0 前言
    随着我国煤炭资源的不断开采，浅部资源开采将尽，开采标高不断下降，此外，煤炭开采也在步入综采机械化时代，深部机械化开采已成为煤矿开采的必然趋势。深部开采面临的工作面地质构造问题愈发复杂，地质构造发育不仅可能会造成煤与瓦斯突出、突水、顶板事故等灾害，还给综采机械化带来严重的技术难题，同时，深部开采也加大了石门揭煤技术难度，石门揭煤工作面是突出矿井中最容易发生突出、突出几率较高、突出强度较大的位置，在石门揭煤过程中，稍有疏忽就可能引发煤与瓦斯突出事故，甚至是恶性事故，特别在新水平、新采区开拓期间的石门揭煤过程中，由于尚没有或缺乏井下实测数据，也没有更准确的开拓后区域预测资料，所以仍然需要根据开拓前区域预测结果来确定石门揭煤工作面需要采取怎样的防突措施，此外，掘进工作面前方空区、空巷分布情况也严重影响着煤矿井下安全高效生产，总之，煤矿井下掘进工作面地质超前预报迫切需要更多新技术新方法为其提供技术依据，矿井地震勘探技术长期以来被广泛应用在煤矿井下地质构造及揭煤、找煤、空区、空巷等探查中，该技术经过长期的发展与完善，具有探探测精度高、抗干扰能力强等多方面优势，特别是地震波单点反射法，因其施工简单、数据处理与分析容易掌握、施工与应用灵活性强，在掘进工作面地质超前预报中得到了广泛的认可与较好的应用效果。
1 设备与技术方法简介
1.1 设备简介
    KDZ3114矿井分布式震波勘探仪”系统是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架构，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(槽波、P波、S波等)勘探、巷道(隧道)超前探测(TSP/MSP)、地震波单点反射超前勘探、反射共偏移探测等多种震波观测方法的数据采集。系统由数据记录仪(采集器A)，震源启动记录仪(采集器B)，传感器等组成，系统主要构成图见图1。数据记录仪与震源启动记录仪间利用高精度时钟同步，在井下同步对时后，所有设备间将以同一时间节拍独立工作。数据记录仪不间断连续采集并存储地震数据，震源启动记录仪记录锤击或雷管起爆时间。在完成所有激发工作后进行数据回收，将所有设备构成总线网络，以震源启动记录仪的震源启动时间为0从数据记录中“裁剪”出各地震道，并形成单炮记录。
该套系统的特点有：
①系统轻便，设备小巧；
②不用布设较长的大线；
③不用布设通讯线；
④数据采集过程中无操作，自动连续记录；
⑤独立分散工作，不会发生一齐丢炮的现象等。     KDZ3114矿井分布式震波勘探仪可配备自主研发的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪软件系统，实现地震波单点反射数据处理、反射共偏移数据处理成像，可配备KDZ3114矿井分布式震波勘探仪(解析软件)，实现槽波、P波、S波成像解析，可配备HTSP巷道震波超前探测解析软件，实现巷道(隧道)超前探测(TSP/MSP)。
1.2 技术方法简介
    本文案例中采用KDZ3114矿井分布式震波勘探仪结合地震波单点反射法应用到掘进工作面超前地质预报中，地震波单点反射法是依据地震波反射法中的最佳偏移距技术发展起来的，以探测介质内部波阻抗差异为前提，是一种多波勘探技术，其采用单个检波器来接收单次锤击(或炮击)产生的折射波、绕射波、直达波、反射波、面波等多种波，分析时仅采用反射波或连同面波等一同进行处理分析得到相应的探测成果，因此称之为地震波单点反射技术。分析时可采用同点单道分析与多道分析，形成单道反射剖面图与多道反射剖面图，也可采用多测点共偏移距联合分析，形成多测点共偏移距联合反射剖面，由于该反射剖面类似于地震映像剖面，所以也可称为地震映像剖面。
    该方法虽然探测深度较浅，但分辨率较高、施工较便捷、数据分析简单，无需进行动校正，从而避免了动校正对浅层反射地震波拉伸、畸变等。在矿井地质中，煤层的密度多分布在1.3～1.5g/cm³ ，波速在0.8～1.5km/s ，在特殊环境下，地震波波速会略有变化，而岩层的密度在2.4～3.0g/cm³ ，波速在2.5～3.5km/s ，所以煤、岩界面反射系数一般比较大，多在0.6以上，是一个强反射界面，有利于震波反射法进行超前探测或煤厚探测。
    煤巷揭构造过程中岩层、煤层之间存在明显的波阻抗差异，地震波在煤层中表现为低频、振幅较低，在岩石中传播，且表现为高频、振幅较大，且在煤岩分界面具有明显的反射异常，从而为单点反射技术在煤巷接构造探测中提供基础条件。地震波单点反射探测要求检波器和震源尽量的靠近，但为了避免面波等干扰，偏移距也不能过小，其源于反射地震波勘探中的自激自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。
