摘 要：陷落柱是煤矿开采过程当中一种常见的地质灾害异常体，它的存在使煤层的连续性遭到破坏，围岩稳定性受到影响，严重影响机械化采煤的速度，而且陷落柱可能会形成较好的导水通道或者瓦斯储集场所。井下陷落柱及其影响范围的探测对煤矿安全生产有着十分重要的意义，本文就矿井地质探测仪在井下陷落柱探测中的实际应用为例，进一步总结了矿井地质探测仪在井下陷落柱探测中的规律。
关键词：矿井地质探测仪；地球物理方法；超前探；陷落柱
前言
河南某矿在某工作面中巷底抽巷掘进过程中，揭露不明地质异常体(实地勘察确定为陷落柱)，为巷道掘进施工与设计、煤矿井下安全生产提供技术依据。根据《煤矿安全规程》及生产需要，矿方决定进行井下地球物理勘探工作。KDZ1114-8C30矿井地质探测仪是福州华虹自研的一款全新的全实时矿井地震勘探系统，实现8通道检波器信号的全并行采集和增益控制，选用相应的配置可满足多种矿井地震勘探的应用要求：常规反射探测(单点反射、反射共偏移)、矿井面波(瑞利波)探测、MSP巷道长距离反射超前探测，本次对井下陷落柱及其影响范围进行了圈定，取得了较为理想的成果。
1 矿井地震勘探方法及原理
矿井震波是井下地震波勘探和声波检测中的纵波、横波、面波、槽波的统称，这些波都是弹性波。矿井地震勘探就是利用人工在煤岩层介质中激发地震波，地震波在介质中传播过程中遇到陷落柱、岩浆岩、断层、岩性差异分界面、空区空巷等波阻抗差异界面，地震波波形会发生振幅、相位等特有的变化规律，从而确定地质异常体及矿产资源赋存情况。
1.1 地震波单点反射探测法
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。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。地震波单点反射施工示意图如图1-1，地震波单点反射波路图如图1-2。 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 陷落柱及其影响范围地球物理特征
陷落柱通常由不同地层的岩煤的碎块填充，无层序，不均一堆积，在水平方向上与正常的地质体的物性差异明显。在陷落柱发育的体质体中，与周边完整围岩相比陷落柱有结构复杂、密度小的特点，在反射地震波的表现上，陷落柱相比完整的围岩表现为频率低、振幅(能量)弱。且在陷落柱影响范围边界位置，由于速度与密度差异，形成波阻抗差异界面，地震波形成强反射界面。本次勘探工区所在的工作面中巷底抽巷区域。其探测施工位置迎头为陷落柱，陷落柱边界位置前后介质物性(密度、速度)差异较大，波阻抗差异较明显，其介质变化界面就呈现为良好的地震波反射面，有利于反射异常波发育。
综合而言，工作面中巷底抽巷地震地质条件基本具备震波单点反射探测的要求，但由于存在施工现场等诸多影响有效地震波发育和传播的地质因素，增加了波场的复杂度，因此也一定程度上降低了分辨率。
3 施工布置及技术保障
3.1 观测系统布置
结合勘探任务并充分研究了工作面中巷底抽巷相关地质资料及现场环境，本次地震勘探采用震波单点反射探测观测系统。 本次工作面中巷底抽巷地震波单点反射探测在工作面中巷底抽巷陷落柱揭露区域迎头处施工，施工地点共6个物理点，标号1～6，其中1#物理点位于迎头后退0.5m左帮，方向垂直左帮，2#物理点位于迎头掌子面与左帮交接位置，方向为掘进方向左45°，3#物理点位于迎头掌子面，且距离左帮1m，方向垂直迎头掌子面，4#物理点位于迎头掌子面，且距离右帮1m，方向垂直迎头掌子面，5#物理点位于迎头掌子面与左帮交接位置，方向为掘进方向右45°，6#物理点位于迎头后退0.5m右帮，方向垂直右帮，每处施工地点布置4个检波点，道间距0.5m，炮检距0.5m，每处锤击15次，共采集360道地震信号。
锤击点与接收点参数见表3-1、现场施工布置示意图如图3-1。
3.2 仪器设备
3.2.1 硬件系统
