摘要：针对陷落柱与周围煤体之间存在明显波阻抗差异的特点，建立巷道内地震波超前探测陷落柱数值模型。采用波场正演模拟方法，分析巷道前方存在陷落柱时的地震波场特征，总结出基于绕射偏移的陷落柱边界探测方法。在新元矿南二正巷实际超前探测中，该方法准确圈定了巷道前方陷落柱的范围。探测结果和实际揭露情况对比表明：地震波超前探测技术可以对巷道前方120m范围内的陷落柱构造进行有效预测。
　　关键词：地震波超前探;陷落柱;绕射偏移;数值模拟
　　0 引言
　　岩溶陷落柱是煤矿开采过程中常常遇到的一种灾害性地质异常体，其普遍分布于我国华北石炭——二叠纪煤田中，是影响煤矿生产建设的特殊地质条件之一。岩溶陷落柱不仅破坏了煤层的连续性，影响煤矿生产，而且还有可能将地下水导人工作面内，给煤矿安全生产造成极大威胁。
　　一般情况下，探查岩溶陷落柱都是运用物探先行，物探、钻探、巷探相结合的技术手段进行综合探查，以确定其确切位置，圈定范围，查明形状及规模。目前探测岩溶陷落柱的主要物探手段主要有地面地震勘探、矿井无线电波透视技术、矿井地质雷达、瑞利波勘探技术、地震波CT和槽波地震勘探技术等^[1-9]。
　　本文介绍地震波超前探测技术，结合了巷道空间特点，采用了巷道多次覆盖观测系统进行数据采集，数据处理过程中综合运用了波场分离、反射波提取、叠前偏移成像等多种处理算法，是一种多波多分量全空间地震勘探技术。
　　由于井中地震勘探是在巷道中激发和接收地震波，既克服了复杂的表层干扰，又离目标体较近，因而地震波能量和高频成分衰减较少，可获得高精度和高分辨率的地震资料。为掌握井中地震的波场特征，本文采用波场正演模拟方法。研究巷道内激发可能产生的波场类型(包括有效波和干扰波)和传播特点，并在实践中验证。实践证明，地震波超前探测技术能有效探测掘进巷道前方120m范围内断层等地质异常，其探测成果可减少掘进事故，保障矿井安全高效生产^[10-13]。
　　1 地震波超前探测技术及系统原理
　　1.1 巷道前方高倾角界面负视速度时距特征
　　研究反射波的时距曲线特征需首先建立观测系统。由于受地下工程空间局限性的影响，巷道地震探测工作只能在巷道迎头附近有限区域展开。因此，结合实际，坐标系的X轴原点位于巷道后方，X轴正方向水平指向巷道前方；接收点分别设置在原点和迎头位置，激发点位于原点与迎头之间。设巷道前方界面在X轴上出露点为(h，0)，界面倾角为θ，后置接收点位于原点R_B(0，0)。任一激发点的坐标为(图一)。　　 　　根据反射定律和虚震源原理可得巷道前方界面的时距方程如下： 　　式中：t_B——后置接收点反射旅行时，s;
　　x——任一激发点在x轴上的坐标，m;
　　h——前方界面和x轴(巷道轴线)的交点坐标，m;
　　θ——界面倾角，(°);
　　v₁——界面上层速度，m/s;
　　由于巷道中仅能布置有限测线。因此仅能反映出时距曲线的局部。图二为巷道前方不同倾角界面在后置接收点的时距曲线。对比不同角度的时距曲线可以发现，当界面为高倾角时(45°—90°)，由于最小值点不在测线内，测线只能反映出单调递减的反射波同相轴，因此均表现出负视速度。尤其直立界面(θ=90°)时距曲线已简化为直线，其斜率为一l/v₁。
　　综上所述，受巷道测线长度限制，在前方界面的反射波场中只能反映出局部反射波同相轴;该局部同相轴和界面倾角大小相联系，当前方界面为高倾角时，时距曲线段表现出负视速度特征;测线上前后置接收点时距曲线特征相似，在高倾角界面时均具有负视速度特征。
　　1.2 反射波提取
　　从以上分析可知，巷道条件下地震波场是异常复杂的。地震波超前探测的目标体主要集中在巷道前方，而前方的地质信息完全体现在来自巷道前方反射波组中。因此，有效地提取巷道前方界面的反射波成为地震波超前探测的关键技术之一。　　 　　从时距曲线规律看出，在线性观测系统条件下，巷道前方界面均表现出特殊的负视速度特征。本文基于此视速度差异规律，采用Τ—Ρ滤波方法提取出巷道前方界面反射波，同时压制声波、面波等干扰波以提高数据信噪比。
　　2  超前探测数值模拟
　　地震波场数值模拟是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段。为了有针对性地研究巷道周边界面波场传播规律，通过合成地震记录方式来研究地震超前探测技术对于前方陷落柱的探测效果^[14]。
　　2.1 模型参数
　　模拟研究中设计一个大小为500mx500m的三层数值模型，中间层为模拟煤层，上下为模拟顶底板，其中模拟参数见表l。网格划分为0.5m×0.5m。巷道前方存在一个陷落柱，界面倾角为90°。炮点和检波点设置在巷道同一侧帮煤层中部。炮点在前方，共10炮，后置1个检波器。检波点坐标为(230，250)，起始炮点坐标为(260，250)，炮距5m，共10炮，末端炮点坐标为(305，250)。其空间位置关系见图三数值模型示意图。