郭美延, 丁向南， 許新驥

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 濟(jì)南 250061; 2.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院， 濟(jì)南 250061)

礦產(chǎn)資源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是支撐人民生活水平提升和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的重要前提[1]。然而，在地下礦產(chǎn)資源開發(fā)中，分布不明的采空區(qū)、斷層等致災(zāi)構(gòu)造給生產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅，若未能提前處置與有效應(yīng)對(duì)，作業(yè)過程中極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害(采空區(qū)突水、塌方等)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，亟需較準(zhǔn)確探明作業(yè)巷道前方采空區(qū)等致災(zāi)構(gòu)造的分布情況。常規(guī)的地表勘察方法如高密度電阻率法[2]、電磁波法(地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等)[3]、地震波法[4]等，因受金屬電磁強(qiáng)干擾、地表起伏、礦脈深埋等原因，難以較準(zhǔn)確探明巷道前方采空區(qū)的分布、規(guī)模等信息。為此，鑒于巷道作業(yè)近距離觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，開展礦山巷道內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，是提高采空區(qū)探測(cè)準(zhǔn)確率的有效方法。

地震波法因具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、對(duì)界面較敏感等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于礦山巷道、水工隧洞、公路隧道等不良地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。研究者們將地震波法用于巷(隧)道的不良地質(zhì)探測(cè)與相應(yīng)特征分析：如竇文武等[5]研制了礦井分布式地震超前探測(cè)系統(tǒng)，并將其用于煤窯采空區(qū)及高瓦斯礦井探測(cè)；程久龍等[6]基于正演數(shù)值計(jì)算分析了巷道地震探測(cè)散射波成像特征；Liu等[7]提出了SAP (seismic ahead-prospecting)技術(shù)，并在高黎貢山隧道、吉林引松隧道等掌子面前方斷層或破碎帶探測(cè)中取得了成功應(yīng)用；李娜等[8]對(duì)巷道環(huán)境地震波波場(chǎng)特征識(shí)別進(jìn)行了分析；郭立全等[9]應(yīng)用礦井震波超前探測(cè)技術(shù)探明了巷道前方的斷層。綜上，地震波法為巷道/隧道地質(zhì)探測(cè)提供了有效手段，為礦區(qū)安全開采提供了重要支撐。

鑒于巷道地震波法對(duì)不良地質(zhì)構(gòu)造的較好探測(cè)效果，將其用于解決弓長(zhǎng)嶺鐵礦和眼前山鐵礦巷道前方不良地質(zhì)探測(cè)難題，開展巷道地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)的適應(yīng)性研究，重點(diǎn)探明巷道前方的采空區(qū)分布特征。應(yīng)用工程弓長(zhǎng)嶺鐵礦和眼前山鐵礦同屬于沉積變質(zhì)型鐵礦床，是鐵礦石原料生產(chǎn)重要基地之一。在礦區(qū)前期開采過程中，揭露了多個(gè)采空區(qū)和民采巷道，給生產(chǎn)作業(yè)帶來了困擾；隨著開采的逐漸深入，未知采空區(qū)等災(zāi)害源對(duì)作業(yè)安全威脅也愈加嚴(yán)重。為探明巷道前方未知采空區(qū)、民采巷道等災(zāi)害源的分布情況，保證當(dāng)前工作面作業(yè)安全，采用地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)：首先，基于前期勘察資料和開采作業(yè)揭露情況，進(jìn)行礦區(qū)地質(zhì)分析；進(jìn)而選取并介紹了適用于巷道地震波探測(cè)的觀測(cè)方式和數(shù)據(jù)處理方法；在此基礎(chǔ)上，對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道和眼前山鐵礦巷道前方采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)和解譯；此外，開展了數(shù)值模擬與分析，揭示了超欠挖導(dǎo)致的非平整表面對(duì)巷道地震波探測(cè)的影響特征，為優(yōu)化探測(cè)解譯和結(jié)果驗(yàn)證提供了支撐。研究成果可為同類工程采空區(qū)等地質(zhì)探測(cè)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 弓長(zhǎng)嶺鐵礦地質(zhì)概況

