摘要：矿井巷道掘进过程中遇到的断层、陷落柱、破碎带等地质异常体，会直接影响掘进施工效率同时会给矿井的安全生产带来极大的威胁。采用地震反射波法进行井巷超前探测,能够对掘进巷道前方断层构造及其它异常界面的位置进行较准确的预报。在分析反射波法超前探测数据采集及数据处理解释方法的基础上，结合井下掘进巷道探测实例，介绍了地震反射波法超前探测应用成果。
关键词：矿井巷道；地震反射法；超前探测；地质异常体；地质预测预报
1 地震波反射超前探测
1.1 地震波反射超前探测技术原理
地震反射波法依据地震反射勘探技术的原理，主要通过地震波在指定的震源点激发，通常是在煤矿巷道中以炸药或锤击作为震源，地震波在煤岩中以球面波形式传播，当遇到地质异常界面时，地震波会发生反射，反射回来的信号由高精度的地震检波器接收。通过对反射信号的运动学和动力学特征分析，可以提取由不良地质体(断层、陷落柱等)构成的反射界面信息，从而达到超前探测的目的。目前井下地震反射波勘探常用的方法主要有小偏移距单点反射法、隧道地震波超前预报(MSP)方法等。
1.2 单点反射法探测
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1.3～1.5 g/cm3 ，波速在0.8～1.5 km/s ，在特殊环境下，地震波波速会略有变化，而岩层的密度在2.4～3.0 g/cm3，波速在2.5～3.5 km/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揭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。
2 应用案例分析
2.1地质概况及探测任务
某矿13062巷开采3#煤，目前巷道沿3煤底板掘进，3#煤层厚度为5.4～5.84m，平均5.52m，煤层平均倾角2°，煤层结构整体较简单，局部煤层破碎。
为探测巷道迎头前方地质构造情况和煤体结构变化，分别在巷道开口116m、151m、165m处开展了矿井地震单点反射勘探。
2.2 地震反射仪器
本次地震波反射超前勘探设备为华虹公司制造的“DTC300矿井地质探测仪”，该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。DTC300矿井地质探测仪系统设备图见图2-1。
2.3 现场施工布置
结合勘探任务并充分研究了13062巷相关地质资料，地震探测采用地震波单点反射超前勘探观测系统，即在13062巷巷道开口116m、151m、165m处掘进迎头位置分别进行了探测激发接收。
单次现场探测施工围绕13062巷掘进迎头位置，采用地震波单点反射法在迎头布置1个物理测量点，该物理测量点共激发9锤，源检距0.5m，道间距0.5m.，施工布置图如下：
2.4 探测成果
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，显现迎头前方一定深度范围内的地质异常体的分布特点。图中横坐标代表地震道号，纵坐标代表地震波走时深度。地震波在均匀介质中传播时，能量会发生规律衰减，但如果存在构造、岩性变换、空区空巷的波阻抗差异时，地震波会发生反射能量叠加，图中表现为地震波振幅或频率发生明显变化，即为波列图中振幅或频率发生明显突然变化的位置为构造、岩性变换、空区空巷等波阻抗差异界面发育可能性越大位置。
（1）1#探测位置：下图为13062巷开口116m处地震波单点反射法探测结果，由于观测系统布置在煤层中，结合现场情况和以往的探测经验，将地震波速定为1.3m/ms，根据图中震波信号分析，巷道掘进工作面迎头前方22m附近发现地震波反射振幅异常变化，此处存在地震波振幅异常增大，推测为煤岩变化界面可能存在的位置。
（2）2#探测位置：下图为13062巷开口151m处地震波单点反射法探测结果，由于观测系统布置在冲刷带岩层中，结合现场情况和以往的探测经验，将第一层段的地震波速定为2m/ms，第二层段认为巷道已经揭煤，其地震波速定为1.3m/ms。根据图中震波信号分析，巷道掘进工作面迎头前方8m、33m附近分别发现地震波反射振幅异常变化。在8m处存在地震波振幅突然增大且频率降低的特征，该异常特征为巷道揭露较软岩层的特征，结合巷道实际地质情况，推测为迎头前方揭煤的位置；在33m处存在地震波振幅突然增大的情况，异常位置前后地震波频率均为低频且变化不大，推测该异常区岩性不存在较大变化，可能为岩体结构存在变化导致，结合巷道实际地质情况，推测该异常位置可能存在煤体结构异常。
（3）3#探测位置：下图为13062巷开口165m处地震波单点反射法探测结果，由于观测系统布置在煤层中，且地震波谱上地震波的频率未发生明显的变化，结合现场情况和以往的探测经验，将各层段地震波速定为1.3m/ms。根据图中震波信号分析，巷道掘进工作面迎头前方18m、39m附近分别发现地震波反射振幅异常增大变化，由于异常位置附近地震波频率变化不大，因此推测2处异常区应为煤体结构异常所致。
综合3次矿井地震单点反射超前探测成果进行总结，分别在13062巷巷道开口138m、159m、183m及204m发现地震反射界面。
2.5 成果验证情况
通过收集掘进后巷道实测地质剖面和揭露地质资料，其13062巷在掘进至开口138m时，巷道揭露冲刷带，至159m时，巷道中冲刷带消失，巷道变为全煤；在巷道开口183m位置，巷道煤层破碎，煤岩层裂隙发育；在巷道开口204m位置，煤层存在破碎变软的情况。下图为13062巷巷道掘进过程中实揭地质情况。
3、结论
（1）通过探测结果与巷道实际揭露情况对比分析，地震波单点探测法对控制迎头前方含煤地层地质构造及煤层歼灭情况的探测具有可行性，对掘进巷道的安全掘进具有一定的指导意义。
（2）地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，在日后生产过程中应加强地质调查及地质预报工作，掘进过程中对出现的地质异常详细记录，并及时根据验证信息校正地震波速度参数，进行动态解释，进一步提高资料解释的精度。