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巷道前方地质构造MSP法超前探测技术与应用研究
刘盛东1，2 郭立全1 张平松1
(1安徽理工大学资源与环境工程系，安徽淮南。2中国煤炭学会矿井地质专业委员会。)
摘 要：巷道前方地质构造超前探测是地下工程施工的技术关键和技术难题，利用地震反射波探测技术，采用巷道多次覆盖观测系统采集地震数据，通过能量合成与分解、波场分离、偏移叠加等处理技术，形成矿井震波超前探测技术(Mine Seismic Prediction即MSP技术)，在巷道迎头空间进行全方位的数据采集与处理，可获得巷道探测方向的各种有效的反射波组，该波组与前方的地质界面具有很好的对应性。数值模拟、室内超声波实验与现场探测实验表明，MSP探测技术可以解决巷道前方300m以内的各种地质构造预报。 关键词：MSP技术，负视速度，矿井超前探测，绕射偏移，巷道地质构造，超前探测
巷道施工地质超前预报，就是利用一定的探测技术和手段收集巷道所在岩煤体的有关资料，运用相应的理论和和处理技术对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩煤体情况及隐伏的不良地质条件作出预报[1]。我国目前正在进行的大规模的基础设施建设中，包括所有的矿山开采巷道、大量的铁路、公路、引水等隧道(隧洞)建设，这些地下工程的施工依赖于前方地质条件的预见性，由于预报技术的限制，巷道遭遇断层、软弱破碎带、瓦斯突出、老空区，造成隧道坍塌、突水、瓦斯动力等事故时有发生。对巷道前方构造及异常探测属于隐伏目标体定位问题，由于巷道内可供观测的空间位置有限，其探测精度受到井下三维空间的限制，其探测施工和数据解析难度较大，因而要准确的达到预报的要求难度很大，探测结果很难满足各种工程生产技术发展的要求，国家发改委把它作为近年科技攻关的研究重点。为此，自上世纪90年代初期开始，本课题组专门开展了对巷道地质构造震波超前探测技术研究与应用，通过不断地改进探测技术和分析方法，提高预报的可靠性和精度，形成了一套地下巷道MSP探测方法技术，即Mine Seismic Prediction技术，并已取得了很多成功的经验。
1 MSP探测技术原理
MSP(Mine Seismic Prodection)即矿井震波超前探测技术，是一项应用于探测掘进巷道前方断层、陷落柱、老空区等不良地质构造的地震波反射勘探技术。采用了巷道多次覆盖观测系统进行数据采集，数据处理过程中综合运用 变换和叠前绕射偏移成像等多种地震数据处理技术，是一种多波多分量联合地震勘探技术。
1.1 巷道前方高倾角界面负视速度时距特征[2]-[4]
由于巷道等地下工程的空间局限性，地震探测工作只能在巷道迎头附近有限区域展开，和地面反射地震勘探基于水平或低倾角反射界面不同，巷道前方反射界面与地震测线呈垂直或高倾角空间关系，表现出独特的负视速度时距特征。以二层速度模型为例，直达波、反射波时距方程分别为：
其中t1为直达波时距方程，t2为反射波时距方程，x为激发点距离接收点O的距离，h1为前方界面出露点距离O点的距离，V1为第一层介质速度， 角为界面倾角，时距曲线见图1。
由时距曲线可得，当以L代表接收点O距迎头距离，在有限的X区间[0，L]内，：
① 高倾角界面的反射波段(图1中的实线部分)仅为整个反射曲线的一部分;
② 该反射段位于反射曲线极小值点左侧，因此其斜率为负值，即表现出负视速度;
③ 直达波和反射波的交点横坐标恰好等于界面出露点位置。
④ 倾角越大，反射段的斜率越，极值点(T0)越小;
⑤ 当倾角为90º即前方界面为直立界面时，反射曲线 为直线，反射波曲线段斜率和直达波斜率大小相等， 符号相反且极值为零。
高倾角界面表现出的负视速度反射特征是整个MSP技术的核心，后续各种数据处理技术围绕该特点展开。
图1 巷道前方高倾角界面时距曲线 a 反射波曲线;b 直达波曲线;c 反射界面;
O 接收点;S激发点; 反射界面倾角;
1.2 MSP技术中的巷道多次覆盖观测系统
图2 多次覆盖观测系统示意图
a1、a2 后置传感器; b1、b2前置传感器;
c 空间中任意绕射点;
