摘要：以恒源煤电公司任楼煤矿隐伏断裂构造体的超前探测为例，阐述了震波探测法、瑞利波探测法在探测矿井隐伏构造异常查证工作中的应用效果。研究探测结果表明，在矿井隐伏构造超前预测的特殊区域，充分利用综合物探技术，可以迅速明确异常性质、确定异常的空间展布范围，使超前探测效率得到明显提高。
    关键词：地震波探测法；瑞利波探测法；综合矿井物探技术；隐伏构造体
    地质构造是影响煤矿生产的重要因素，它不仅是地质变化的控制因素，同时构成区域地质格架，控制区域地质结构及其演化，控制或影响区域成矿作用。它的存在常常造成煤矿突水和井下岩体失稳，影响矿产资源的开发和矿井的安全生产。因此，预先查明掘（开）新区隐伏构造体的发育规律，空间展布范围，利用适合相应的地质条件下的物探方法，采取有效的安全手段，提前预测预防非常重要。目前探查隐伏构造体的主要物探方法技术为地震波法和瑞利波探测法。
1 技术方法和原理
1.1 矿井震波超前探测原理
    矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Prediction)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）时会发生反射和绕射的原理，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的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左（右）帮平行巷底成直线排列，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。这些震源激发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，将产生反射波和绕射波。图1为MSP模型及合成记录示意图，其中（a）为测线前方存在的三层介质速度模型，采用一点接收，多个激发点成排列依次激发。（b）图中共有三个波组，自左向右分别为直达波组、一二层波阻抗界面的反射波组、二三层波阻抗界面反射波组。

图1 MSP（负视速度）勘探原理示意图

1.2 矿井瑞利波超前探测原理
    当在煤岩层介质面施加一个瞬间激振力后，在该面表层就有瑞利波的传播。这种方式产生的瑞利波是由许多简谐波叠加而成的，其施工原理图如图1所示。每一个简谐波都以一定的相速度Vr传播。根据弹性波理论，瑞利波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其穿透深度在一个波长范围内。目前确定探测深度一般都采用半波长解释法，也就是说探测深度H为：

    瑞利波勘探仪采集到的原始数据经过处理后得到频散曲线。通常当探测的岩土层介质较为均一时，瑞利波的波速随探测深度的增大而按线性规律增加，当出现不同介质的界面时，频散曲线会出现一个所谓“之”字形拐折。所以在依据频散曲线进行地质分析时，一般认为“之”字形拐折的中点为层的分界。

图2 瑞利波法探测施工原理图

2 实例分析
    任楼煤矿中五下部区划巷施工到QH7点前54m范围时，根据地面三维地震资料，预计QH7点前70m左右将揭露FQ20∠60°H=10m±断层，为进一步探查该断层在迎头前方的赋存情况及延伸范围，提高该巷道的采掘活动的安全性，本着“有疑必探、先探后掘”的原则。在巷道掘进过程中，先后采用“MSP震波法”、“瑞利波法”两种物探手段对迎头前方进行了综合探查。经过具体探查后，现各物探方法分述如下：
2.1 矿井震波超前探测资料特征
    结合中五下部区划巷迎头现场情况设计，在巷道的左帮距迎头30m位置（即QH7点前21m）布置后置三分量传感器，将24个震源点布置在迎头这段距离内，第一个震源点距离传感器2m。本次探测采用3道接收，左帮激发48次，共获得有效波形144道。经过数据预处理、频谱分析、反演速度分析及深度偏移，得到原始波形及深度偏移剖面成果图三张：

