曲線如圖2所示。O點為震源點，在測線接收，在坐標系中，將震源點與各接收點連起來得到一條曲線，形象地表達了直達波到達測線上某一觀測點的時間同觀測點與激發點之間距離的關系，稱直達波時距曲線。直達波時距曲線方程為:

圖2 直達波時距曲線

(3)

式中：t為直達波初至時間；X為震源點到各檢波器的距離；Δh為偏移距；V為直達波波速。

由震源發出向外傳播的彈性波，遇到不同彈性介質 (波阻抗差異) 的分界面，將產生反射，由檢波器接收的波叫反射波。其時距曲線如圖3所示。O點為震源，地震波遇傾角為α的波阻抗界面，產生球面反射波，依次被線性排列的檢波器接收，且記錄在時空域坐標軸中形成一條時距曲線[17]。反射波的時距曲線方程為：

圖3 反射波時距曲線

(4)

式中：t為反射波初至時間；X為震源點到各檢波器的距離；h0為震源點與波阻抗界面的垂直距離；V為反射波波速。

3 工程實例

3.1 工程背景

山西某礦21采區膠帶運輸下山位于+788 m水平、11采區，地面標高+1 721～+1 616 m，井下標高+1 305～+788 m.該巷道沿2號煤層掘進，2號煤層厚度2.56～3.91 m，平均3.26 m，煤層傾角20～32°，平均29°.工作面地面為溝谷及山地斜坡，建筑物有小莊旺村莊、工業廣場，小莊旺村莊、工業廣場已經留設保安煤柱，有1趟500 kV供電線路通過。工作面井下位于21采區，工作面北部為設計的21采區回風下山巷道、21采區軌道運輸下山巷道，南部為設計的21采區行人下山，西部為南翼膠帶運輸大巷，東部為未采動區。

為了查明山西某礦21采區膠帶運輸下山迎頭前方的地質構造情況，更好地控制該巷道前方的異常構造位置，對21采區膠帶運輸下山前方構造情況進行探測。本次探測測線主要布置在21采區膠帶運輸下山，利用礦井震波超前探測法基本控制21采區膠帶運輸下山前方的斷層位置，為巷道的掘進工作提供物探資料。現場探測系統布置于S1所在區域，R1、R2、R3為后期掘進后揭示和驗證的異常區域(斷層)。圖4為探測位置平面圖及揭示異常區域分布示意圖。

圖4 探測位置平面圖及揭示異常區域分布示意

3.2 探測系統建立

現場測線布置時，以2膠2導線點前23.6 m為探測起始位置。震源點布置在巷道右幫，總共16個震源點，檢波點2個分別為C1、C2，C1、C2均布置在右幫，傳感器及震源點順序和方位見圖5，震源點1～16布置在右幫，設計震源點間距0.5 m；C1、C2檢波點間距2 m.其中C2傳感器距離P1號震源點2 m，P16距離P1震源點7.5 m.現場測量源檢距，后續以實際距離計算。

圖5 觀測臺網布置圖

3.3 數據處理分析

根據速度譜同時結合現場巖性情況，進一步根據以往探測的驗證結果，本次MSP探測取綜合速度為1.5 m/ms進行偏移處理速度。獲得地震波探測數據，進行數據處理，數據基礎處理流程如圖6所示。

圖6 地震波超前探測數據處理流程示意

3.4 綜合地質解釋

圖7為反射界面提取剖面，從反射異常界面提取剖面中可以看出，在探測位置前方共存在3處反射異常帶，分別命名為R1、R2、R3.從井下鉆探驗證和巷道實際揭露情況可知，礦井震波超前探測基本上查清了巷道施工前方的構造發育及煤層起伏變化情況，為動力災害顯現煤層巷道的安全、快速掘進提供了技術保障。

圖7 21采區膠帶運輸下山MSP探測結果

綜合圖8及上述分析和現有地質資料對上述異常段作如下推斷解釋：異常R1在2膠2點前56.3 m附近，該異常界面的影響范圍在距2膠2點前54.3～61.3 m，分析為受J3斷層影響產生的反射界面；異常R2在2膠2點前78.3 m附近，該異常影響的范圍在距2膠2點前77.3～83.3 m之間，分析為受G4、J6、J7斷層綜合影響產生的反射界面；異常R3在2膠2點前110.3 m附近，該異常影響的范圍在距2膠2點前104.3～116.3 m之間，分析為受J8斷層及21總回風巷道綜合影響產生的反射界面。

圖8 21采區膠帶運輸下山探測結果解釋圖

4 結 語

此次MSP超前探測在21采區膠帶運輸下山進行，根據以往的探測經驗把地震波速定為1.5 m/ms.結合探明斷層空間三維形態示意圖，最終探測結果顯示，探測位置前方存在3處地震反射異常界面，分別與探測位置前方J3斷層，G4、J6、J7斷層，J8斷層的位置相對應，推測這3處異常為受這幾處斷層影響所致，巷道掘進過程中要加以注意。由上述分析提出如下建議：

1) 建議在巷道掘進過程中，加強地質編錄，可進一步提高對探測區域的解釋精度。

2) 實際生產過程中，如發現構造異常，應及時通知相關技術人員，以便采取加密觀測及防治措施。

3) 針對提出的異常體區域，做好提前預防的準備。