MSP巷道超前探测技术在平煤某矿小构造精细探测技术研究项目中的应用-中国矿井物探网—

晋西北办事处符洪

　　摘要：在矿井巷道中布置测线激发地震波时，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，当前方界面为高倾角时，时距曲线段表现出负视速度特征;受全空间影响，在巷道已揭露的后方存在的界面同样会产生反射波，同样受测线长度所限，接收到的有效反射波时距曲线为曲线段，均表现为正视速度;当布置后置观测系统时，巷道侧方界面反射波时距曲线同样表现为正视速度。MSP巷道超前探测技术正是基于反射地震波在全空间的这一表现特征，通过在迎头后方布置观测系统，通过分离提取前方有效反射波，就能探测巷道前方存在的地质问题，从而达到超前预测预报的目的。
　　关键词：全空间;负视速度;正视速度;MSP技术;小构造
　　1 引言
　　在煤炭开采过程中，断层、陷落柱、老窑采空区等地质构造一直是制约煤矿安全高效生产的主要因素。近年来，随着采煤机械化程度的不断提高，对井田内地质情况的掌握也提出了更高的要求。传统的勘探手段只能基本查清规模相对较大的地质构造在井田内的分布情况，对于巷道独头或局部地区的小构造则达不到精细探查的要求，且成本高，耗时长，施工效率低，而小构造在高瓦斯矿井、强富水性矿井中又是不可忽视的因素。因此，急需寻求一种高效、快捷、精确的超前预报方法，根据预报方法的探测成果适当布设针对性强的超前探测钻孔，这样既节约掘进成本、提高掘进工效，又能保障安全生产。
　　2 项目背景
　　平顶山地区地势整体东高西低，矿区内大小断层纵横交错，地质条件较为复杂，呈现出东部矿井高瓦斯，西部矿井强富水的特点。对于东部高瓦斯矿井，在布置采面之前要先对煤层进行瓦斯抽放，因此在低抽巷或高抽巷掘进过程中，要严格控制顶板或底板距煤距离，而对于掘进迎头前方未知的断层、煤岩产状变化等地质情况若不提前查清，就极易造成瓦斯突出，造成灾难性后果。针对以上问题，中国平煤神马集团平顶山天安煤业股份有限公司地测处，以平顶山天安煤业股份有限公司某矿岩煤层巷道快速掘进地质构造探测为目的，开展地质构造预测预报技术研究。从地质角度必须能够及时通过超前物探手段，准确预测预报采区和工作面前方的各种地质构造与异常。项目研究结合大量的实验及文献资料分析，认为：在众多的超前探测方法中，地震反射探测所受的干扰影响较小，测试原理成熟，对构造界面的分辨能力强，是相对可靠、探测距离较远的一种物探技术手段之一，因此比较适宜于进行巷道前方不良地质构造或异常探测与预报。
　　3 研究目标和主要内容
　　1)采用小构造精细探测技术，确保1500米试验巷道的安全掘进;
　　2)掘进迎头前方80米内断层、薄煤带、火成岩侵入体等地质构造探查准确率80%以上，无异常准确率90%以上;
　　4 反射波超前探测理论
　　矿井震波超前探测技术(MSP)，基于反射地震勘探原理，结合巷道空间特点，高倾角界面的波场动力学规律，采用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地震数据处理算法，是一种多波多分量全空间地震勘探技术。
　　4.1 反射波时距曲线特征分析
　　(1)巷道前方界面反射波时距曲线
　　研究反射波的时距曲线特征需首先建立观测系统坐标系。由于受地下工程的空间局限性，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RB(0，0)，任一激发点的坐标为S(x，0)(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：

　　(4-1)
　　式中：t_B——后置接收点反射旅行时;
　　x——任一激发点在x轴上的坐标;
　　h——前方界面和x轴(巷道轴线)的交点坐标;
　　θ——界面倾角;
　　V₁————界面上层速度; 　　

图一巷道前方倾斜界面反射波时距曲线图二前方不同倾角界面时距曲线对比

　　由图一中后置接收点的时距曲线，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(图中实线部分)。图二为巷道前方不同倾角界面在后置接收点的时距曲线，倾角自15º起递增为22.5º、30º、45º……90º。对比不同角度的时距曲线可以发现，受时距曲线最小值点控制，最小值点随倾角变化向上倾方向移动，低倾角时(15º~30º)，最小值点位于测线内，在曲线的单调递减区(左侧)反射波同相轴为负视速度，在递增区表现为正视速度;当界面为高倾角时(45º~90º)，由于最小值点不在测线内，测线段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

。
　　综上，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。
　　(2)巷道后方界面反射波时距曲线
　　在巷道中布置测线时，受全空间影响，在巷道已揭露的后方存在的界面同样会产生反射波。图三为巷道后方界面的时距曲线图，图中F、B分别为前置和后置接收点反射波同相轴曲线。从图中可以看出，F、B均为双曲线，同样受测线长度所限，接收到的有效反射波在时距曲线为曲线段，且两者均表现为正视速度。上文已分析，巷道前方界面表现为负视速度，因此，前后界面在同一观测系统下表现出不同的视速度特征，为从反射波场中正确识别，消除后方界面反射波的干扰提供了有利条件，并可进一步利用视速度滤波数学工具进行反射波场的分离，提取出前方反射波。　　

