摘要：随着我国煤炭资源逐步趋于深部机械化开采，构造地质条件也越发复杂。地质构造通过破坏煤层连续性、改变赋存状态、增加开采难度，从资源储量、规划设计、效率成本、回收率及技术选择等多方面影响煤炭资源开采，此外，地质构造是沟通流体(瓦斯、水)的通道，直接威胁煤矿安全生产，是诱发瓦斯突出、冒顶、突水、冲击地压等事故的核心因素。掘进工作面是煤炭资源开采的 “先行军”，其揭露的地质构造直接影响掘进效率、巷道布置、安全掘进等。因此，煤矿需加强掘进工作面前方地质构造超前探测(如钻探、物探)，针对性优化支护方案、通风设计、瓦斯与水害防治措施，以降低构造带来的安全风险，保障掘进工作安全高效进行。本文在分析MSP震波超前探测原理、数据采集及数据处理解释方法的基础上,结合井下掘进巷道探测实例,介绍了MSP震波超前探测应用成果。
关键词:地质构造；MSP技术；震波超前探测；地质预测预报
1 MSP矿井震波超前探测原理
矿井震波超前探测(Mine Seismic Prediction)，简称MSP，主要基于地震反射勘探技术，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构造条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破或锤击产生的，震源点一般是沿巷道左(右)帮平行底板成直线排列或空间排列，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。
煤系地层的层状分布尤其当地层中存在不良地质体时，介质间的弹性差异是固有的，这为反射波和产生和传播提供了良好的物理前提。由于全空间效应、煤系地层极度不均一性及施工空间的限制，地下空间中弹性波场具有一定的复杂性。因此，巷道工程中弹性波场表现出全空间、多波叠加的复杂特征。在此基础上所形成的震波超前探测技术为一种全空间，多波多分量联合勘探技术。
MSP是通过巷道一帮布置一个或多个不同距离的接收器，目的是接收前方不同产状的地质界面的反射波。图1-1为两个后置检波器的工作原理示意图。接收器由极灵敏的三分量地震加速度检波器(X、Y、Z分量)组成，频宽10-7000Hz，包含了所需的动态范围。且三分量加速度检波器按顺序排列，能确保在三维空间方向范围的全波场记录，所以能分辨不同波的类型,如P波和S波。
数据处理时反射波提取、纵横波分离、偏移成像等核心技术，可以获得反映掘进工作面前方的P波、S波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数等成果，以及反射层在探测范围内的二维空间分布。并通过与巷道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征、岩石物理力学参数等资料来解释地质体的性质(地层界面、软弱、破碎带、断层、节理裂隙、围岩类别等)。其中不同位置的检波器数据可进行偏移剖面的有效叠加，增加探测成果的可靠性。
2 应用案例分析
2.1使用仪器
本次应用案例中震波MSP探测所使用的勘探设备为华虹公司制造的“DTC300矿井地质探测仪”，该系统是新一代高效便携的专业型全方位矿井地震勘探系统。系统采用先进的分布式架构，利用自动化采集及高精度同步技术，可在井下灵活组合施工，实现地震波单点反射超前勘探、反射共偏移探测、MSP震波超前探测及瑞利波超前探测等多种震波观测方法的数据采集。DTC300矿井地质探测仪系统设备图见图2-1。
2.2案例一
2.2.1地质概况及探测任务
某矿1802工作面开采煤层为8煤，位于中侏罗统下部延安组，埋藏深在900～980m之间，倾角为3°(2°～6°)，1802巷道正在掘进过程中，根据周边揭露及地质资料显示，巷道前方可能存在断层等地质构造，本次采用MSP震波超前探测物探技术，探查1802巷道迎头前方构造发育情况。
2.2.2 现场施工布置
结合勘探任务并充分研究了1802巷道相关地质资料及现场环境，本次地震勘探采用MSP震波超前探测观测系统，即在1802巷道近迎头右帮激发接收。
本次MSP震波超前探测在迎头右帮位置开始布置炮点，共布置16个炮点，炮点间距1m。在迎头右帮退后17m的位置布置第1个检波器，再退后1m布置第2个检波器，共布置两个检波器，检波器间距1m，偏移距2m。每个炮点激发一次，共激发16次。本次MSP震波超前探测现场施工布置示意图见图2-2。
2.2.3 探测成果
经过数据处理，本次1802巷道MSP震波超前探测的处理成果有：《绕射偏移成像振幅叠加偏移-反射界面提取图》；
综合1802巷道震波超前探测数据处理成果与相关地质资料分析，迎头前方40m附近存在地震波反射界面，推测为迎头前方存在隐伏地质构造。
2.2.4 成果验证情况
通过收集掘进后巷道实测地质剖面和揭露地质资料，该位置前方40m左右位置存在F2502-5断层，落差为1.5m。下图为1802巷道掘进过程中实揭地质情况。
2.3 案例二
某矿2715下巷(P6导线点前61米处)采用MSP震波超前探测物探技术，探查巷道迎头前方构造发育情况，采用与上述案例相同的探测系统布置，得出成果如下：在物探位置前方15-17m附近存在地震波反射界面，定为R4-1探测异常区范围，推测为迎头前方隐伏构造导致。
后续根据矿方实际揭露情况在P6点前72-78m处揭露F2715p-1，落差≥1.8m，与R4-1探测异常区范围(P6点前71-81m)，位置基本对应。
3 结论
通过应用总结，MSP震波超前探测技术在掘进工作面前方地质构造超前探测具有较好的效果，可实现对迎头前方地质构造的探测，对掘进巷道的安全掘进具有一定的指导意义。