图3 原始波形成果图

图4 左帮第一次（反射界面）

图5 左帮第二次（反射界面）

    通过图3、图4、图5综合分析对比来看：在本次探测中出现了R1一个异常反射界面，图4中出现的R1反射界面距迎头前方18m（即QH7点前69m）；图5中出现的R1反射界面距迎头前方20m（即QH7点前71m）。由本次探测的两张成果图可以看出，图4、图5中的R1异常界面的位置较吻合。结合地面三维地震及周边地质资料预测：R1异常反射界面（即QH7点前69～71m）可能为FQ20∠60°H=10m±断层影响所致。
2.2 矿井瑞利波超前探测资料特征
    本次探测测线均布置在迎头断面上，顺层布置，采用六道接收，间距为0.2～1m，震源点距离第一道检波器距离为1m，测线长度为4m，探测方向为巷道迎头前方。由于受迎头断面空间范围的限定，测线长度不能延长，为了保证数据采集的可靠性，在一个测量位置采集3组数据，每组为5炮，共获得15炮有效数据。通过对三组瑞利波数据处理得到瑞利波分层曲线图一张。从本次瑞利波分层曲线图知，本次探测有效距离为40m（即QH7点前54～94m）。从获得的瑞利波分层曲线图分析：在探测范围内16～18m处（即QH7点前70～72m）有一个正方向波峰跳动，结合地面三维地震及周边地质资料推测：此处异常可能为FQ20∠60°H=10m±断层影响所致；在探测范围内32～34m处（即QH7点前86～88m）有一个正方向波峰跳动，结合地质资料推测此处异常可能为煤岩层分界面及局部裂隙相对发育影响所致；其他突起异常可能由于岩石密度变化或地质分层引起。

图6 瑞利波分层曲线图

    综合上述两种物探探测成果，结合地面三维地震及周边地质资料分析，得出以下结论：
    ㈠ 本次中五下部区划巷综合超前探测，震波、瑞利波探测结果在巷道迎头前方15～18m（即QH7点前69～72m）较对应，该处异常与地面三维地震推测断层位置较吻合，分析可能为FQ20∠60°H=10m±断层影响所致；另外瑞利波探测的QH7点前86～88m处异常，推测为煤、岩层分界面及局部裂隙小构造相对发育影响所致。
    ㈡ 建议在施工过程中加强顶、底板管理工作，防止漏顶、片帮事故的发生。地质人员加强对两处异常段的地质调查，提前对迎头前方15～18m（即QH7点前69～72m）处异常采用钻探验证控制，确保巷道正常施工安全。
    为了进一步验证物探成果的可靠性，控制隐伏构造体的异常性质、空间展布范围，在QH7点前25m施工一组探查钻孔。经钻孔揭露表明，在QH7点前68～71m范围内煤、岩性较为破碎、裂隙发育。现中五下部区划巷已正常安全掘进并已过FQ断层，经巷道掘进及钻孔验证证实在QH7点前69～71m揭露FQH-720∠70°H=2m±断层，QH7点前87～90m处泥岩、粉砂岩互层，局部裂隙发育、顶板破碎，岩层产状变化较大。经巷道揭露验证本次探测准确率达到90%以上，效果较好。
3 结论
    1) 多年的勘探实践证明，单一物探方法很难准确探测出异常体的空间展布位置，要完成勘探任务，必须采取两种或两种以上物探方法，配合地质、钻探综合分析，多参数综合判断，才可以提高更为准确的技术依据。
    2) 综合物探探查提高了资料解释的可靠性，对异常定性更准确，减少不必要甚至盲目的打钻。采用综合物探方法进行多方法、多参数、多方位聚焦综合控制，克服了单项物探多解性的缺点，大大提高了探测准确度。
    3) 超前探出异常体的空间展布位置，为钻探探查提供较小的布孔靶区，减少了钻探工作量，为隐患排除及恢复生产赢来宝贵时间。
参考文献：
    [1]董敏煜.地震勘探[M].北京：石油大学出版社，2000.
    [2]崔若飞，许东.地震资料断层识别系统及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
    [3]储绍良.瑞利波勘探-矿井物探应用[M].北京：煤炭工业出版社，1995.
    [4]张碧星，鲁来玉，鲍光淑.瑞利波勘探中的“之”字形频散曲线研究[J].地球物理学报，2002，45（2）：263-274.
    [5]杨天奇，易伟建，吴奇.瑞利波“之”字形频散的正演及实践对比[J].煤田地质与勘探，2005，33（3）：71-73.
    [6]张聪玲，崔若飞．煤田物探——地震属性技术在奥灰裂隙发育带预测中的应用初探［J］．西安：煤田地质与勘探，2004,32(5):51-53.
    作者简介：胡应旭（1978-），男，安徽淮南人，长期从事矿井物探技术应用研究工作。

摘自《城市建设理论研究》2013年18期