图三巷道后方倾斜界面反射波时距曲线图

　　(3)巷道侧方界面反射波时距曲线
　　巷道侧方界面表现为与巷道轴线(或测线)平行，如顺层巷道的顶底板岩层或侧帮构造迹线。设侧方界面深度为h，激发接收点位置同上文，在此条件下，前置接收点和后置接收点时距曲线见图四，反射波时距方程如下：

　　 (4-2)

(4-3)

　　
图四巷道侧方界面反射波时距曲线图

　　式中：t_B，t_F——分别为后置和前置接收点时距方程;

　　x——任一激发点在x轴上的坐标;
　　h——界面深度;
　　V₁——界面上层速度;
　　L为前置接收点在x轴上的坐标。
　　分析时距曲线图四，时距曲线B和F均表现双曲线特征，其中后置曲线B在巷道空间中的有效反射波同相轴表现为正视速度而前置曲线F有效反射波仍表现出负视速度特点。因而，F曲线在侧方界面和前方界面一样仍表现出负速度特征，这不利于从前置接收点的反射波场中分离出前方反射波。
　　通过巷道前方、后方、同侧界面反射波时距曲线特征规律分析，为有效分离前方反射波，在MSP观测系统布置中通常采用后置接收系统。
　　5 现场探测应用
　　(1)地质概况及问题
　　平顶山天安煤业股份有限公司某矿矿井勘探类型为二类二型，矿井地质条件为Ⅱ类(中等)。根据矿井生产建设过程中实际揭露的情况，结合地震补充勘探成果，其矿井地质条件为中等型。精查地质报告共查明正断层26条，落差大于30米的有19条。己一、己二采区二维地震补勘，又新发现落差10m以上的断层17条，生产过程又揭露出落差10m以上的断层7条，5m以上的断层18条。褶曲是本井田构造的主要表现形式，其复杂的地质条件严重地影响或制约着采掘生产。
　　(2)观测系统布置
　　该研究项目采用福州华虹智能科技开发有限公司研发生产的KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测仪，该仪器提供了多种观测系统，为保证施工安全，提高工作效率，本次项目研究过程中多采用锤击震源，壁挂式检波器接收，双检同侧后置的观测系统。如图五所示：　　

图五 MSP锤击震源双检同侧后置超前探测观测系统示意图

　　(3)数据处理基本参数分析

表一滤波频率范围表

表二不同岩、煤介质纵波(P波)和横波(S波)速度表(初至拾取)

　　　　
(4)应用成果分析

　　2012年8月开始，到11月止，共进行32次探测。探测距离1600米。具体探测情况及验证情况见表三。
　　

表三现场验证情况表

　　从表中可以看出，探测解释结果与实际结果之间具有较好的吻合率。具体：共计预测界面55个(己_15.17-11111机巷低抽巷13个、己_15.17-13031机巷低抽巷跟踪探测9个、己_15.17-13031中低抽巷跟踪探测9个、东翼回风下山跟踪探测3个、己₁₅-14010机巷跟踪探测21个);
　　准确预测45个(己_15.17-11111机巷低抽巷11个，己_15.17-13031机巷低抽巷6个，己_15.17-13031中低抽巷跟踪探测8个(其中一个还未揭露)，东翼回风下山跟踪探测3个，己₁₅-14010机巷跟踪探测17个)。即掘进工作面前方断层破碎带、煤厚变化带、岩性变化带、褶皱等地质构造探查准确率为81.8%。
　　其中己_15.17-11111机巷低抽巷，己_15.17-13031机巷低抽巷，己_15.17-13031中低抽巷，东翼回风下山为岩石巷道。共预测界面34个，准确预测28个，准确率为82.4%.
　　己₁₅-14010机巷为煤巷，共预测界面21个，准确预测17个，准确率为80.95%.
　　6 结论
　　1)在矿井构造评价调查方面，MSP方法根据煤岩体的弹性变化提供多处异常界面。从实际掘进验证结果来看，异常界面主要为矿井断层构造、破碎带、煤厚突变、褶皱岩性倾角剧变等所致，其中由断层破碎带反应最为明显。
　　2)弹性波法超前探测(MSP)所提供的异常界面在位置描述上仍存在一定的误差，且表现出预报所提供的位置要大于或小于实际揭露的位置，究其原因主要在于弹性波速度选取欠准确，因此在今后的探测过程中应加强对弹性波速度的反演;
　　3)弹性波法(MSP)超前探测有效距离受震源及场地条件限制。MSP主要用于地质构造探测，针对复杂地质条件存在不一致的地方或难判别，需结合瑞利面波等物探方法进行综合判定。
　　参考文献:
　　[1]刘盛东，张平松.地下工程震波探测技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2008.
　　[2]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，2006，3(6)：437-442.
　　[3]张平松.隧道、井巷掘进空间的反射波成像系统研究[博士学位论文][D].上海：同济大学，2008.
　　[4]王勃.矿井地震全空间极化偏移技术成像研究[博士学位论文][D].徐州：中国矿业大学，2012.
　　[5]郭立全.矿井巷道震波超前探测系统研究[硕士学位论文][D].淮南：安徽理工大学，2008.
　　[6]李录明，罗省贤.多波多分量地震勘探原理及数据处理方法[M].成都：成都科技大学出版社，1997.
　　[7]吕志强.TSP在隧道超前预报中的研究与应用[D].成都：成都理工大学，2011.
　　作者简介：
　　符洪，男，安徽理工大学地质工程专业，现为福州华虹智能科技开发有限公司晋西北办事处物探技术员。