1 概述
    在煤矿生产过程中，特别是新型矿井综合机械化采煤手段的不断应用。对矿井工作面地质构造异常的准确定位、发育程度以及影响范围的认知必须得到相应的提高。同时伴随着开采水平的延伸和开采深度的不断加大，地质条件变得越来越复杂，诸如突水瓦斯突出的风险越来越高。采煤工作面地质异常，尤其是一些小构造，往往与矿井瓦斯和导水通道相关联，煤系地层构造复杂的地方常常也是瓦斯和水易于突出的地方。因此，预先查明工作面地质构造及其变化范围，对保证煤层开采特别是综合机械化采煤的顺利进行会起到很好的帮助作用。
2、煤层构造探查方法
    在矿井工作面开采前，精细查明工作面内的地质异常，为矿井工作面持续安全开采提供地质保障是井下探测阶段的主要工作。本阶段的主要工作是查明采区工作面范围内的小构造，包括落差小于5m的断层、褶皱、破碎带、夹矸、煤厚变化区、岩浆岩侵入区、陷落柱以及构造应力区等构造。目前关于矿井工作面地质异常的物探探查方法大致分为三大类：矿井地震类、矿井电法类和矿井电磁法类。矿井工作面地震法主要有：地震槽波法、地震透视法、折射波地震法、巷道地震反射法、瑞利波法、震波CT技术等。矿井工作面电法类主要有：电测深法、电剖面法、高密度电阻率法、工作面层透视法、音频电透视法、双巷三维并行电法。矿井工作面电磁法类主要有：无线电波坑道透视法、矿井地质雷达法、瞬变电磁法等。
其中探查工作面内地质构造最主要的手段是地震法。对于矿井工作面地质异常的精细探查主要利用到的地震方法有以下几种：
    1)三维地震勘探。三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间，由深度方向Z和构成面积的X、Y构成三维空间，通过面积测量技术获得与地质体相适应的三维数据体。大量研究发现利用现有的三维地震数据能够查明煤层中落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，探明直径15m左右的地质异常体(陷落柱、采空区等)。
    2)槽波地震勘探。槽波地震勘探方法起源于德国，它是煤矿探测特有的，在煤层内进行地震探测的一种勘探方法。简单来讲，槽波就是沿着煤层传播的地震波，遇有破坏地质异常体，如断层、陷落柱等就会受到阻挡反射回来，通过收集和处理这种信息，结合相关地质资料，做出相应的地质判断，通常能查明工作面内落差大于1/2煤厚的断层。
    3)巷道地震反射勘探。巷道地震勘探是在巷道走向方向布设的多次覆盖观测系统，通常是在煤层的顶板或底板巷道进行探测。测线可以布设于巷道顶底板或两帮。大量工程实例证明，巷道地震反射法能够解释出深度100m内落差在3m左右的小断层。
    4)工作面震波CT探测。地震波速度和岩体特性一般都具有良好的对应关系，致密完整的岩体地震波速度较高，疏松破碎的岩体地震波速度较低。工作面震波CT技术正是根据介质根据介质诸如速度等的测量数据，依据一定的物理和数学关系来反演工作面内部物理量的分布，重建内部结构，最后得到清晰的，不重复的分布图像，通过图像来评价该工作面的地质情况。
    5)关于地质异常的地震勘探方法技术远远不止上述几种，除上述外，用于井下的还有瑞利波探测技术，震波超前探测技术等。
3、矿井分布式震波勘探系统
    KDZ3114矿井分布式震波勘探系统，是华虹公司结合多年的矿井地震勘探经验发展起来的新一代高效便携的专业型全方位矿井地震勘探系统。系统采用先进的分布式构架，利用自动化采集及高精度同步技术，可在井下灵活组合施工，实现工作面震波CT勘探、巷道超前地震勘探、矿井地震勘探等多种震波观测方法的数据采集，为煤矿工作面巷道合理布置、巷道安全掘进、工作面安全高效回采提供有效的技术指导。
仪器系统组成：
    主机采用ARM11高性能处理器平台，配备6.4V/8Ah专用锂电池组，可连续工作10小时以上。主机控制整个仪器操作、数据采集、管理和实时显示工作。     KDZ3114应用范围很广，可应用于以下方面：1)震波CT探测：回采工作面内构造探测包括大小断层、陷落柱、采空区、煤层厚度变化、火成岩侵入、古河床冲刷等；2)巷道超前探：巷道掘进前方地质构造超前预测预报；3)巷道地震探测：巷道形成前后，利用震波反射等技术，查明周围地质构造，是地面三维地震在井下最直接有效补充。4)震动信号采集：也可使用于矿井多波地震、井下三维地震、矿震微震、冲击地压、采动监测等所有以观测震动为手段的频率低于20kHZ的震动信号采集。
    仪器主要特点有：1)适用面广：系统能为巷道的合理布置、安全掘进、高效工作面的形成以及安全回采等生产过程提供有效的预测预报的全程应用，是国内首款矿井随产适用勘探系统。2)组合灵活：根据不同观测方法，分布式无缆存储等特点实现了系统的灵活组合，系统可大可小，施工便捷，解决了常规地震仪器体积庞大、不便携、布线繁杂等问题。3)高效扩道：采集分站自主采集，无需人工干预，系统扩充采集道只需增加采集分站，大大提升了系统的自由扩道。4)性能稳定：仪器采用真正的24位A/D，单道采集最快速度为16us，各道并行采集。5)强抗干扰：带外压制的先进低通滤波器、数字带通滤波器及小波智能滤波，完全去除假频及干扰。6)安全防爆：系统通过国家矿用产品MA安全标志审查，并已取得该矿用产品MA安全标志，可在瓦斯、煤尘爆炸性混合物等环境中安全使用。
4、矿井分布式震波勘探系统的应用
