1 矿井巷道震波超前探测系统(MSP)简介
　　矿井巷道震波超前探测系统(MSP)是由福州华虹智能科技开发有限公司、安徽惠洲地下灾害研究设计院、安徽理工大学共同研制推出的一套适合矿井条件的巷道超前预测预技术。MSP系统以本安型KDZ1114-6B30巷道地质探测仪为中心，仪器采用先进电子技术与嵌入式操作系统，保证了地震数据的高保证获取，同时配备有专业的MSP2.0数据处理平台，该软件提供了丰富的的地震数据管理、显示与核心处理功能。MSP系统的推广与应用将为矿井巷道掘进施工安全提供技术保障。
2 MSP基本原理
　　MSP技术基于反射波地震勘探原理，利用矿井巷道空间布置激发点和接收点，所激发地震波在传播过程中遇到波阻抗差异时(如破碎带，煤岩界面等)将产生反射波(图1)。在全空间波场条件下，巷道前方界面的反射波在时距规律、相位特征与巷道周边界面具有明显差异，这为利用地震反射波来探测前方界面的提供了有利条件。通过在专业软件(MSP2.0)平台进行数据处理和分析，处理中采用了反射波提取、速度建模、深度偏移等核心处理技术获得巷道前方地震反射偏移剖面、动力学参数等信息。根据这些信息MSP技术可解决如下地质问题。

　　

■ 确定巷道前方地质体(断层、破碎带、煤岩界面、陷落柱等)位置与形态;
■ 评价巷道前方岩体、煤体的动力学特征及其完整性;
■ 定性评价流体(水、瓦斯)赋存特征。
2.1 观测系统
　　MSP地震数据采集是在一定的观测系统下进行的。利用矿井巷道狭长且空间有限的特点，MSP将激发点和接收点均布置于巷道侧帮(或迎头)，采用发“一炮双收”接收地震波，多个炮点顺序激发的方式。
(1)后置观测系统
　　传感器布置于巷道后方侧帮上，高度为腰线位置;如使用两个传感器则对称布置于左右侧帮上。在巷道迎头和传感器点之间布置炮点，炮孔同样布置侧帮巷道腰线上。炮数：18～24炮，偏移距15～20m，炮间距1.5～2.0m。其它详细观测系统参数见表1。
　　注：炮点一般置于左帮，如遇左帮无法布置(如有硐室，有设备等情况)可布置于右帮。必须保证至少有一个传感器和炮点在同一侧帮上。

　　

(2)前后置观测系统
　　前置观测系统布置方式和后置类似，最大不同之处是将2号传感器置于迎头掌子面附近附近。

2.2 坐标系定义
　　MSP探测时，炮点、接收点、炮孔、接收孔的方位角均需处于一定坐标系下。为了更好管理上述空间位置参数且和采用地下空间任意观测系统相适应，MSP坐标系定义规则如下：
　　■ 原点(0,0,0)可任意指定，通常将原点确定巷道中心，高度位于巷道腰线，X位置以离迎头最远的炮点或检波点确定。
　　■ 三轴方向确定为：X正方向水平指向巷道正前方，Z正方向水平指向巷道左帮，Y正方向竖直指向巷道顶板。
　　■ 以水平方位角和倾角来定义炮孔或传感器孔的方位。水平方位位于XZ面内，X轴正向为水平方位角起始0°，在XZ面内逆时针为正，角度范围[0°,360°]。倾角是指孔与水平面(X-Z面)的夹角。孔向Y轴正方向(顶板)倾斜时为正，向Y轴负方向(底板)倾斜时为负，角度范围[-90°, 90°] 。
　　■ 观测系统中所有炮点、检波器点、标志点的位置及方位均在该坐标系下确定。

　　