本次工作面中巷底抽巷震波单点反射探测设备为福州华虹制造的KDZ1114-8C30矿井地质探测仪，该仪器是一款全新的全实时矿井地震勘探系统，采用先进的集中式数据采集架构，内置全差分8通道ADC集成仪表运放及MGC控制系统。实现8通道检波器信号的全并行采集和增益控制，选用相应的配置可满足多种矿井地震勘探的应用要求：常规反射探测(单点反射、反射共偏移)、矿井面波(瑞利波)探测、MSP巷道长距离反射超前探测，是一款轻便的全并行综合矿井地质探测仪器。系统由地质探测仪主机、信号采集线、传感器等组成，可配备手持终端。
该套仪器的主要功能特点有：
1)灵活配置：通过不同的配置组合，集成实现常规浅层反射波法(地震波单点发射、反射共偏移法)、瑞利波(面波)法、MSP法(巷道长距超前探)的多种浅层地震勘探，针对实现的三种地震勘探方法，用户可选用其中1至3种功能及配置，最高可形成7种配置形式，满足长距与短距探测需求；
2)集中采集：集中式8道数据同步采集方式，自动增益，各道一致性高；
3)功能扩展与现场处理：可适配KJD3.7矿用本安型手持终端，应用蓝牙连接或无线连接，仅通过操作手持终端无需操作主机，从而达到数据采集，并且可通过手持终端APP实现现场数据预处理； 本次工作面中巷底抽巷震波单点反射探测设备清单表如表3-2。
3.3 技术措施与数据质量评述
本次工作面中巷底抽巷巷道地震超前探测数据采集过程中为保证数据质量，均采取了一定的保证措施，集体如下：
(1)单分量检波器通过检波器延长钳深入探测介质内部，保证检波器耦合；(2)现场排除了一切震动干扰源，提高了震波数据质量的信噪比。(3)现场进行了震波采集参数测试校验，提高了震波数据质量。工作面中巷底抽巷巷道地震超前探测施工过程中通过采用以上技术措施，确保了采集的地震信息的真实性与可靠性，所有数据质量等级均达到“良”以上，为后期数据处理与分析提供了保障。
4 地震资料处理分析
井下所采集的地震数据需经过专门处理才能转化为直观的成果图，显现迎头前方或煤巷侧帮一定深度范围内的地质异常体的分布特点。本次地震勘探数据处理工作采用了福州华虹智能科技股份有限公司发行的KDZ1114-8C30矿井地质探测仪系统软件平台。
4.1 资料处理流程
本次工作面中巷底抽巷震波单点反射探测数据处理主要经过数据加载、抽道、零漂校正、小波变换、道间、道内平衡、频谱分析、以为滤波等，最终生成单点多道地震剖面。
4.2 数据处理成果
经经过上述处理，最终得到6个测点地震波单点反射单点多道波列图，图中纵坐标代表地震道号，横坐标代表地震波双程走时，结合陷落柱发育区域的地震地球物理特征及地震波单点反射基础原理可知：在地震波单点反射单点多道波列图中，陷落柱相比完整的围岩大多频率低、振幅(能量)弱、波形成分不均一(局部频率、能量高低交错)，且在陷落柱与完整围岩交界处的波阻抗差异界面位置有能量增强等特点。通过地震波单点反射单点多道波列图可以确定陷落柱影响范围边界的双程走时，根据时距曲线公式h=vt1/2，其中v代表地震波在介质中的传播速度，t代表地震波双程走时。本次工作面中巷底抽巷震波单点反射探测中结合物性条件选取地震波在陷落柱中的传播速度为2000m/s。具体如下：
图4-2为工作面中巷底抽巷1#探测点地震波单点反射单点多道波列图，可以看出0-5ms地震波表现为波形成分不均一，5ms位置附近出现因波阻抗差异造成的波形能量相对增强的现象，5ms后波形均一连续。 图4-3为工作面中巷底抽巷2#探测点地震波单点反射单点多道波列图，可以看出0-55ms地震波表现为频率低、振幅(能量)弱、波形成分不均一，55ms位置存在在因波阻抗差异造成的波形能量相对增强的现象，55ms之后的波形完整连续、频率高、振幅(能量)相对较强。 图4-4为工作面中巷底抽巷3#探测点地震波单点反射单点多道波列图，可以看出0-42ms地震波表现为波形成分不均一、局部振幅(能量)弱，42ms位置开始出现因波阻抗差异造成的波形能量增强的现象，42ms之后波形完整连续、频率较高、振幅(能量)较强。 图4-5为工作面中巷底抽巷4#探测点地震波单点反射单点多道波列图，可以看出0-35ms地震波表现为波形成分不均一、局部频率低、局部振幅(能量)弱，35ms位置开始存在因波阻抗差异造成的能量增强的现象，35ms之后波形波形完整连续、成分均一。 