溫亨聰，李學(xué)臣，劉寶寶，楊海濤

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作454002）

隨著國(guó)內(nèi)部分礦井開(kāi)采不斷規(guī)?；?、大型化，采區(qū)逐步向深部延伸，煤巖層內(nèi)存在的斷層、裂隙等“地質(zhì)薄弱區(qū)域”附近往往巖石破碎、位移、煤厚起伏變化、瓦斯積聚、地層完整性缺失、巖層強(qiáng)度降低，礦井開(kāi)采時(shí)刻面臨著瓦斯涌出、底板出水、頂板潰水潰沙等災(zāi)害的嚴(yán)重威脅[1]。為解決日益嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，礦井掘進(jìn)工作面急需提前探明煤巖層中地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育帶等易發(fā)生災(zāi)害事故的“地質(zhì)薄弱區(qū)域”，為礦井安全掘進(jìn)、采區(qū)合理布設(shè)、消除安全隱患提供重要依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)主要方法有直接鉆探法、地震波法、井巷電阻率法、電磁波法等[2]。其中反射地震波法依靠探測(cè)距離大、分辨率高、準(zhǔn)確率高、抗電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而被眾多礦井廣泛應(yīng)用，是目前井下構(gòu)造探測(cè)最先進(jìn)、最有發(fā)展前景的方法[3]。同時(shí)，隨著礦井采區(qū)向深部延伸、煤層瓦斯含量增大、水文地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，礦井對(duì)井下安全作業(yè)的嚴(yán)格管控，使得以放炮激發(fā)為震源的傳統(tǒng)地震波超前探測(cè)技術(shù)在瓦斯或高瓦斯礦井施工時(shí)，必須減少炮點(diǎn)及炸藥量并嚴(yán)格按照礦井“一炮三檢、三人連鎖”等放炮規(guī)程作業(yè)，造成探測(cè)施工愈加繁瑣、探測(cè)精度下降、適用范圍減小甚至不再適用于高瓦斯礦井[4]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外地震波超前探測(cè)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展情況，提出了一種便攜、高效、精細(xì)的地震波超前探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集合了國(guó)內(nèi)儀器裝置布置簡(jiǎn)便、施工快速及進(jìn)口儀器采集系統(tǒng)高靈敏、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，采用負(fù)視速度原理，以錘擊激發(fā)為震源、分布式采集系統(tǒng)與孔中膠囊檢波器為組合、繞射深度偏移算法為優(yōu)化，減弱巷道側(cè)幫及后方地質(zhì)異常干擾、提高設(shè)備適用性和靈敏度、優(yōu)化數(shù)據(jù)反演成果，實(shí)現(xiàn)瓦斯礦井采區(qū)高效、精細(xì)、可靠的地震波超前探測(cè)，提前查明掘進(jìn)工作面前方的煤巖層裂隙發(fā)育范圍、斷裂破碎帶的位置、陷落柱范圍等地質(zhì)構(gòu)造異常體賦存情況，為礦井安全生產(chǎn)提供保障。

1 系統(tǒng)勘探原理

地震波超前探測(cè)技術(shù)屬于反射地震波勘探范疇，采用的是回波測(cè)量原理，大體原理為：在指定的震源點(diǎn)利用小炸藥量或機(jī)械震源激發(fā)產(chǎn)生地震波，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到波阻抗差異界面，如斷層、巖石破碎帶和巖性界面等物性界面時(shí)，一部分信號(hào)反射回來(lái)、一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)[5]。反射回來(lái)的地震信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收，供分析解釋。反射波的旅行時(shí)間和反射界面的距離成正比，反射波的能量強(qiáng)弱、相位等信息與反射界面的位置、性質(zhì)密切相關(guān)，通過(guò)分析反射波的各種特征即可判斷掘進(jìn)頭前方的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質(zhì)及其分布狀況[6]，地震波超前探測(cè)波路圖如圖1。

圖1 地震波超前探測(cè)波路圖Fig.1 Wave path diagram of seismic wave advance detection

1.1 負(fù)視速度時(shí)距特征

與地面反射地震勘探基于水平或低傾角反射界面不同，巷道前方的反射界面與地震測(cè)線呈垂直或高傾角空間關(guān)系，因此表現(xiàn)出獨(dú)特的負(fù)視速度時(shí)距特征[7]。受巷道有限觀測(cè)系統(tǒng)限制，測(cè)線巷道前方界面的反射波場(chǎng)中只能反映出局部反射波同相軸；該局部同相軸和界面傾角大小相聯(lián)系，當(dāng)前方界面為高傾角時(shí)，時(shí)距曲線段表現(xiàn)出負(fù)視速度特征；測(cè)線上前后置接收點(diǎn)時(shí)距曲線特征相似，均表現(xiàn)出負(fù)速度特征。巷道側(cè)幫界面同樣為雙曲線規(guī)律，其中后置傳感器曲線在巷道空間中的有效反射波同相軸表現(xiàn)為正視速度而前置傳感器曲線有效反射波牲卻表現(xiàn)出負(fù)視速度特點(diǎn)。

