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晋中办事处 张凯，卢小龙
摘要：根据陷落柱与围岩之间存在波阻抗差异的特点，针对迎头前方陷落柱，利用巷道空间特点，采用MSP技术进行超前探测，以确定陷落柱的位置和范围。在新阳矿新二采区轨道巷、207运输巷实际超前探测中，该方法准确确定了陷落柱的位置及范围。探测结果和实际揭露情况对比表明：MSP技术可以对巷道前方100m范围内陷落柱构造进行有效预测。关键词：陷落柱;MSP技术;超前探测
0 引言
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行，影响煤矿生产，而且还有可能将地下水导入工作面内，给煤矿安全生产造成极大威胁。
一般情况下，探查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。目前探测陷落柱的主要物探手段有地面地震勘探、矿井无线电破透视技术、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[1-6]等。
本文根据地震波法在新阳矿陷落柱探测的实践证明，地震波超前探测技术能有效探测掘进巷道前方100m范围内陷落柱地质异常，其探测成果可减少掘进事故，保障矿井安全高效生产[7-10]。
1 震波超前探测(MSP)技术简介
1.1 震波超前探测(MSP)技术原理简介
矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Prediction)，是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破(或锤击)产生的，爆破点(锤击点)一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。
MSP系统主要由记录单元、接收单元和激发单元三部分组成(见图一)。
图一 MSP系统构成
图二 MSP系统右侧帮同侧后置工作原理图
本次探测使用由福州华虹智能科技开发有限公司研发生产的KDZ1114-6B30型矿井巷道地质探测仪，仪器采用先进电子技术与嵌入式操作系统，能保证地震数据的高保真获取及智能管理，在2008年获得国家实用新型专利证书。仪器各项技术参数如下：
硬件平台：PPC30型32位嵌入式处理器平台 软件平台：嵌入式linux操作系统
显示器：10.4英寸的800×600高TFT彩色LCD 存储器：大于512MB
操作界面：交互式的全中文图形化操作界面 内存：16MBSDRAM
控制平台：可编程片上系统(SOPC) 通道数：6道
A/D转换器：转换精度24位 采集方式：各通道信号同步采集
动态范围：≥120dB 频带范围：0.5Hz～5000Hz
滤波器：四种数字滤波方式 检波器：三分量高阻尼速度检波器
图三 KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测硬件系统构成
2.1 工程概况
汾西矿业集团公司新阳矿前身是汾西矿业集团公司高阳矿，位于孝义市城西14km的高阳镇，属吕梁市孝义市行政管辖区，主要是开采9#、10+11#煤，现矿井总生产能力为可以达到450万t/a。新阳矿地质构造和陷落柱发育，尤其在构造发育或煤层产状变化大的区域，发育大小不一的陷落柱，给矿井巷道掘进和工作面回采带来了很多困难，降低生产效率，增加生产难度，影响生产安全。
因此，震波超前探(MSP)技术在新阳矿应用具有一定的前景。
2012年9月，针对新阳矿的构造地质问题，以新二采区轨道巷和207运输巷的掘进巷道为实验地点，使用KDZ1114-6B30巷道地质探测仪，采用震波超前探测(MSP)技术方法进行探测，主要完成以下地质任务：
(1)采用震波超前探测(MSP)技术对新二采区轨道巷掘进工作面G11点前66m前方80m范围内的陷落柱、断裂构造的发育情况进行评价;
(2)207运输巷掘进巷道A17点前66m位置已经揭露陷落柱24m，采用震波超前探测(MSP)技术对陷落柱的边界进行控制。
2.2 现场布置
本次实验在2012年9月27日进行，分别在新二采区轨道巷和207运输巷掘进巷道进行，观测系统采用双检波器同侧后置，检波点和锤击点均布置在巷道右侧帮，如观测系统示意图四所示。
图四 右侧帮双检波器同侧后置观测系统示意图
2.3 数据处理与结果解释
2.3.1 数据处理
现场采集到的地震波信号经过处理方能转化为可利用的物性图件，MSP震波探测数据在自行研制开发的MSP2.0软件平台上进行，其处理流程为：数据预处理——频谱分析——直达波求取——反射波提取——速度分析——深度偏移——界面提取。根据速度谱同时结合现场岩性情况，新二采区轨道巷震波速度采用3.1m/ms，207运输巷掘进巷道在现场探测时已揭露陷落柱24m，其震波速度采用2.6m/ms。深度偏移处理为MSP处理的核心部分，在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上，以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。
2.3.2 结果解释
(1)新二采区轨道巷
图五为新二采区轨道巷经过深度偏移后反射界面提取图，根据该成果图分析在迎头前方34-39m(即G11点前100-105m)左右范围存在一强反射界面界面，为R1，推断其为迎头前方陷落柱边界或是断裂构造发育带;在迎头前方62m(即G11点前128m)左右位置存在一较强反射界面，为R2，推断其为破碎带或裂隙发育带;在迎头前方77-80m(即G11点前143-146m)左右范围存在一强反射界面，推断其为迎头前方另一陷落柱边界或断裂构造发育带。
图五 新二采区轨道巷MSP超前探测反射界面提取剖面图
图六 207运输巷掘进巷道MSP超前探测反射界面提取剖面图
2.4结果验证
新二采区轨道在掘进过程中，在右帮G11点前105.8m，左帮G11点前110.8m位置揭露陷落柱，与R1位置基本吻合;在右帮G11点前151.7m，左帮G11点前147.1m左右出陷落柱，与R3位置基本吻合，详细见图七。
图七 新二采区轨道巷探测结果与验证结果对比图
图八 207运输巷掘进巷道探测结果与验证结果对比图
通过在汾西矿业集团新阳矿新二采区轨道巷和207运输巷掘进巷道对MSP技术进行应用，探测结果和实际揭露情况对比证明MSP技术能够对迎头前方的陷落柱、断层等构造发育带进行有效控制。基于MSP技术属于震波法勘探范畴，震波速度是结果处理过程中很重要的参数，可直接影响预测预报位置的准确性，因此建议相关生产单位多进行探测，通过探掘对比不断修正速度参数，以提高探测结果的准确性。
参考文献：
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[3]董守华，王琦. 层析成像在巷道无线电波透视法中的应用[J]. 中国矿业大学学报，2003.
[4]胡运兵，张宏敏，吴燕青. 井下多波多分量地震反射法探测陷落柱的应用研究[J]. 矿业安全与环保，2008.
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[6]刘盛东，郭立全，张平松. 巷道前方地质构造MSP法超前探测技术与应用研究[J]. 工程地球物理学报，2006.
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[8]刘盛东,郭立全. MSP技术及其在煤矿巷道小构造探测中的应用[J]. 安徽理工大学学报(自然科学版),2007.
[9]赵晶.MSP技术在任楼煤矿巷道超前探测中的应用[J]. 中国煤炭地质,2011.
[10]刘忠远. 矿井地震超前探测技术在龙东矿的应用[J]. 中国煤炭地质,2011.
作者简介：
张凯，男，宿州学院地质工程专业，福州华虹智能科技开发有限公司晋中办事处技术员。
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