摘要：随掘地震超前探测作为煤矿井下巷道掘进过程中一项至关重要的安全保障技术，其主要功能在于对掘进工作面前方可能存在的各类地质异常体进行实时、动态的探测与识别，例如断层构造、岩层破碎带、富水含水层等潜在风险区域。该技术实施时，通常在巷道掘进过程中合理布设一系列高灵敏度地震传感器，并巧妙利用掘进机械作业时产生的振动作为地震波激发源。通过采集这些振动产生的地震波信号，并综合运用偏移成像、波场分离等先进数据处理与解释技术，对接收到的反射波、折射波等多种信号的传播特性、振幅、频率等特征进行深入分析与提取。这一系列处理旨在有效提升探测结果的空间分辨率与精度，从而较为准确地反演出掘进工作面正前方地质构造的形态、性质及空间分布状况。本文结合具体的煤矿井下巷道掘进工程实际探测案例，详细阐述了地震反射波法超前探测技术的现场应用过程、所获得的数据成果及其对掘进安全决策的实际指导意义。
关键词：随掘地震超前探测；偏移成像；地质预报；地震波成像
1 随掘地震超前探测技术
随掘地震超前探测是一种适配矿山巷道、隧道掘进施工的智能化超前地质预报技术，区别于传统放炮式地震探测手段，该技术依托掘进施工过程中的天然震动信号实现同步探测，无需停工、无需人工激发震源，可真正实现“边掘进、边探测、边预警”，有效解决了传统地质探测效率低、干扰施工、安全性差的行业痛点，是当前地下工程超前地质预报的核心技术之一。
随掘地震超前探测技术的核心工作原理为天然震源激发、地震波传播反射、阵列信号采集、数据成像反演。其不再依赖炸药、可控震源等人工激发设备，创新性利用掘进机、盾构机截割岩壁、煤层时产生的机械震动作为天然地震震源。掘进设备破岩作业过程中，会产生10–200Hz的宽频、连续型随机震动信号，信号包含纵波、横波、煤层槽波等多种有效地震波，传播范围广、信号能量稳定，完全满足地下地质探测的信号需求，同时彻底规避了爆破探测的安全风险。
在掘进作业产生地震波后，地震波会以掘进迎头为中心，向巷道前方及周边围岩全方位传播。根据地震波传播的基本物理特性，当地震波传播路径中出现岩性变化、地质构造异常界面时，会因介质波阻抗差异产生反射、散射现象。断层、陷落柱、采空区、含水层、瓦斯富集区等不良地质体与完整围岩的物理性质存在显著差异，会形成明显的波阻抗界面，使地震波产生规律的反射散射信号，这些异常信号中精准携带了前方地质体的位置、规模、形态等核心地质信息，是地质预判的关键依据。相较于传统超前探测技术，随掘地震超前探测具备极为突出的技术优势。一是探掘同步、效率极高，探测过程无需暂停掘进施工，打破了传统探测与施工相互冲突的难题，大幅提升地下工程施工进度；二是安全绿色、适用性广，无爆破作业、无明火、无安全隐患，完全适配高瓦斯矿井、深埋隧道等高危施工场景；三是成本低廉、操作简便，无需配备人工震源设备，依托现有掘进设备即可完成探测，大幅降低施工探测成本；四是探测距离适中、精度可靠，有效探测范围覆盖100–300米，能够满足常规巷道、隧道的超前地质预警需求。
目前，随掘地震超前探测技术已广泛应用于煤矿煤巷、岩巷以及地铁、公路隧道、水利隧洞等TBM掘进工程。通过实时超前探测，可提前精准预警断层、陷落柱、废弃采空区、含水破碎带、瓦斯异常区等地质灾害隐患，为施工支护方案调整、灾害防治、安全施工决策提供精准的数据支撑，有效规避突水、瓦斯突出、围岩坍塌等地质灾害，保障地下工程施工的安全性与连续性，已成为地下工程智能化、安全化施工的重要保障技术。
2 应用案例分析
2.1 地质概况
某矿某工作面轨道顺槽掘进工作面沿8煤层掘进，平均煤厚3.2m左右，煤层倾角2～15°，平均倾角6°。8煤直接顶板为砂质泥岩、煤线B01、砂质泥岩组成的复合顶板，总厚约15.9m；老顶为粉细砂岩，均厚3.9m。
8煤顶板为砂质泥岩，底板为砂质泥岩，工作面内煤层与围岩的物性(密度、速度)差异较大，故煤层与围岩的波阻抗差异较明显。煤层与围岩间的界面，呈现为良好的地震波反射面，有利于地震波在煤层中传播。巷道揭露煤层起伏不大，同时巷道在煤层中布置，在一定程度上有利于随掘地震波接收。
2.2 KJ2207矿用地震监测系统介绍
(1)系统介绍
KJ2207矿用地震监测系统是福州华虹智能科技股份有限公司开发的一款全新的地震探测技术监测平台，该系统由计算机、授时服务器、KDW127/12B矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、KJ2207-F矿用本安型地震电法监测分站、地震传感器及其它必要设备组成。实现矿山巷道掘进过程中巷道前方地质条件的随掘探测，满足煤矿企业掘进安全智能高效实现的迫切需要。