弓長(zhǎng)嶺鐵礦自 1949 年建礦以來，一直是鞍鋼的主體礦山和高品位富礦的主要供應(yīng)地。從2005年12月開始，國(guó)家和遼寧省共投入地質(zhì)勘查資金1 760萬元，在遼陽市弓長(zhǎng)嶺鐵礦二礦區(qū)外圍和深部開展鐵礦資源勘查，探明鐵礦資源量1.2億t，其中富鐵礦超7 400萬t，平均品位達(dá)63%，成為遼寧省近40年來發(fā)現(xiàn)的最大富鐵礦。然而，弓長(zhǎng)嶺鐵礦地下存在許多采空區(qū)，尤其是地方小礦點(diǎn)不規(guī)范濫挖, 加劇了采空區(qū)的分布和隱蔽性。這些采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜, 在空間位置、深度、規(guī)模不同, 且大多數(shù)采空區(qū)已經(jīng)坍塌或充水，嚴(yán)重威脅著礦山大型設(shè)備及人身安全。在施工過程中常發(fā)現(xiàn)并測(cè)量到民采巷道的分布，在巷道掌子面前方探明存在橢球形民采空區(qū)，為查明民采老廢巷道分布情況，在弓長(zhǎng)嶺礦盲斜井54 m水平剖面開展井下地震超前探測(cè)試驗(yàn)。

1.2 眼前山鐵礦地質(zhì)概況

眼前山鐵礦地處鞍山市東部，距鞍山市中心約15 km，占地面積約1 km2。主要經(jīng)營(yíng)礦種為磁鐵礦，保有資源儲(chǔ)量為7 198萬t。自2012年由露天開采全面轉(zhuǎn)入地下開采，區(qū)域出露地層以震旦系變質(zhì)巖系為主，并有震旦系、寒武系及第四系, 同時(shí)還有不同時(shí)期的火成巖侵入。該礦區(qū)與齊大山、王家堡子、胡家廟子及關(guān)寶山等鐵礦床構(gòu)成了一條東西走向、長(zhǎng)約14 km的狹長(zhǎng)鐵礦帶[10]。隨著眼前山鐵礦開采深度不斷下降，礦山地壓活動(dòng)日益突出，地下采空區(qū)圍巖在拉壓應(yīng)力作用下開始脫離，誘發(fā)采空區(qū)塌陷，對(duì)巷道作業(yè)面施工帶來嚴(yán)重威脅。為查明斷裂破碎帶采空區(qū)賦存情況，在中茨采區(qū)主斜坡道A19～A20方向進(jìn)行地震波法探測(cè)。

礦山作業(yè)施工面臨的重要任務(wù)就是礦內(nèi)的老廢巷道和破碎帶等采空區(qū)進(jìn)行探測(cè), 查清采空區(qū)位置、形狀、規(guī)模, 為地下資源的開發(fā)、礦山開拓計(jì)劃的執(zhí)行和地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、治理提供依據(jù)。為預(yù)測(cè)巷道工作面前方的采空區(qū)等災(zāi)害源情況，支撐資源開采安全，研究采用地震波法進(jìn)行探測(cè)。工程位置示意圖如圖1所示。

2 巷道地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)

巷道探測(cè)采用地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備，如圖2所示，設(shè)備主要包括：① 便攜式地震主機(jī)，用于數(shù)據(jù)采集控制、質(zhì)量檢查與處理分析；② 12個(gè)無線采集模塊和高精度三分量地震波檢波器，用于在邊墻上采集地震波信號(hào)；③ 1個(gè)人工震源(錘)和觸發(fā)器等。該儀器采用人工錘敲擊巷道邊墻以實(shí)現(xiàn)地震波的激發(fā)，地震波在巖體中傳播，當(dāng)遭遇波阻抗界面時(shí)產(chǎn)生反射波，通過安裝在巷道邊墻上得檢波器觀測(cè)地震信號(hào)并無線傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)對(duì)信號(hào)處理分析以完成探測(cè)工作。