图3 数值模型反射射线路径示意图
为了尽可能多的获取地震数据，MSP数据采集时选用三分量传感器，多个三分量传感器布置在不同位置，在巷道中形成全方位、多次覆盖观测系统。和地面地震测线相比，MSP中的多次覆盖在概念上有所区别。地面地震将界面抽象成光滑水平界面，每个CDP道集代表了某一共深度点多次反射，射线路径遵循镜面反射定理关于中垂线对称分布。MSP中将反射界面看成不再光滑而是由一系列离散绕射点所组成，因此该界面能够反射来自任一方向的下行波并且上行波总能被任何位置的传感器所接收。现场通常的多次覆盖观测系统即巷道迎头和后方同时布置多个传感器接收，巷道一帮或两帮激发信号(见图2)。前后置多次覆盖观测系统是将4只三分量传感器分别布置在巷道两帮和迎头，前后置传感器之间布置炮点。由于炮点和接收点位于全空间介质中，任一炮点所激发的地震波能够被界面上的绕射点反射并为各个传感器所接收。 2 数值模拟研究
为了更好的研究巷道前方界面的时距特征，选取不同的反射界面数学模型，通过合成地震记录模拟方式，进一步了解和掌握不同倾角、不同出露点界面反射波特点。
模拟研究中所设计数值模型存在两个反射界面，界面倾角分别为60º和90º，出露点位置分别为60米和80米。(参数见表1)。
表1 数值模型参数表
数值模拟自编的KDZ软件平台上进行，记录合成时选用了雷克子波。观测系统参数为：偏移距为0米，道间距1米，共24道地震记录。为了验证偏移效果，未做正负速度的波场分离，几何绕射深度偏移见图3、图4、图5所示。
图4 数值模型合成地震记录
a 直达波同相轴;b第一层反射波同相轴; c为第二层反射波偏移位置
图5 数值模型绕射偏移剖面图 a 直达波偏移位置;b 第一层反射波位置;c 第二层反射波同相轴 从上述数值模拟结果图可得，
1)巷道前方高倾角界面(60º~90º)在有限测线段内反射波同相轴表现负视速度;
2)运用绕射偏移处理后直达波能量聚集在测线附近，倾角为60º的界面1反射段清晰，反射段反向延长交于60米，倾角为90º的界面2反射恰好位于前方90米，很好的将反射能量聚集到界面反射段上;
3)绕射算法存在拖尾效应，通过能量提取可以进一步压制。
3 实验模拟研究
为了进一步验证MSP方法的有效性，室内模拟实验共采用了两个方案。实验一是在水槽中进行，以超声波作为发射源，以玻璃模拟高波阻抗介质，泡沫塑料模拟低波阻抗介质;并以此来模拟巷道前方可能存在的不同类型的不良地质体。实验二是将探测地点选择在实验室地板上，将楼板裂缝、侧墙作为不同类型的探测目标来模拟不均匀介质中探测。
3.1 超声波水槽实验
3.1.1 模型参数与MSP法数据采集
超声波实验时以WSD-1型超声波仪作为主系统，30KHZ换能器作为发射源，以用三分量加速度检波器进行数据接收。采用了接收探头位置保持不变，发射源由远到近顺次发射的方式接收记录。设计模型时分别选用泡沫塑料和玻璃作为不同波抗的反射界面，通过调整模型上螺丝就可以获得不同倾角的反射界面，最终将模型参数确定为：倾角分别为56º和90º，距离后置传感器的距离分别为455mm和530mm，偏移距为150mm，发射探头移动步距为10mm，共获得24道超声波记录(图6)。
图6 声波探测模拟实验布置图
a 超声波发射探头;b 超声波接收探头;
c1、c2泡沫塑料界面、玻璃界面; 3.1.2 偏移处理结果
图7为水槽超声波记录并采用二维滤波进行负速度提取的波场分离后波形。从波形记录上可以看出来自测线前方的泡沫塑料和玻璃板反射相位清晰，且由于泡沫塑料的滤波作用引起多组低频后续波组，很明显反射波组以负速度特征分布。
图7 水槽两层介质MSP法偏移结果彩色显示图 图8为对图7的波场进行深度偏移剖面，偏移结果看出直达波、测线下方的水槽底面反射波得到很好压制;测线前方的高倾角的泡沫塑料和玻璃板反射波都很好归位到相应位置。直达波聚集在测线附近(图8中的a)，b组同相轴为水平底面反射波，c1、c2分别为两界面的反射段同相轴，根据上述原则沿反射同相轴向中心线反向延长和中心线相交，相交位置和模型设计参数一致。
图8 水槽两层介质MSP法后置探头X分量波形记录 a 直达波偏移位置;b 水槽底面反射波偏移位置;