图4 坐标系三轴方向定义

3 MSP采集系统组成
　　MSP现场数据采集系统主要以矿井巷道地质探测仪KDZ1114-6B30为中心，配以三分量孔中贴壁式传感器及相关附设组成。
3.1 矿井巷道地质探测仪KDZ1114-6B30及其附设
　　■ KDZ1114-6B30主机 ■ 信号大线
　　■ 启动线 附设：
　　■ 启动变压器 ■ 主机充电器
　　■ 矿用起爆器 ■ 数据转换盒(+网线)
　　■ 转换盒充电器
　　说明：信号大线分为1#、2#两个航插，每个航插接一个三分量传感器。
3.2 孔中三分量贴壁式传感器及附设
　　■ 传感器(2套)■ 传感器延长线(2根)■ 专用传感器孔钻头(煤巷、岩巷各1只)
　　■ 充气筒■ 导向杆注：每个传感器三个分量1、2、3通道分别接对应X、Y、Z分量。
3.3 其它工具
　　测量工具：皮尺 罗盘
4 MSP现场数据采集
　　同所有地震勘探技术一样，矿井巷道MSP技术主要包括：数据采集、数据处理及地质解释三个工作阶段，其中数据采集是最整勘探过程中最重要的部分。现场数据质量的好坏直接决定最终成果能否满足探测要求。尤其对于矿井巷道探测来讲，现场工作牵扯多个部门的配合，二次采集不但影响现场掘进工作且可能错过解决问题的最佳时机。因此采集到高信噪比信号对于整个MSP探测均具有重要意义。
4.1 现场数据采集流程
　　为了控制数据采集质量，MSP井下现场数据采集须按一定流程进行，每个流程具有相关的施工要求。主要工作流程有：工前准备，测量标点，接收孔与炮孔施工，现场编录，系统安装，激发接收，数据上传(具体流程见图6)。

　　