(2)随掘超前探测系统的搭建
采集系统采用线性排列观测系统。沿巷道走向布置测点，测点总数16个，测点间距三排或四排排间距，位于掘进巷道左侧帮，高度为离底板2-1.8m，检波器使用专用转接头与侧帮锚杆耦合，方向水平垂直于巷帮。
随着巷道掘进作业的持续推进，检波点依据预设方案，随巷道迎头位置依次实施滚动迁移，以保障探测工作的连续开展及数据采集的完整性与有效性。当巷道掘进距离达到20米至40米区间时，当前排列中位于最后方的4个检波点将按照既定顺序与步骤，有序挪移至探测阵列最前方。通过延长连接线缆，整个采集大线系统实现整体前移，确保探测覆盖范围持续延伸，维持探测工作的延续性与数据的连贯采集。
2.3 数据处理方法及流程
随掘地震超前探测数据处理流程如下：
(1)数据获取：依据时间片段长度配置定时器，按既定周期从数据库中提取当前时间片段内新生成的多道随掘地震数据。数据获取周期需契合矿方实际生产安排，具体为自每日早班起始至当日晚班结束。
(2)数据选择与评价：对所采集数据进行分析，依据平均振幅、各道数据一致性及数据振幅等指标筛选掘进机掘进时段的数据，并根据当前测站布置方式为所选数据赋予对应坐标。
(3)筛选与去噪：运用随机噪声吸收及带通滤波技术，以直达波信噪比为基准评估虚拟炮集数据质量，剔除因掘进机未能有效切割或受其他随机噪声干扰导致的低信噪比虚拟单炮记录，并对筛选后的单炮记录实施滤波与去噪处理。
(4)提取虚拟炮集：以距离掘进机最近的地震道作为参考，采用地震干涉算法将一段时间内的连续地震数据转换为虚拟炮集。
(5)反射波提取：掘进机掘进震源波场经干涉处理后，巷道前方反射波的传播规律已近似等同于单次激发波场。巷道超前目标体主要集中于巷道前方，其地质信息完全体现在来自巷道前方的反射波组中。由时距曲线规律可知，在线性观测系统条件下，巷道前方界面均呈现负视速度特征，而后方界面与侧方界面则均表现为正视速度。基于此视速度差异规律，实验采用F-K滤波 等方法提取巷道前方界面反射波，同时压制声波、面波等干扰波以提升数据信噪比。
(6)偏移成像：每生成一个合格的单炮记录后即开展一次偏移成像，根据掘进进尺为每炮记录设置不同权重，通过绕射偏移算法实现掘进机前方及侧前方探测区域的成像。最终通过偏移成像成果，将同一位置高频出现的反射异常判定为地质异常区。
(7)成果展示：通过软件访问方式，直观显示数据信号传输情况(波形图)、结构成像及探测成果。探测成果利用测量控制点标注迎头前方地质异常体的位置、影响程度与影响范围，作为地震物探预测预报的依据。
2.4 成果分析
基于某矿11月22日采集并处理的随掘地震偏移数据，分析结果显示，巷道掘进迎头前方24.4m至32.4m区间内存在明显的偏移高能量聚集区域，该区域被正式编号为R13异常区。此后持续跟踪观测至2025年12月4日的系列随掘地震偏移结果平面图进一步表明，R13异常区的空间展布范围保持相对稳定，主要集中在里程桩号WP19+57m至WP19+71m区段内，其后续潜在影响范围可向前延伸至WP19+96m附近。
对照巷道实际掘进揭露的地质情况，在上述R13异常区的预测范围内，巷道实际揭露了断层FFd6-1(产状335°∠35°，落差H=1.8～3.5m)。实际揭露情况与随掘地震探测预测的异常区具有较好的对应关系。
该结果充分验证了随掘地震偏移勘探方法对掘进工作面前方隐伏地质异常体的精准识别与定位能力。具体而言，R13异常区域内观测到的地震波能量高度聚集特征，与典型断层破碎带所对应的地震波散射效应增强、反射能量显著富集的地球物理响应规律完全吻合，清晰表明该探测技术能够有效、准确地捕捉巷道前方诸如断层等关键地质构造的发育位置、规模及形态信息。结合本次超前探测所获异常分布与后续巷道实际揭露地质情况的高度对应关系，进一步从实践层面确认了该技术在煤矿井下复杂环境掘进工作面开展超前地质探测时具备高度的可靠性与准确性。
3 总结
本次依托某煤矿的具体巷道掘进工程项目实例，对随掘地震超前探测技术在煤矿井下超前地质预报工作中的实际应用效能展开了全面、系统的现场验证与效果评估。从本次工程应用结果来看，随掘地震超前探测依托掘进作业产生的天然震动开展探测，无需人工激发震源、不干扰正常掘进施工，能够在煤矿井下复杂地质条件下，精准捕捉掘进工作面前方隐伏断层等地质异常体的位置与范围，探测结果与实际揭露地质情况高度吻合，充分证明了该技术在煤矿超前地质预报中的可靠性与实用性。