摘 要：矿井分布式地震超前探测系统是为探测掘进巷道迎头地质构造研制的一套设备和探测方法，系统基于震波速度和震波反射理论，通过检波器分布式接收或震源分布式激发确定地质异常的走向。为了进一步提高煤矿采掘过程中构造的预测预报精准度，采用分布式观测系统和孔中胶囊检波器进行数据采集提高设备的灵敏度，采用负视速度原理减弱侧帮和后方地质异常的干扰，利用绕射共偏移算法优化数据反演成果；经过大量试验和实践归纳得出，该系统采用人工锤击震源可有效探测前方70m范围内的地质异常信息，采用人工炸药震源激发可有效探测前方150～200m范围内的地质异常信息。研究结果表明，矿井分布式地震超前探测系统从硬件到软件形成在采掘过程中对地质构造探测精度更准，效率更高。
0 引言
       近年来，电子科技、重型装备、控制系统在国内都有重大突破，为我国煤炭开采走向数字化、智能化、无人化方向起了大力推动作用，但是要想真正实现智能化开采，首先要解决如何实现地质构造透明化问题。地质构造透明化就是对采掘工作面影响生产的地质构造提前查清、查明，规划好采掘前的预防措施，而查清、查明地质构造的主要方法就是矿井物探方法。矿井物探技术通过近几十年的发展，逐步形成了电磁法、电法、震法、放射源法等常用的几种方法，实践应用证明地震法为探测地质构造的最佳方法。
       矿井地质构造探测主要分为掘进工作面探测和回采工作面探测，主要探测手段有地震槽波透、反射技术、无线电波透视技术和震波反射探测技术。众多专家学者应用槽波透射、反射或者透反射联合探测方法对回采工作面内存在的地质构造进行研究，进一步推动矿井对小型构造的预测预报技术；周建国、左汪会描述了无线电波透视技术对回采工作面内小构造的探测优缺点和优化方法，进一步推进探测陷落柱的思路；也有不少学者在巷道超前探测方面进行了小构造探测研究，赵顺盈应用地震波在巷道掘进过程中超前探测到1.5m断距的断层，但没有明确整体应用的准确率的情况；刘盛东邱爱红利用地震法探测矿井构造有效地进行瓦斯涌出危险分析，为超前探测应用前景做了示范性研究；胡运兵系统描述震波超前探系统，并对比了锤击震源和炸药震源不同特征进行了对比，选择炸药震源作为研究对象进行了案例分析；刘盛东采用巷道多次覆盖的观测系统采集地震数据，利用波场矢量合成与分解、横向偏移叠加等处理技术有效的对掘进巷道前方150m范围内断层等地质异常进行超前探测研究。
        通过查阅资料和市场调研发现，目前还没有一种稳定的方法能够在煤矿巷道超前探测方面推广应用，究其原因主要有二：一是探测准确率偏低，二是现场实用性较低。笔者结合隧道TSP探测技术、矿用单点地震法和煤矿现场实际，基于震波速度和震波反射理论，通过改进耦合效果更好的胶囊式检波器，采用多点分布式接收方法提高煤矿采掘过程中构造的预测预报精准度。
1 分布式地震超前探测原理
       分布式地震超前探测(Distributed seismic advance detection简称为DSAD)技术，基于反射地震勘探原理，将多个检波器或震源点呈线性排列，有规则的接收或激发地震信号，利用地震反射波在煤系地层中传播的特征来辨别掘进巷道前方断层、软弱夹层等不良地质体。分布式主要指超前探测设备和观测系统具有灵活多变特征，不拘于巷道的特定位置，设备具有延展性，观测系统具备现场调整性。当煤系地层中存在地质异常体时，介质间的弹性差异是不同的，为反射波的产生和传播提供了物理前提，而分布式地震超前探测系统具有更好采集和区分异常信息。
1.1 负视速度特征
       由于地震波的全空间效应、煤系地层的不均一性和施工空间的限制性，导致矿井煤系地层空间弹性波场具有一定的复杂性，因此，巷道工程中弹性波场表现出全空间、多波叠加的复杂特征。为了分辨地质异常位于巷道前方、后方、还是侧帮，分析发现普通的单点地震对前方、后方、顶底板方向异常没有明显区分，而分布式地震超前探测系统对前方异常呈现负速度，后方呈现正速度，侧帮呈现曲线型态；由此得出分布式地震更适合巷道超前探测。如图1a所示，R1为巷道已掘巷道后方的断层，R2为巷道侧帮断层，R3为巷道前方断层，红色圆圈点为激发点，蓝色长条为检波器。接受到的数据型号如图1b所示，后方的断层R1的波形和直达波图形倾向基本一致，侧帮R2的波形呈一定曲线，R3的波形倾向与直达波方向相反。

