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| 柴里煤矿23614工作面矿井巷道震波超前探测 |
1 工程概况
简介：
23614工作面井下位于236采区西部，该工作面北起程楼断层保护煤柱，南至23上614设计停采线，西至田岗断层保护煤柱，东至二龙岗断层。走向长1260.4-1271.6m，倾向长194.4-225.4m，面积为282063.3㎡。由于该工作面构造情况复杂，因此，查明23614轨道巷及运输巷前方的构造发育情况至关重要。本次由枣庄矿业(集团)公司柴里煤矿和福州华虹智能科技股份有限公司共同组织了对23614轨道巷及运输巷前方构造情况进行探测。
1.1 探测目的
本次探测测线分别布置在23614工作面轨道巷及运输巷内，利用矿井震波超前探测法基本控制巷道前方的构造发育情况，为巷道的安全掘进工作提供资料。
2 矿井震波超前探测技术(MSP)原理
矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Predi -ction)，是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。
MSP系统主要由记录单元、接收单元和激发单元三部分组成(见图2-1)。
硬件技术参数如下：
记录单元
通道：6道；
A/D：18位；
采样长度：最大记录长度为14468样点；
采样间隔：62.5μs和125μs；
动态范围：100dB；
平台：Windows
接收单元
分量：三分量；
灵敏度：1000mV/g±5%；
频率范围：0.5-5000HZ；
横向灵敏度：＞1%；
工作环境温度：0℃-65℃；
激发单元
输入电压：240～2400V；
输出电压：0.5～5V。
2.1 测线布置与数据采集
于2015年10月06日在轨道巷及运输巷迎头完成数据采集工作，探测以前方构造发育情况为主要探测目标，采用了矿井震波超前探测技术(MSP)；现场布置24个炮点和2个检波点，其中轨道巷有效炮点数为24炮，共采集144组数据；运输巷有效炮点数为22炮，共采集132组数据。
2.2 矿井震波超前探测(MSP)现场布置
本次矿井MSP探测在迎头有限空间内展开，采用炸药震源。23614轨道巷现场测线布置时，激发点炮孔布置在巷道左帮，总共24炮；检波点2个分别为C1、C2，传感器及炮孔顺序和方位见图2-2。炮点1-24布置在左帮，设计炮间距2m；检波点C1、C2布置在左帮，设计检波点间距5m。其中C1传感器距离P24号炮点15m，P1在迎头位置退后2m。现场测量炮检距后续计算以实际距离为准。
23614运输巷现场测线布置时，激发点炮孔布置在巷道右帮帮，总共24炮；检波点2个分别为C1、C2，传感器及炮孔顺序和方位见图2-3。炮点1-24布置在右帮，设计炮间距2m；检波点C1、C2布置在右帮，设计检波点间距5m。其中C1传感器距离P24号炮点15m，P1在迎头位置退后2m。现场测量炮检距，后续计算以实际距离为准。
2.3 完成工作量
完成工作量情况如下表所示。
表2-1 现场超前探测完成的工作量表 
3.1 矿井震波超前探测数据处理
数据处理时统一以C2检波点对应巷道的中点为坐标原点，巷道前方为X正方向，Y正方向指向顶板，Z方向指向左帮建立坐标系，分别来确定炮点和检波点的坐标。
将现场采集到的物探数据经过处理方能转化为可利用的物性图件，MSP震波探测数据在自行研制开发的MSP2.0软件平台上进行，其处理流程为：数据预处理——频谱分析——直达波求取——反射波提取——速度分析——深度偏移——界面提取。根据速度谱同时结合现场岩性情况，进一步根据以往探测的验证结果，本次MSP探测取综合速度为3m/ms进行偏移处理速度。
数据预处理部分主要完成观测系统录入，将现场实际测量的炮孔、检波点坐标录入MSP系统。基于上述观测系统原则，在进行数据处理时以指向掘进迎头方向为x轴正方向，垂直于顶板方向为y轴正方，垂直于左帮为Z轴正向，建立直角坐标系。为了便于建模，以C2点所在巷道位置的巷道中心为原点，建立炮检坐标系。
频谱分析处理利用FFT工具对本巷道采集的地震波形进行频率域分析，作用在于掌握对本巷道在炸药震源条件下的地震波主频分布范围。有利于指导后续数据的处理。图3-2为地震波形的频谱分析图，从图中可以看出主频范围为50-500Hz。
图3-3为本次采集地震波形和直达波速度求取图。采用各记录源检距和初至到时可拟合成直达波初至直线，从图中可以看出直达纵波速度为2m/ms。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。
深度偏移处理为MSP处理的核心部分，在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上。以此成果图件为基础提取取巷道前方反射界面。基于直达波速度，本次均匀速度背景值取值为1.5-3.5m/ms。本次探测由于探测介质为煤，探测距离相对较近，整体探测距离为230m，其中轨道巷已揭露区69.5m，未揭露区160.5m；运输巷已揭露区67.7m，未揭露区162.3m。
3.4 矿井震波超前探测数据解释
如图3-4和图3-5分别为轨道巷及运输巷反射界面提取剖面，从反射异常界面提取剖面中可以看出，轨道巷迎头前方共存在三处反射异常带，分别命名为R1、R2、R3；运输巷迎头前方共存在三处反射异常带，分别命名为R4、R5、R6。
综合上述分析和现有地质资料对上述异常段作如下推断解释：
异常R1在当日迎头前方20m附近，该异常界面的影响范围在11m至25.3m，结合地质资料分析为断层造成的岩性变化产生的反射界面，该断层影响范围较大，注意提前预防；
异常R2在当日迎头前方65m附近，该异常影响的范围在55.5m至85.5m之间，从波形上分析，该界面的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响；
异常R3在当日迎头前方157.5m附近，该界面的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响。
异常R4在当日迎头前方26m位置附近，该异常界面的影响范围在25.8m至31.8m，结合地质资料分析为岩性变化产生的异常反射带，该区域反射能量较强，注意提前预防；
异常R5在当日迎头前方65m附近，该异常影响的范围在60m至72m之间，从波形上分析，该界面的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响；
异常R6在当日迎头前方120m附近，该异常影响的范围在115.3m至130.8m之间，该异常带的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响。
4 结论及建议
通过本次MSP超前探测结果，并结合该掘进巷道区域地质资料，得出如下结论：
(1)异常R1在当日迎头前方20m附近，该异常界面的影响范围在11m至25.3m，结合地质资料分析为断层造成的岩性变化产生的反射界面，该断层影响范围较大，注意提前预防；
(2)异常R2在当日迎头前方65m附近，该异常影响的范围在55.5m至85.5m之间，从波形上分析，该界面的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响；
(3)异常R3在当日迎头前方157.5m附近，该界面的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响。
(4)异常R4在当日迎头前方26m位置附近，该异常界面的影响范围在25.8m至31.8m，结合地质资料分析为岩性变化产生的异常反射带，该区域反射能量较强，注意提前预防；
(5)异常R5在当日迎头前方65m附近，该异常影响的范围在60m至72m之间，从波形上分析，该界面的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响；
(6)异常R6在当日迎头前方120m附近，该异常影响的范围在115.3m至130.8m之间，该异常带的反射能量较强，结合现有的地质资料分析可能为断层产生的影响。
相关的建议：
(1)建议在巷道掘进过程中，应加强地质编录，可进一步提高对探测区域的解释精度；
(2)针对提出的异常体区域，做好提前预防的准备；
(3)建议矿方在探测结果显示的异常区域进行打钻。
作者简介：
周凯，男，宿州学院地质工程专业，福州华虹驻华东办事处副经理。
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