摘 要：煤与瓦斯突出矿井在施工煤巷前需要先施工突出煤层顶板抽排巷，利用抽排巷施工钻孔对突出煤层的瓦斯进行提前预抽。在施工煤层顶板抽排巷时，由于受断层或煤层起伏的影响，造成巷道与突出煤层的距离忽然变小或者对接，导致煤与瓦斯突出。主要论述了利用矿井震波超前探测对近突出煤层岩巷掘进前方的地质构造或煤层起伏变化进行探测的情况，为掘进施工安全提供有效的技术参数。
关键词：矿井震波超前探测；煤与瓦斯突出；岩巷掘进
    淮北矿业集团青东煤矿为煤与瓦斯突出矿井且地质条件极其复杂，主采的7煤层赋存不稳定，三维地震勘探提供的地质资料(构造信息、煤层赋存状态)与巷道实际揭露的情况有一定的误差，7煤层顶板抽排巷在施工时经常揭露未知断层，使巷道和煤层位置法距减小，巷道内瓦斯涌出量明显增大，容易造成煤与瓦斯突出。为防止出现此类事件，矿井在巷道掘进时利用井下震波超前探测(MSP，Mine Seismic Prediction)技术，基本查清了掘进前方的地质构造或煤层起伏变化情况，为巷道安全施工提供了保障[1]。
1 工程概况
    青东煤矿82采区2#瓦斯抽排巷道设计在7煤层顶板施工，距7煤层顶板法距20m左右，施工区段岩层总体为一向北倾斜的单斜构造，煤岩层产状为0°～25°∠8°～22°。巷道掘进方向上平均倾角为3°左右，总体为顺层施工。但该区段地质构造发育，煤层赋存不稳定，施工中煤岩层产状可能会出现变化。为了防止出现巷道与突出煤层的法距忽然变小或者对接，在施工抽排巷时，采用矿井震波超前探测，以查清巷道前方构造发育和煤岩层变化情况，为巷道施工安全提供有效的技术参数。
2 MSP原理

(a) 巷道MSP观测系统模型

(b) MSP波形系统模型
图1 MSP勘探原理示意

    矿井震波超前探测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产生的，爆破点一般沿巷道左(右)帮平行巷道底呈直线排列，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、断层面、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勘探原理如图1所示，图1(a)为测线前方存在的3层介质速度模型，采用一点接收，多个激发点成列依次激发。图1(b)中共有3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^[2]。
    MSP系统主要由记录单元、接收单元和激发单元3部分组成(图2)。硬件技术参数：①记录单元。通道：12道；A/D：18位；采样间隔：62.5，125μs；采样长度：最大记录长度14468样点；动态范围：100dB；平台：windows。②接收单元。分量：三分量；灵敏度：(1±5％)V/(cm•s)；频率范围：0.5～5000Hz；横向灵敏度：>l％。③激发单元。输入电压：240～2400V；输出电压：0.5～5.0V。
3 矿井震波超前探测的应用
    青东煤矿西二采区2#瓦斯抽排巷已进入构造复杂区，为了进一步查明巷道掘进前方断层构造及裂隙发育情况，在2#瓦斯抽排巷掘进面(19号钻场前53m位置)进行了震波超前探测。
3.1 现场布置
    测线布置在巷道左帮，其中炮孔22个，接收传感器点2个即C₁、C₂。传感器及炮孔顺序、位置如图3所示，其中C₂传感器距离P₂₂号炮点2.9m，C₂点距C₁点3.6m。 3.2 数据处理与解释
    现场采集的震波探测数据在MS2.0软件平台上进行处理，其流程为：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。
    利用FFT工具对采集的地震波形进行频率域分析，其目的在于掌握巷道在炸药震源条件下的地震波主频分布范围，为后续的数据处理作准备。地震波形的频谱分析如图4所示，从图中可以看出，震波主频范围为100～500Hz，其中X、Z分量高频部分较丰富，有利于目标体的分辨。
    此次采集地震波形和直达波速度求取结果如图5。采用各记录源检距和初至到时可拟合成直达波初至直线，从图中可得出直达纵波速度为3.3m/ ms，直达横波速度为1.8m/ms，在此得到的直达波速度可作为深度偏移处理时的速度背景值。     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，提取巷道前方反射界面。MSP方法得到的深度偏移处理结果如图6所示，从中可以看出，自掘进面向巷道前方150m范围内有较为明显的反射相位，其中R1、R2、R3为较强的反射界面。R1反射界面距当日掘进面前方36～46m段；R2界面距当日掘进面前方87～97m段；R3界面距当日掘进面前方130～140m段。
    综合上述地震波偏移结果及现有地质资料，推断解释如下：①推断在当日掘进面前方36～46m段存在R1反射界面，可能为断层异常构造位置；②推断在当日掘进面前方87～97m段存在R2反射界面，可能存在岩性相变、岩层较为破碎；③推断在当日前方130～140m段存在R3反射界面，可能为断层异常构造位置。
4 效果分析
    利用钻机在2#抽排巷20号钻场对震波超前探测的R1、R2强反射界面两侧的煤层进行探查，经钻探验证在R1、R2强反射界面两侧煤层距抽排巷的距离发生了明显变化。另外，82采区726工作面煤巷在施工时中至R1、R2强反射界面位置附近时分别揭露了82F8和82F11断层。从井下钻探验证和巷道实际揭露情况可知，矿井震波超前探测基本上查清了巷道施工前方的构造发育及煤层起伏变化情况，为近突出煤层岩巷安全、快速掘进提供了技术保障。 5 结语
    采用矿井震波超前探测，查明了726工作面顶板抽排巷构造复杂区域的构造发育与煤层赋存情况，为巷道设计、施工提供了技术依据，减少了报废巷道和井下探查钻孔的工程量；同时解决了近煤层岩巷施工期间误揭煤层而造成煤与瓦斯突出的问题，增加了安全系数。矿井震波超前探测技术的应用，取得了较大的经济和安全效益。
参考文献：
    [1] 刘盛东，张平松.矿井构造与瓦斯的震波超前探技术应用分析[J].煤炭科学技术，2205,33（1）：39-41.
    [2] 马万金.复杂地质条件下的岩巷掘进瓦斯综合治理探讨[J].科技资讯，2001（29）：100-101.