1.2 分布式地震观测系统
       观测系统是指设备采集信号接收点与发射点之间的几何关系，不同的排列组合会产生不同的接受效果。分布式地震观测系统按检波器布置位置分为前置观测系统、后置观测系统和不规则观测系统三类。选用哪种观测系统和现场条件有密不可分的关系，因此，设计观测系统需要先了解现场情况后确定。
(1)前置观测系统
       前置观测系统是将检波器按放在距离巷道迎头较近的侧帮位置，第1道检波器一般距离迎头1～2m。在煤帮中线呈直线布置检波器和震源点，震源点布置在检波器后方，如图2a所示，G1、G2为检波器，S1、S2…S10为震源点，G0为G1关于断层R1的对称点，由图可知S1、S2…S10距G1的距离由大变小，S1、S2…S10经断层反射后到达G1的距离等于到达G0的距离，也是由大变小。采集到的波形记录图为图2b所示，当地质条件复杂，或受顶底板岩层界面反射影响容易造成误判，因此检波器前置需要做出适当调整。

(2)后置观测系统
       后置观测系统是将检波器按放在距离巷道迎头较远端，震源点位置从迎头附近开始记录，第1炮(锤)一般距离迎头1～2m。在煤帮中线呈直线布置检波器和震源点，检波器布置在震源点后方，如图3a所示，G1、G2为检波器，S1、S2…S10为震源点，G0为G1关于断层R1的对称点，由图可知S1、S2…S10距G1的距离由大变小，S1、S2…S10经断层反射后到达G1的距离等于到达G0的距离，由小变大。采集到的波形记录图为图3b所示。同理，可采用多个检波器和少量震源，只需将检波器和震源位置调换。

(3)不规则观测系统
       不规则观测系统有前置和后置观测系统组合的观测系统，也有后置观测系统和单点地震组合的观测系统，还有两帮同时后置或是前置的观测系统，类型较多，根据现场和探测目的组合，对比探测形成一套适合初试探测的方案。不规则观测系统主要是一个工程前期做实验时进行对比的布置方式，主要为了减少实验次数，一次采集多种观测系统的数据，后期经过反演总结出最佳的探采观测系统。
2 矿用分布式地震超前探测设备研制
       DSAD设备主要是为煤矿巷道超前探测地质构造设计和应用，因此，系统需要考虑其轻便、简易、防尘、防水、防爆、防摔等特性。另外，为了采集到好的数据，并适应现场灵活多变性，设计并采用了胶囊式检波器、插针式数据线、双操控系统和双激发系统。
2.1 硬件系统
       采集仪器主要包括主机、采集站、检波器、数据传输线、震源激发器5部分，构成示意如图4所示。

       主机：Windows操作系统，设备外观简洁，为了防止现场出现操作系统失灵现象，设计成具有触摸屏和键盘双控制操作平台，留设有USB、充电和连接采集站的专用接口，内存4G，硬盘128G，CPU采用英特尔凌动1.83GHZ，电池为4Ah锂电池，整机重量小于4.5kg；
       采集站：每个采集站2个信道，AD转换器采用24位，Δ-Σ技术，输入电压范围：±2.8V，输入阻抗：20kΩ，采样率：125Hz，250Hz，500Hz，1kHz，2kHz，4kHz，8kHz，16kHz，32kHz，48kHz可调，瞬时动态范围：≥120dB，共模抑制比：≥100dB，全谐波畸变：<0.0008%。
       检波器：为了确保采集高质量信号，采用互为垂直的双分量水平胶囊式检波器，直径为55mm，施工时在煤壁打孔57mm孔径的检波孔，孔深2m，穿过煤壁的松动圈，将检波器塞进去，通过充气后，使检波器与煤壁耦合充分。
       数据传输线：双芯电缆，外皮具有极高的绝缘性和弹性。为了适应不同观测系统，采用插针式连接，便于不同距离的连接和增减。
       震源激发器：为了多用途探测，设计有短路触发和感应触发。短路触发：主要用于锤击系统，在铜锤的一端装有较高灵敏度的短路出发器，在锤击瞬间触发主机采集数据；感应触发：主要用于炸药震源，当电流通过触发器时激发主机采集数据。
2.2 软件系统
       软件系统主要包括采集软件和反演软件，采集软件主要安装在主机中，用于控制采集系统，具备控制、浏览、存储、检测功能；反演软件主要安装在电脑中，用于后期数据处理、校正、分析、成图。整体框架如图5所示。