图4-6为工作面中巷底抽巷5#探测点地震波单点反射单点多道波列图，可看出0-32ms地震波表现为波形成分不均一、局部振幅(能量)较弱、局部频率较低，32ms位置开始出现因波阻抗差异造成的波形能量明显增强现象，32ms之后波形完整连续、频率较高、振幅(能量)较强、成分均一。 图4-7为工作面中巷底抽巷6#探测点地震波单点反射单点多道波列图，可以看出0-30ms地震波表现为波形成分不均一、局部频率低、局部振幅(能量)低，30ms位置开始出现因波阻抗差异造成的波形能量相对增强的现象，30ms之后波形完整连续、振幅(能量)相对较强、频率相对较高。 4.3 综合地质解释
4.3.1 解释方法与解释目标
本次地震勘探解释以地震勘探结果图为基础，同时结合相关地质资料，从而对成果图中陷落柱及其影响范围分布区域进行地质定性分析。
4.3.2 地质解析成果 本次工作面中巷底抽巷震波单点反射勘探共布置6个物理测点，从左帮到右帮分别编号为1#～6#，针对不同的探测方向，根据数据处理成果得到各个方向的陷落柱及其影响范围，具体内容详见表4-1及图4-8：
5 结论与建议
本次探测地点位于工作面中巷底抽巷8月22日迎头，使用地震波单点反射法对迎头附近隐伏陷落柱及其影响范围进行探测，从左帮开始到右帮共布置6个物理测点，每个物理测点采集数据15组，通过数据处理分析及综合地质解析，得到工作面中巷底抽巷地震波单点反射探测综合成果，最终获得本次工作面中巷底抽巷8月22日迎头前方80m范围内陷落柱延展分布情况的地震探测结论。
5.1 结论
本次地震探测的6个测点前方均存在陷落柱及其影响区分布，具体如下：
1)1#物理点：位于迎头后退0.5m左帮，且方向垂直左帮，该测点前方存在陷落柱发育，且主要发育及影响范围为0-5m；
2)2#物理点：位于迎头掌子面与左帮交接位置，且方向为掘进方向左45°，该测点前方存在陷落柱发育，且主要发育及影响范围为0-55m；
3)3#物理点：位于迎头掌子面，距离左帮1m，且方向为垂直迎头掌子面，该测点前方存在陷落柱发育，且主要发育及影响范围为0-42m；
4)4#物理点：位于迎头掌子面，距离右帮1m，且方向为垂直迎头掌子面，该测点前方存在陷落柱发育，且主要发育及影响范围为0-35m；
5)5#物理点：位于迎头掌子面与左帮交接位置，且方向为掘进方向右45°，该测点前方存在陷落柱发育，且主要发育及影响范围为0-32m；
6)6#物理点：位于迎头后退0.5m右帮，且方向垂直右帮，该测点前方存在陷落柱发育，且主要发育及影响范围为0-30m。
5.2 建议
1)建议矿方对本次井下地震勘探解析的所有异常区采取钻探等手段进一步排查与验证，做好地质构造异常区的防治水工作、瓦斯防治工作、加强支护工作等一些列安全与技术工作，确保安全后再进行生产。
2)此工作面中巷底抽巷震波单点反射是首次应用于某矿井下，震波波速在不同地质环境下存在差异，而地震数据处理过程中速度是决定结果的重要参数，速度选取不同解析的异常距离及位置会有所不同，故探测结果会有一定程度偏差。
3)本报告未尽事宜，请参照《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》等相关制度确保安全生产。
6 验证情况
矿方根据物探结果针对性的设计了一些钻孔，通过后期钻探结果圈定的陷落柱范围如图6-1，钻探结果与物探成果吻合度非常高（物探圈定的陷落柱及其影响范围略大，一方面由于地震波波速的选取需要大量的实验来确定，另一方面陷落柱形成造成的地质破碎带范围要大于陷落柱实际范围）。 7 结束语
本次探测采用KDZ1114-8C30矿井地质探测仪，对井下陷落柱及其影响范围进行了圈定，取得了较为理想的成果。证明了井下地震波单点反射法在陷落柱范围探测领域的可行性，取得了初步的实用经验，但仍有一些问题需要解决，例如：修正地震波的波速，使得探测结果更加精确；打进工作面侧帮的锚杆作为锤击震源耦合器的可行性等，这些基础的工作需要广大物探工作者和地质工作者共同努力来解决，让KDZ1114-8C30矿井地质探测仪更好为矿井安全生产服务。