图1-1 KDZ1114-8C30矿井地质探测仪系统设备图

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，而达到数据采集，并可通过手持终端APP实现现场数据预处理；
2 地震波单点反射探测方法简介
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，通过对布置在特定位置的检波器接收到的地震信号进行分析，从而确定地质异常体及矿产资源赋存情况。矿井地震勘探方法多样，根据不同的探测任务及现场环境可选择不同的探测方法，目前煤矿井下主要应用的地震勘探方法包括工作面震波CT勘探、巷道超前探测、地震波单点反射探测、地震波反射共偏移探测、槽波地震勘探、瑞利面波勘探等。
其中，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2-1，地震波单点反射波路图如图2-2。

图2-1 地震波单点反射施工示意图                                   图2-2 地震波单点反射波路图

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。
3 应用实例
本文中所用案例均来自于黑龙江省双鸭山市宝清县万城矿业井下应用实例。为保证数据质量，在现场数据采集时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，保证了检波器耦合；
(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。
工区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。
3.1火成岩探测应用
3.1.1工区概况及探测任务
万城矿下山采区10煤层左二片运输顺槽开采10号煤层，煤厚约1.5m，区域内煤层总体呈单斜构造，由巷道左帮向右帮方向倾斜，煤层倾角约15°。目前巷道迎头揭露全煤，在巷道前方大约66m处预计揭露一火成岩侵入体，该火成岩侵入体为地面三维地震勘探异常，但在井下其它巷道采掘过程中已经多处揭露验证，其异常边界范围可靠性较高。
本次地震波单点反射探测在巷道迎头布置测点，主要探测巷道迎头前方的火成岩揭露情况，为巷道掘进设计提供资料参考。
3.1.2探测地球物理条件
火成岩是由地壳内部上升的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而成的，又称岩浆岩。其岩层的矿物质成分、变质程度以及密度等物理特征与煤层相比具有非常大的差异，煤层与火成岩的交界处为明显的地震波阻抗差异界面，是地震强反射界面。
顺着煤层走向方向探测，在揭露火成岩的位置，由于煤岩介质的差异，会存在地震波阻抗差异界面，有利于地震反射波的发育，通过分析反射波的振幅、相位变化，即可判断巷道前方火成岩的揭露位置。且由于是顺着煤层走向勘探，煤层近水平，在地震波的传播路径上，干扰反射界面较少，有利于探测精度的提高。
综合而言，工区地震地质条件基本具备震波单点反射探测的要求。
3.1.3施工布置
本次地震波单点反射探测在巷道迎头布置测点，施工地点共1个物理点，位于迎头掌子面，方向垂直迎头掌子面，布置2个检波点，道间距0.5m，炮检距0.5m，锤击15次，共采集30道地震信号。工区巷道平面及测点布置示意图如图3-1。

图3-1 工区巷道平面及测点布置示意图

3.1.4探测成果分析与验证
经过数据处理，最终得到勘探区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，横坐标代表探测深度，由于测点位于煤层中，在时深转换时，选用综合波速1.5m/ms。具体处理结果如下图：

图3-2 地震波单反射单点多道波列图

由图3-2可知，在巷道迎头前方70m附近存在明显的反射波相位，推测为巷道前方揭露火成岩的位置。
矿方通过打钻以及周边巷道揭露推测的火成岩侵入体边界离探测点巷道迎头距离约66m，验证对比情况如下图3-3。

图3-3 探测异常区与其它地质勘探圈定异常位置对比图

3.2断层探测应用
3.2.1工区概况及探测任务
万城矿下山采区10煤层左二片切眼开采10号煤层，煤厚约1.5m，区域内煤层总体呈单斜构造，在切眼1掘进过程中，遇一落差约3m的正断层，导致煤层中断，为此矿方进行了采掘变更，新开切眼2，切眼2在掘进过程中未遇断层，煤层赋存正常。切眼沿煤层倾向方向掘进，垂直巷道侧帮方向为10号煤层走向方向。本次地震波单点反射探测在切眼2巷道右帮布置测点，主要探测切眼1揭露断层离切眼2右帮的距离，为工作面回采提供资料参考。
3.2.2探测地球物理条件
煤层揭构造过程中岩层、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，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层揭构造探测中提供基础条件。
顺着煤层走向方向探测，在揭露断层的位置，由于煤岩介质的差异，会存在地震波阻抗差异界面，有利于地震反射波的发育，通过分析反射波的振幅、相位变化，即可判断探测前方断层的揭露位置。且由于是顺着煤层走向勘探，煤层近水平，在地震波的传播路径上，干扰反射界面较少，有利于探测精度的提高。
综合而言，工区地震地质条件基本具备震波单点反射探测的要求。
3.2.3施工布置
本次地震波单点反射探测在切眼2口前30m处巷道右帮煤层中布置测点，施工地点共1个物理点，方向垂直巷道右帮，2个检波点，道间距0.5m，炮检距0.5m，锤击15次，共采集30道地震信号。工区巷道平面及测点布置示意图如图3-4。

图3-4 工区巷道平面及测点布置示意图

3.2.4探测成果分析与验证
经过数据处理，最终得到勘探区的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，横坐标代表探测深度。由于测点位于煤层中，在时深转换时，选用综合波速1.5m/ms。具体处理结果如下图：

图3-5 地震波单点反射单点多道波列图

通过上图可看到在探测前方20~24m附近有地震波反射相位发育，推测该处为断层揭露位置。
矿方通过打钻以及周边巷道揭露推测的切眼1揭露断层距切眼2右帮约17m，二者基本吻合，验证情况如下图3-6。

图3-6 探测异常区与其它地质勘探圈定异常位置对比图

4 结束语
本文介绍了KDZ1114-8C30矿井地质探测仪的功能组成，并通过分享和总结其地震波单点反射探测技术方法在万城煤矿井下的实际应用案例，对KDZ1114-8C30矿井地质探测仪其单点反射探测在井下地质构造探测中的应用效果进行了研究，探测结果通过与万城煤矿其它实际收集的地质资料对比分析验证，证明了KDZ1114-8C30矿井地质探测仪其单点反射探测在井下地质构造探测中具有良好的应用效果，文中的实际案例供广大物探工作者和地质工作者参考学习，让KDZ1114-8C30矿井地质探测仪更好为矿井安全生产服务。