4.1、反射勘探
1)地质概况
    靖远煤电股份有限公司某矿707综放工作面位于井田东翼，东以煤层可采边界为界，西以1090平巷保安煤柱为界，下以F46断层为界，707回风顺槽沿F46断层掘进，上部为正在开采的705综放工作面。707回风顺槽布置在煤层中，所属煤层为侏罗系中统窑街组。一层煤赋存比较稳定，为单斜结构煤层。
    707工作面回风顺槽在掘进过程中遇到F46断层，但是由于F46断层与地面三维地震勘探结果相差较大。为提高生产效率，决定采用多波联合地震勘探技术法对F46断层进行探测。
2)现场施工
    本次探测采用多波联合反射勘探法，震源和检波器布置在同一条巷道内，接收来自工作面内的综合波反射信号。根据P波、S波的强弱以及勒夫波、瑞利波的有无或强弱来判断震源与接收排列间射线覆盖的区域内煤层的连续性以及构造发育情况。 3)结果解释
    图4-2为707工作面反射勘探成果图，从图中可以看出煤与岩的振幅能量特征反应明显。震幅能量反演成像结合地质资料分析，F46断层存在，具体位置如图反射异常一，落差向切眼方向变小,与707工作面回风顺槽呈渐远趋势延展；707工作面内部Fa断层存在，具体位置如图反射异常二，向切眼方向延展，对回采有一定影响；
    此次探测与矿方打钻揭露的断层位置分布比较一致。矿方根据断层延展方向，采取了相应的措施，沿探测的F46断层边界掘进巷道，大幅度提高了工作面采出率。 4.2 透射勘探
1)地质概况
    靖远煤电股份有限公司某矿4703煤二工作面位于1510水平—1560水平之间，矿井西南部，一、二层煤层间距17.5—29m，工作面东南部为大倾角区域，西北部煤层为近水平，F55断层延伸方向与工作面斜交，落差较大，煤层赋存沿倾斜方向为向斜形态，地质构造相对复杂。
    工作面走向长度710m，面积128368㎡，煤层平均厚度2.8m，为单一煤层，倾向0°~45°，容重1.4，普氏硬度(f)＝1.8—2.2，层理发育中等，中间夹暗煤条带，在断层裂隙发育地段，煤层风化，粉沫状。
2)现场施工
    根据现场条件及矿方要求，探查靖远煤电股份有限公司某矿4703煤二工作面切眼向后360m范围内的断层走向、影响范围以及断层之间的关联性。
    本次探测采用多波联合透射勘探法，震源和检波器布置在不同巷道内，在一条巷道激发，在另一条巷道接收透过工作面的综合波。根据地震波信号的初至时间数据变化，通过介质速度以及信号衰减特征的分布，并结合介质的物理性质来推断地质异常体的位置、形态以及分布状况。 3)结果解释
    图4-4为多波联合投射勘探成果图，从图中可以看出速度变化特征明显。速度成像结果结合地质资料分析，具体结果如下。
    4703煤二工作面西南区域呈现异常，如图所示。即切眼后退0m—140m，距离工作面回风探巷70m—120m之间的异常界面。主要是由于F54断层引起，其中R1区域为F54断层的影响范围及走向；
    4703煤二工作面东北区域呈现异常，如图所示。即切眼后退200m—360m，距离工作面回风探巷50m—80m之间的异常界面。主要是由于F55断层引起，其中R2区域为F55断层的影响范围及大概走向。由于在施工过程中4703煤二工作面回风探巷机电设备的影响，导致压制工作面异常区域，数据质量下降，造成异常值较小；
    4703煤二工作面左下角、右下角呈现黄色的区域，代表有一定的异常，异常值不大，是由于煤层厚度变化引起。此次探测异常与揭露的断层构造分布比较一致。 4.3 MSP法探测
1)地质概况
    靖远煤电股份有限公司某矿707工作面运输巷道掘进到26#点后170m处，距离井田边界比较近。为探明707工作面运输巷道掘进头前方120m范围内的地质构造情况，采用MSP法进行迎头超前探测。 2)数据处理及结果解释
    矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Predi -ction)，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放炮产生的，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微地震信号，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。
    将现场采集到的物探数据经过处理方能转化为可利用的物性图件，通过自行研发的专业软件平台进行数据处理，得到本次探测结果。如图4-6所示。707工作面运输巷MSP法超前探测：偏移成像结合地质资料分析，迎头前方两组反射异常界面，第一组异常界面距迎头40m，分析为煤层厚度、结构、倾角发生变化导致；第二组异常界面距迎头78m，分析为构造导致。
    此次探测第一组异常与矿方掘进揭露的煤层变薄、变软分布比较一致，第二组异常未验证。 5、结论
    矿井分布式震波勘探系统在应用于井下工作面地质构造精细勘查方面具有灵活多变，适应性强，探测精度高的优点。自面世以来，为工作面巷道合理布置，巷道安全掘进，工作面安全高效回采提供了有效的技术指导。
作为一款地震类探测系统，分布式震波勘探系统由于其系统组合自由，可手动灵活布置合理的观测系统，应用多种观测系统可实现多波信号的采集与处理，实际应用效果要比传统的多道地震仪更加便捷、可靠、高效。