       采集软件中的控制功能具有识别采集站功能，通过在控制菜单中输入采集站的识别码，采集系统中将显示各采集站运行情况，同时控制激发和接收数据采集；检测功能是用来检测分布式系统的电量、噪音、连接状态等信息；浏览功能主要用于现场已采集数据的查看和检查；存储功能主要是保存数据，具备一次采集多盘自动保存。反演软件中数据处理主要是将原始数据进行简单编辑、筛选、坐标构建；数据校正主要是对延迟时间、道间、道内差别的校正；数据分析是系统核心，为了区分不同方向、不同特征的异常，主要应用地震波反演的波场分离、能量均衡、速度分析等算法，采用负视速度理论结合观测系统得扫描出前方的地质异常区域；数据成图主要通过绕射共偏移反演算法显示出异常的位置，调用了强大surfer成图软件，将分析的异常区域用图形显示出来。
3 实测案例与分析
3.1 空巷探测
       2019年4月晋煤集团海天煤业进入3煤老窑采空区附近，由于矿井整体涌水量较小，采用瞬变电磁探测效果不明显，为防治无计划揭露采空区，提前采用DSAD系统探测前方情况。
       观测系统采用检波器后置左侧帮布置(如图6a所示)，由于矿井不适合使用炸药震源，故选取锤击震源短距离探测，保证每周70m的进尺，原始震波信号如图6b所示，经滤波、负视速度提取，如图6b所示。在4月9日的一次探测结果中发现迎头前方有明显波动异常，如图6c所示，在距探测迎头约40m附近有明显的反射信号，推测为空巷及周边破碎区域的反映特征。
       后经钻探，在迎头前38m处卡钻，但未发现涌水现象。后经掘进揭露，距探测位置40m附近揭露老窑空巷，煤层塌陷，破碎严重。


3.2 断层探测
       寺河矿属于高瓦斯矿井，为防止突出，需要提前预测预报小型构造。针对该矿多条巷道开展试验效果良好，其中部分试验采用炸药震源，有效探测达到150m，具体如下：
       观测系统采用检波器和激发点均布置在巷道右帮，采用炮击震源。为了减少现场施工时间，设计炸药激发点2个，间距20m，第1激发点S1距G8检波器20m；检波器8个，为G1-G8，道间距1.5m。传感器及炮点空间布置见图8a所示，数据处理过程中坐标以迎头巷道中心为原点，巷道掘井方向为X轴正方向，垂直X轴的巷道左侧帮为Y轴正方向，默认煤层为一水平面。原始数据如图8b所示，有效波信号到达360ms。


       通过对炮检距和初至到时拟合出直达波初至直线，确定直达横波速度为2m/ms，作为后期分析的背景值，反演结果如图8b所示，在距探测迎头约30m附近有明显的强反射信号，推测为小型断层的反映特征。后经掘进揭露，距探测位置32m处揭露断距为3m的断层，不含水，周边煤层破碎。
3.3 实测小结
       通过大量实测实验和验证总结发现：DSAD系统对巷道超前探测就有较好的应用效果，但不同的探测目标和现场情况，需要设计合理的观测系统，并选取合适的激发震源。锤击震源施工便利，适合断距离探测，结合施工效率考虑，采用少量检波器后置观测系统，综合效果最好，每次有效探测70m；炸药震源能量充足，探测距离远，一次探测可有效预测150～200m，结合现场情况分析，采用多检波器前置观测系统，少量炸药(一般为50-200g，激发2-4次)最经济合理。反演成果的异常信号需要结合地质资料分析才能定性，一般情况，只能做到预测位置，不能明确性质。炸药震源近距离异常信号较多，与炸药能量本身近距离高频信号较强有关。
       DSAD系统是基于震波理论研制的，在软煤、破碎区域、复采巷道中无法产生良好的震波，导致无法采集到较好的数据，因此，在该类情况下无法开展采用该系统；另外由于观测系统是将检波器和震源布置在巷道侧帮施工，因此巷道开口无法使用该系统。
4 结论
       (1)为了提高煤矿采掘过程中构造的预测预报精准度，对检波器前置、后置及其它分布方式进行了对比分析总结得出：不同地点、不同探测目的、不同探测距离，需设计不同的地震分布式观测系统方可得到理想的结果。
       (2)为了采集到好的数据，并能够适应现场的灵活多变性，选用了胶囊式检波器、插针式数据线、双操控系统和双激发系统；反演软件采用提取负视速度来减弱侧帮和后方地质异常的干扰，凸显前方异常，并用绕射共偏移算法优化数据反演成果。
       (3)经过大量试验和实践归纳得出，DSAD系统采用人工锤击震源适合近距离探测，可有效探测前方70m区域，炸药震源激发适合远距离探测，可有效探测到前方150～200m；锤击震源能量较弱，远端信号较弱，但近距离信号稳定；炮击震源能量较强，探测距离较远，但近距离高频信号较强，干扰较多。