1.2 分布式采集系統(tǒng)

分布式地震波超前探測(cè)技術(shù)，其基于反射地震勘探原理，將多個(gè)檢波器或震源點(diǎn)呈線性排列，有規(guī)則的接收或激發(fā)地震信號(hào)，利用地震反射波在煤系地層中傳播的特征來(lái)辨別掘進(jìn)巷道前方斷層、軟弱夾層等不良地質(zhì)體[8]。分布式主要指超前探測(cè)設(shè)備和觀測(cè)系統(tǒng)具有靈活多變特征，不拘于巷道的特定位置，設(shè)備具有延展性，觀測(cè)系統(tǒng)具備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整性。當(dāng)煤系地層中存在地質(zhì)異常體時(shí)，介質(zhì)間的彈性差異是不同的，為反射波的產(chǎn)生和傳播提供了物理前提，而分布式地震波超前探測(cè)系統(tǒng)具有更好采集和區(qū)分異常信息[9]。

1.3 偏移處理

地震記錄上的反射同相軸因?yàn)槭懿ǖ膫鞑ヌ匦缘挠绊懞陀涗浄绞降南拗仆c其相應(yīng)的反射地質(zhì)體在形態(tài)和位置上不一致性，這種不一致性稱為偏移。而設(shè)法消除偏移影響的方法叫偏移處理或偏移成像稱為偏移成像處理。其整體可以視為通過(guò)數(shù)值計(jì)算把地面記錄延拓為地下波場(chǎng)的過(guò)程。在此過(guò)程中，繞射波得到收斂，傾斜界面反射波得到歸位，波場(chǎng)干涉得到分解，波前回轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到消除，界面折射得以校正(深度偏移)，從而使地層構(gòu)造、斷層分布、斷點(diǎn)、尖滅點(diǎn)、邊緣、異常體和巖性變化得到清晰成像和準(zhǔn)確歸位，從而使偏移后的地震剖面與實(shí)際地質(zhì)剖面具有更好的可比性[10]。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體選用進(jìn)口的SummitⅡEx 地震儀和國(guó)產(chǎn)的YWZ11-Z 地震波超前探測(cè)儀為基礎(chǔ)設(shè)備。這2種設(shè)備為目前國(guó)內(nèi)外地質(zhì)構(gòu)造地震勘探類中較為典型、效果良好的儀器，系統(tǒng)組合應(yīng)用這2 種儀器，旨在集合國(guó)內(nèi)探測(cè)儀設(shè)備布置方便、施工快速及進(jìn)口地震儀采集系統(tǒng)高靈敏、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，提高有限資源的使用效益和專業(yè)化水平，促進(jìn)物探方法協(xié)同創(chuàng)新，拓寬物探技術(shù)深度和廣度。

系統(tǒng)設(shè)備主要是為煤礦巷道超前探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造設(shè)計(jì)和應(yīng)用。因此，系統(tǒng)的研發(fā)考慮輕便、簡(jiǎn)易、防塵、防水、防爆等特性，選擇以YWZ11-Z 地震波超前探測(cè)主機(jī)為基礎(chǔ)，采用SummitⅡEx 膠囊式高靈敏檢波器為系統(tǒng)信號(hào)接收設(shè)備，以錘擊激發(fā)系統(tǒng)為震源，同時(shí)應(yīng)用自主研究的儀器信號(hào)轉(zhuǎn)接線，使探測(cè)系統(tǒng)減弱異常干擾、提高設(shè)備適用性和靈敏度、優(yōu)化數(shù)據(jù)反演成果，達(dá)到高瓦斯礦區(qū)高效、精細(xì)、可靠的地震波超前探測(cè)。

1）主機(jī)。選用安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司生產(chǎn)的YWZ11-Z 型主機(jī)，采用安卓操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)具有觸摸屏和鍵盤(pán)雙控制操作平臺(tái)；雙采集模式，可同時(shí)接入速度型傳感器和MEMS 加速度傳感器的信號(hào)采集，兼顧深部與淺部地震信號(hào)；采樣頻率高，滿足超淺層地震信號(hào)采集，人機(jī)交互便捷。