c1 泡沫塑料反射波偏移位置;c2玻璃板反射波偏移位置
3.2 地板固体介质模拟 该实验的目的是检测测线前方的墙体柱子和地板上裂缝的位置来模拟巷道前方的异常体。数据采集时采用锤击震源激发，三分量加速度地震检波器接收信号，现场布置如图9所示。安装好后置传感器后，共进行了24个激发点激发并采集数据。图10为X分量探测偏移结果图，该方向对前方反射波最为敏感。
图9固体介质模拟MSP探测布置示意图
图10 地板固体介质探测X方向偏移图
a 裂缝反射偏移位置 b 混凝土立柱反射偏移位置 由偏移图上可以看出在2.5m和4m处反射波相位清晰，对比实际情况发现在接收点前方地板上2.53m处可观察到一条垂直于测线的裂缝，4m处的反射相位应该是由水泥柱子反射引起的，其它后续的能量较弱的反射相位应该是地板下的楼板接缝引起的。该实验说明，MSP法对不均匀介质的探测同样具有较好的适用性。 4 巷道中实际应用探测
4.1 岩巷探测
为了验证MSP方法技术的有效性，对淮南张北煤矿井下副井车场中央石门进行MSP超前探测。探测仪器为自行开发的KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪，该仪器本质安全型，可进行井下数据采集。接收采用三分量式加速度式检波器，激发采用矿用1段雷管加50g炸药放炮完成。现场布置了1个前置、两个后置检波器，共接收了24炮信号数据。
通过对探测记录的各炮能量归一化、波场分离、偏移成图，获得了前方地震偏移剖面，如图11所示。并根据相关煤岩层特征进行了解释。在图中300m探测范围共有6个异常界面得到了掘进验证，所解释的界面与实验掘进验证正确率达到88%。
图11 副井车场MSP超前探测偏移剖面结果及解释 4.2 煤巷探测 国投新集集团二矿1101工作面风巷在掘进过程中，从地质分析中推断前方存在片麻岩体，由于片麻岩直接覆盖在煤系地层上方，且片麻岩为含水层，因此对巷道掘进产生严重的安全危害。为了保证巷道掘进的安全，对该巷进行了MSP方法探测，获得了巷道多炮检数据结果。
现场布置时后置检波器距前方迎头的位置距离为53.3m。图12为MSP法Sv波偏移结果图。从中可以得出，在距后置检波器70m、85m、110m处存在异常界面。后经巷道掘进证实在巷道前方105.6m处为片麻岩位置，与探测解释异常点位置相差较小，对巷道安全掘进起到了很好的指导作用。
图12 1101面风巷片麻岩构造MSP探测Sv波解释及巷道地质剖面对比图 5 结论与分析 通过实验模模拟和现场探测应用，对MSP技术可获得如下结论：
(1)数值模拟实验和超声波模型模拟很好的验证了巷道前方高倾角反射界面在有限测线区间上反射同相轴为负视速度特征，同时也验证了对于高倾角界面，几何绕射偏移技术的有效性。
(2)基于绕射偏移原理的矿井震波MSP技术，采用了巷道多次覆盖观测系统，反射波提取技术对解决巷道、隧道等地下工程前方地质构造探测与预测方面具有针对性和有效性。
(3)实际应用中说明，利用自行研制KDZ1114-3型矿井地质探测仪及配套的MSP处理软件平台可进行矿井掘进巷道超前探测预报工作。
煤矿井巷工程与隧道(洞)工程地质条件存在较大的安全问题，因此研制出一套可靠成熟的巷道超前探测与预测技术成为一项急需解决的事。目前课题组正在进行三维空间数据体的偏移处理与应用技术研究，以获得更准确、更有效的预报预测结果。
参考文献：
[1] 赵永贵,刘浩,孙宇等.隧道地质超前预报研究进展[J],地球物理学进展,2003.
[2] 李勇,孙喜峰,李廷.隧道施工地质超前预报方法[J],地质与资源,2004.
[3] 何振起,李海,梁彦忠.利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报[J],铁道工程学报,2000.
[4] 何继善,柳建新.隧道超前探测方法技术与应用研究[J],工程地球物理学报,2004.
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| 添加日期：2013-11-13
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