地震波单点反射施工示意图如图2，地震波单点反射波路图如图3。
    由反射波时距曲线方程：4h2+x2=v2t2，令x=0，则h=vt/2。公式中时间ｔ可由波形记录上判读，波速须是一已知数，其取值准确与否，直接影响到目的层距离或厚度探测的精度。根据速度与时间从而计算出地质异常体深度。
应用方向：
①掘进迎头前方构造探测，如断层、裂隙带、煤层变薄等；
②石门揭煤、过断层找煤探测；
③巷道侧翼已揭露断层跟踪及隐伏构造探测；
④工作面内隐伏构造、煤层不连续地质体的探测；
⑤下组煤层厚度及深度变化探测；
⑥巷道顶、底板隔水层厚度探测；
⑦顶底板余煤厚度探测；
⑧其他一些用途的探测，如空区、空巷等探测。
2 应用案例
2.1 煤矿-700集中运输巷第三运输上山超前探测应用
2.1.1 概况介绍
    煤矿-700集中运输巷第三运输上山正在掘进过程中，巷道倾角8°左右，根据现有地质资料显示，巷道前方预揭露11#煤层，但预揭煤层位置及厚度有待勘探，需借助地震波单点反射法对前方11#煤层赋存位置及厚度进行勘探。
2.1.2 勘探成果
    从多道地震剖面图及色谱剖面图可看出，共分为三段，0～11ms、60～96ms频率高、振幅(能量)强、11～60ms频率低、振幅(能量)弱。通过对岩石、煤层速度总结与选取，结合h=vt/2，从而计算出距离，得知：102.55m范围内，15.4m附近揭露11#煤层，且穿煤厚度36.75m左右，见表1。
2.1.3 验证成果
    截止到2018年10月8日，经过实际揭露与钻探验证，在7月30日迎头掘进方向前方15～53.8m揭露11#煤层，穿煤距离38.8m，如图6，与物探结果基本一致。
2.2 南山煤矿西一区22-2层北部一分段外延回风反上超前探测应用
2.2.1 概况介绍
    南山煤矿西一区22-2层北部一分段外延回风反上正在掘进过程中，受F2、F3、F5等断层影响，煤层结构极为不稳定，根据现有地质资料显示，巷道前方预揭露层煤22-2，但预揭煤层位置及厚度有待勘探，且前方可能存在地质构造、空巷等发育，故借助地震波单点反射法对前方22-2#煤层赋存位置及厚度、构造与空巷分布情况进行勘探。
2.2.2 勘探成果
    共分为四段，0～13.22ms频率高、振幅(能量)强，13.22～34.14ms、34.14～40.33ms、40.33∽93.30频率低、振幅(能量)弱，其中34.14～40.33ms存在反射相位异常。通过对岩石、煤层速度总结与选取，结合h=vt/2，从而计算出距离，得知：79.89m范围内，19.83m附近揭露22-2层煤，35.52～40.16m煤层中断层、空巷，详细见表2。
2.2.3 验证成果
    截止到2018年10月9日，经过实际揭露与钻探验证，在7月30日迎头掘进方向前方20m处揭露22-2层煤，之后在勘探范围内均为该煤层，且在34～40m范围揭露F2断层及空巷，如图10，与物探结果基本一致。
2.3 新强煤矿二水平一采运输巷超前探测应用
2.3.1 概况介绍
    新强煤矿二水平一采运输巷2018年11月15日掘进至C14点前42m，根据周边巷道揭露及地质资料显示，巷道前方预揭露72煤，且巷道左帮揭煤应提前于巷道右帮，但预揭煤层位置及厚度有待进一步勘探，故借助地震波单点反射法在迎头左侧及右侧各布置一个勘探点，从而完成勘探任务需要。
2.3.2 勘探成果
    一般认为煤层中地震波表现为频率低、振幅(能量)弱，通过1#、2#点的地震剖面成果图，确定频率低、振幅(能量)区域，并通过对岩石、煤层速度总结与选取，结合h=vt/2，从而计算出揭煤距离及揭煤厚度，详细见表3。  
2.3.3 验证成果
    截止到2018年12月6日，经过实际揭露与钻探验证，在二水平一采运输巷11月15日迎头(14号点前42m)前方左前16m、右前20m左右揭露72煤，平均穿煤厚1.50m，揭煤位置及平穿煤厚与物探成果基本一致，详细见图17。
3 结束语
    KDZ3114矿井分布式震波勘探仪采用地震波单点反射法，能够有效勘探掘进工作面前方一定范围内的揭煤位置、揭煤厚度、地质构造发育、空巷赋存等情况，且经过实际验证表明，勘探精度能够满足煤矿生产需要，侧帮煤层赋存位置及厚度，为巷道施工设计、煤矿井下安全生产等相关工作提供技术依据。
作者简介：白永利(1989-)，男，内蒙古通辽人，物探中级工程师，现为福州华虹智能科技股份有限公司技术部主任工程师。