2）震源激發(fā)組合。系統(tǒng)震源激發(fā)組合包括震動(dòng)觸發(fā)器、信號(hào)傳輸器、墊片、大錘4 部分組成，在銅錘的一端安裝高靈敏度的震動(dòng)觸發(fā)器，在大錘與墊片錘擊產(chǎn)生地震波瞬間觸發(fā)主機(jī)采集數(shù)據(jù)。

3）檢波器。為了能利用反射地震波的各種持征來(lái)判斷掘進(jìn)頭前方的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質(zhì)及其分布狀況，就要求檢波器具有分辨視角廣、頻率響應(yīng)好、線性度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)還能高保真、高信噪比、高分辨地把地震波信息記錄下來(lái)，其采集的地震信息質(zhì)量直接影響物探最終結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。為此系統(tǒng)檢波器選用德國(guó)DMT公司生產(chǎn)的SummitⅡEx 膠囊式高靈敏檢波器，即GS-A 檢波器。GS-A 檢波器是一種安插在鉆孔中的傳感器，為垂直的雙分量水平檢波器，孔直徑為55 mm。檢波器由檢波器探頭、連接線及充氣閥門(mén)組成。檢波器探頭核心部分為內(nèi)置的2 個(gè)且互相垂直檢波探針組成。1 個(gè)安裝在中心軸上，另1 個(gè)則與其垂直安裝。通過(guò)線纜連接處的充氣閥門(mén)向探頭中填充壓縮空氣，以實(shí)現(xiàn)探頭與孔壁間的耦合。通過(guò)往探頭內(nèi)充氣使其膨脹，探頭上的金屬接觸片繼而連同檢波器一起緊緊地貼在孔壁上，GS-A 膠囊式檢波器如圖2。

4）儀器信號(hào)轉(zhuǎn)接線。針對(duì)SummitⅡEx 膠囊式檢波器數(shù)據(jù)接口和YWZ11-Z 型數(shù)據(jù)傳輸大線串口型號(hào)不匹配的問(wèn)題，系統(tǒng)采用自主研究出儀器信號(hào)轉(zhuǎn)接線，使得YWZ11-Z 型主機(jī)和SummitⅡEx 膠囊式檢波器能夠聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸，促進(jìn)多種設(shè)備、方法協(xié)同創(chuàng)新，拓寬物探技術(shù)深度和廣度，信號(hào)轉(zhuǎn)換線電路示意圖如圖3。

圖2 GS-A 膠囊式檢波器Fig.2 GS-A capsule type detector

圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)接線電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of signal wiring circuit

3 優(yōu)化提升

1）錘擊為震源，拓寬應(yīng)用范圍。在礦井安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻、生產(chǎn)環(huán)境愈加復(fù)雜的大環(huán)境下，瓦斯礦區(qū)對(duì)井下安全作業(yè)的管控只會(huì)愈加嚴(yán)格。在高瓦斯礦區(qū)以放炮激發(fā)為震源的傳統(tǒng)地震波超前探測(cè)技術(shù)在井下應(yīng)用時(shí)，必然會(huì)變得舉步維艱，其適用范圍將大幅度減小甚至不再適用。即使能在局部應(yīng)用時(shí)，也必將面臨減少炮點(diǎn)及炸藥量并嚴(yán)格按照礦井“一炮三檢、三人連鎖”等放炮規(guī)程作業(yè)的狀況，造成探測(cè)施工愈加繁瑣、效率低下、探測(cè)精度下降等問(wèn)題。系統(tǒng)以錘擊激發(fā)為震源，有效解決了傳統(tǒng)放炮震源超前探技術(shù)難以在高瓦斯礦井應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，消除了井下放炮給高瓦斯礦井帶來(lái)的安全隱患，使地震波超前探測(cè)技術(shù)在高瓦斯礦井具有更大的推廣性和適用性。

2）高靈敏檢波器，保障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。在高瓦斯礦井地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)時(shí)，系統(tǒng)以錘擊激發(fā)為震源，雖能有效解決了傳統(tǒng)放炮震源超前探技術(shù)在高瓦斯礦井難應(yīng)用瓶頸，但同時(shí)也因?yàn)橐藻N擊激發(fā)為震源，使得震源存在激發(fā)能量變?nèi)酢⑿盘?hào)分辨率降低等問(wèn)題。為此，系統(tǒng)采用GS-A 孔中膠囊高靈敏檢波器為傳感器，以其分辨視角廣、頻率響應(yīng)好、線性度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用其及在地震信息記錄中高保真、高信噪比、高分辨的優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)以錘擊激發(fā)為震源時(shí)激發(fā)能量弱、信號(hào)分辨率低等不足，保障井下施工時(shí)數(shù)據(jù)采集的精細(xì)度和可靠性。