4.2 工前准备
(1)资料收集
　　在明确探测目的后有针对性的收集所探测巷道的地质资料。包括：巷道平面图、巷道实测剖面，巷道预想剖面、岩性柱状和三维地震资料等。在分析所收集资料后整体把握向探测巷道周边地质信息。
(2)施工方案设计
　　因MSP探测时选用炸药震源，需要矿方多个部门配合，因此在探测前应向矿方提供施工方案及安全技术措施。施工方案中应明确以下几点：
　　■ 探测目的任务 ■ 观测系统设计
　　■ 炮孔施工要求 ■ 传感器孔施工要求
　　■ 炸药及雷管要求 ■ 安全技术措施
(3)仪器设备检查
　　井下施工中始终围绕仪器设备进行的，因此在下井前必须细心的对设备的完好情况进行检查，同时检查其它附属设备的是否齐全。设备检查要做到以下几点。
　　■ 对过在地面试采数据确定仪器的完好性
　　■ 仪器数据存储空间检查，无用数据要清掉
　　■ 仪器电量检查
　　■ 传感器完好性检查(灵敏方向标志是否一致、连接线是否完好、气室是否跑气)
　　■ 应按照设备清单检查设备与工具是否齐全
4.3 测量标点工作
　　测量标点工作主要完成各个炮点及传感器点的布置，便于钻孔准确施工。测量标点工作可以由矿方根据所提供的《施工方案》提前安排相应人员进行布点或现场进行。
4.4 传感器孔与炮孔施工
(1)传感器孔施工要求
　　■ 位置：根据所采用的观测系统左右帮对称或前后置
　　■ 数量：1～2个 ■ 孔径：65mm(使用配套钻头)，
　　■ 孔深：1.5～2m ■ 倾角：上倾5～10°。
(2)炮孔施工
　　■ 位置：一般置于左帮，遇特殊情况可调整至右帮
　　■ 数量：18～24个 ■ 孔径：48mm(能放进炸药即可)
　　■ 孔深：1.5m ■ 倾角：下倾5°。
注意事项：
　　为了防止巷道变形或有浮矸堵塞孔，尤其是软岩巷道钻孔应即打即用。在不能立即进行采集施工的情况下应对孔进行保护。
4.5 现场编录
　　现场编录的测点位置是否准确直接影响最终探测结果的准确性。同时根据所编录的地质信息可指导结果解释。现场编录主要包括以下几个部分。
　　(1)施工信息量 (2)巷道几何参数 (3)标志点参数
　　(4)传感器孔参数 (5)炮孔参数 (6)岩性与构造编录
　　以上各参数详细内容见《MSP井下数据采集记录表》，现场需认真填写。
4.6 系统安装
(1)炸药与雷管安装
　　■ 炸药类型：矿用乳胶炸药
　　■ 药量：80～100g
　　■ 雷管：矿用一段瞬发雷管(引爆线一般为红、灰色)
　　■ 起爆方向：正向起爆
注意事项：
　　■ 避免管药分离 ■ 炮泥必须堵实至孔口。
　　(1)传感器安装。
　　本系统配套传感器为孔中三分量贴壁式速度传感器，该传感器通过向气室中充入高压空气驱动金属片与孔壁耦合。整个传感器由：传感器主体、气压表、气筒、导向杆组成。安装步骤如下：
　　■ 首先清理传感器孔中浮矸或浮煤
　　■ 在孔外将导杆和传感器连接好
　　■ 调整导向杆手柄的X指向和传感器X分量一致，拧紧双向螺丝。
　　■ 用导向杆缓慢的将传感器推入孔底，转动手柄使传感器X方向指向迎头。
　　■ 用专用气筒充气驱动靠壁装置使之与孔壁耦合，压力表满格即可。
　　■ 测量各分量角度参数
　　注意事项：
　　■ 保证导向杆手柄的X指向与传感器X分量方向一致
　　■ 采集时注意观察气压表压力值的变化，气压减小在放炮间歇及时充气。
(2)仪器系统连接
　　系统连接包括：传感器与主机的连接，启动线，雷管连接
　　■ 传感器连接：主机→大线→传感器延长线→传感器
　　■ 启动线连接：主机→启动线→启动变压器→矿用起爆器
　　■ 雷管连接：矿用起爆器→雷管
(3)系统试启动
　　在系统连接好后要进行系统调试以及试启动。试启动时可不接雷管。
4.7 激发接收
　　在上述各工序完成后方可进入数据采集工作。主机操作可查看第五章内容。
(1)主要采样参数
　　■ 采样道数：3道或6道(2个传感器)
　　■ 采样点数：2048
　　■ 采样间隔：100～200us，默认取200us
　　■ 触发方式：外触发
(2)起爆顺序：可按炮号从大到小或从小到大依次起爆
注意事项：
　　■ 做好现场数据质量监视。
　　■ 注意和放炮人员协调，只有在系统稳定时方发可发出指令由放炮员起爆。
　　■ 在发现哑炮或雷管起爆而仪器不启动的情况下，要检查系统，故障排除后要重新试启动。
4.8 上传数据
　　井下数据采集完成后及时将下位仪器的数据上传至计算机中并做好配份工作。上传数据的操作相关说明书。
　　妥善保存好现场所填写的《MSP井下数据采集记录表》，对表中空白项要及时补齐。
5 MSP安全技术措施
　　1) 放炮必须执行“一炮三检”、“一炮三泥”及“三人连锁”放炮制度。巷道、电气设备附近20米以内及其它作业点风流中的瓦斯浓度达到1.3%时，必须停止作业，切断电源，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理，并报告矿调度。
　　2) 放炮时巷道所有施工人员都必须撤到安全地点(距放炮地点50m以外的位置)。
　　3) 放炮时必须“人、牌、网”三警戒。
　　4) 所有孔必须经矿有关部门检查合格，不合格的必须重打。
　　5) 每次放炮时对炮孔前后5m各种线缆、抽排管、风筒、设备进行保护。
　　6) 每次炮前、炮后必须对放炮地点的安全环境进行检查，发现隐患，立即整改。
　　7) 严格控制装药量。装药、放炮必须在矿有关部门严格监督下进行。
　　8) 放炮后，待炮烟吹散后，班长、测气员进行验炮，确认安全后，才可进行下一步工作。
　　9) 装药工必须持证装药，放炮由放炮员持证操作。
　　10)放炮时必须通知矿调度，并且所有人员都必须撤到警戒线以外，只有待以上各处人员警戒好且有专人将信息反馈给班长后，才可放炮。放炮后，再由班长派专人撤出。