3）多技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，提高成果準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用負(fù)視速度原理，可以大幅度減弱巷道側(cè)幫及后方地質(zhì)異常干擾，提高勘探的可靠性；以分布式采集系統(tǒng)與孔中膠囊檢波器為組合，可以有效提高探測(cè)效率和設(shè)備靈敏度，保障超前探測(cè)精度；以繞射深度偏移算法為優(yōu)化，可優(yōu)化數(shù)據(jù)反演成果，提高物探成果的精細(xì)度和準(zhǔn)確率，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的高效、精細(xì)、可靠的地震波超前探測(cè)。

4 工程實(shí)例

焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦11060 工作面運(yùn)輸巷為掘進(jìn)煤巷，根據(jù)礦井已知三維地震資料顯示：該巷道通尺2 010～2 015 m 段附近存在1 條DF20斷層，傾角15°，落差0～2 m。巷道掘進(jìn)至通尺1 953 m 時(shí)急需查明巷道前方斷層等地質(zhì)異常構(gòu)造體的分布狀況，為巷道的布置、設(shè)計(jì)、安全掘進(jìn)提供決策依據(jù)。

4.1 施工布置

本次地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)在11060 工作面運(yùn)輸巷通尺1 953 m 處實(shí)施，施工采用反射地震波回波測(cè)量法，線性排列布置方式，即沿著掘進(jìn)巷道一側(cè)布置激發(fā)震源和接收檢波器，逐點(diǎn)錘擊激發(fā)、逐點(diǎn)采集。設(shè)計(jì)在巷道的左幫布置激發(fā)點(diǎn)，利用錘擊依次激發(fā)產(chǎn)生地震波，利用2 個(gè)檢波器同時(shí)接收反射回來(lái)的地震波，通過(guò)分析反射波的旅行時(shí)間、能量強(qiáng)弱、相位等信息，判斷掘進(jìn)頭前方的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質(zhì)及其分布狀況，地震波超前探測(cè)施工布置圖如圖4。

4.2 勘探結(jié)果及驗(yàn)證

11060 工作面地震波超前探測(cè)成果圖如圖5。其中，圖5 中顯示了探測(cè)范圍內(nèi)煤巖層各處的地震波能量（振幅）大?。ù趾谏鹗幘€顯示的是巷道中軸附近的實(shí)時(shí)波形圖）。能量（振幅）越大，對(duì)應(yīng)區(qū)域顏色越偏亮色（正相位）或灰色（負(fù)相位），表示附近存在地質(zhì)構(gòu)造異常體（如斷層等）的幾率越大。

圖4 地震波超前探測(cè)施工布置圖Fig.4 Seismic wave advanced detection construction layout

圖5 地震波超前探測(cè)成果圖Fig.5 Seismic wave advanced detection results

由圖5 可以看出，趙固二礦11060 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭前方存在1 處地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)，標(biāo)記為Y1。Y1 位于掘進(jìn)頭前方48～56 m 段（圖中粗線所圈區(qū)域），為中等偏弱強(qiáng)度波阻抗界面，分析認(rèn)為可能系巖層斷裂破碎帶（斷層）或裂隙發(fā)育區(qū)的反映。

根據(jù)11060 工作面運(yùn)輸巷實(shí)際掘進(jìn)情況，對(duì)超前探測(cè)成果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果為：11060 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)到通尺2 008 m（即Y1 異常區(qū)附近）及往前10 m 范圍區(qū)域時(shí)，巖層產(chǎn)狀開(kāi)始出現(xiàn)變化，在Y1異常區(qū)延伸范圍段，巖層普遍顯著破碎、內(nèi)含方解石夾層且伴有頂板滴淋水現(xiàn)象，證實(shí)存在斷層，物探結(jié)果與巷道實(shí)際揭露基本吻合，地震波超前勘探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

5 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)以錘擊激發(fā)為震源、分布式采集系統(tǒng)與孔中膠囊檢波器為組合、繞射深度偏移算法為優(yōu)化等多種方法手段，減弱巷道側(cè)幫及后方地質(zhì)異常的干擾，提高設(shè)備適用性和靈敏度，優(yōu)化數(shù)據(jù)反演成果，實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造高效、精細(xì)、可靠的地震波超前探測(cè)。應(yīng)用該技術(shù)可以有效提前查明掘進(jìn)工作面前方煤巖層中斷層、裂隙等易發(fā)生災(zāi)害事故的“地質(zhì)薄弱區(qū)域”，為礦井安全掘進(jìn)、采區(qū)合理布設(shè)、消除安全隱患提供重要依據(jù)，保障煤礦的安全生產(chǎn)。