數(shù)據(jù)采集是地震探測(cè)的重要基礎(chǔ)，為在有限的巷(隧)道空間采集較充分的有效波信息，選用地震探測(cè)觀測(cè)方式如圖3所示：① 兩條檢波器測(cè)線分布在巷道兩側(cè)邊墻上，每條測(cè)線上均有6個(gè)檢波器，相鄰檢波器之間的間距為2 m；②震源點(diǎn)設(shè)置在接收測(cè)線與掌子面之間，每側(cè)邊墻設(shè)置6個(gè)震源點(diǎn)，共12個(gè)震源點(diǎn)。以上觀測(cè)系統(tǒng)在巷道的軸向、垂直和水平方向上都有偏移距[7]，有利于獲取較全面的波場(chǎng)信息，為異常體探測(cè)識(shí)別及定位提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of the project

圖2 巷道地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)設(shè)備及工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of ahead-prospecting detection equipment of roadway seismic wave method

圖3 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Observation system

數(shù)據(jù)采集主要參數(shù)如表1所示。共設(shè)置12個(gè)激震點(diǎn)，每個(gè)激震點(diǎn)錘擊3次，然后將地震記錄進(jìn)行疊加以達(dá)到壓制巷道中隨機(jī)噪聲并增強(qiáng)有效信號(hào)的目的。

表1 地震探測(cè)采集主要參數(shù)Table 1 The main parameters of seismic exploration acquisition

2.2 數(shù)據(jù)處理

巷道地震波超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理主要包括三部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理、波形處理及偏移成像[11]。

2.2.1 預(yù)處理

高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確成像的基礎(chǔ)，為此對(duì)觀測(cè)原始記錄進(jìn)行壞道切除、時(shí)窗選擇和數(shù)據(jù)疊加處理。其中，時(shí)窗以目標(biāo)探測(cè)距離和巖體波速為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，確定所需窗長(zhǎng)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理和疊加，提高有效反射波的能量，壓制噪聲干擾影響。

2.2.2 波形處理

① 對(duì)直達(dá)波進(jìn)行速度分析，估算巷道近距離巖體波速；② 切除直達(dá)波，提高后方反射波場(chǎng)的可辨識(shí)度；③ 基于頻譜特征分析，采用帶通濾波濾除高、低頻噪聲干擾；④頻率波數(shù)域(frequency wave-number, F-K)濾波，基于巷道前方反射波與巷道環(huán)周干擾波的視速度差異進(jìn)行濾波，重點(diǎn)保留來自巷道掌子面前方的有效反射信息；⑤ 垂直波慢度-水平波慢度(τ-p濾波)，進(jìn)一步細(xì)化視速度差異，從波場(chǎng)信號(hào)中提取主要的縱波波場(chǎng)信息用于后續(xù)的偏移成像。

2.2.3 偏移成像

通過波形處理，可獲得探測(cè)目標(biāo)體的有效反射波場(chǎng)。為進(jìn)一步預(yù)測(cè)目標(biāo)體的空間位置，采用等旅行時(shí)偏移成像方法，將時(shí)間域的地震反射記錄轉(zhuǎn)換到深度域的空間位置，最終實(shí)現(xiàn)采空區(qū)等災(zāi)害源的位置和分布，支撐地質(zhì)解釋[12-13]。

3 鐵礦巷道前方采空區(qū)探測(cè)

3.1 弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道前方采空區(qū)探測(cè)

本次采用巷道地震波法對(duì)工作面前方120 m范圍內(nèi)的民采空區(qū)等災(zāi)害源進(jìn)行探測(cè)。數(shù)據(jù)采集過程中，巷道環(huán)境較為安靜，噪聲干擾較?。幌锏肋厜Τ什灰?guī)則起伏狀，平整性較差。因此在圖3所示觀測(cè)系統(tǒng)上的基礎(chǔ)上，適應(yīng)性調(diào)整布設(shè)方式，實(shí)際觀測(cè)方式如圖4所示：① 12個(gè)檢波器(A1～A6，B1～B6)通過耦合劑固定在巷道兩側(cè)邊墻，檢波器間距沿巷道方向約3 m；② 共布置6個(gè)震源點(diǎn)(S0～S5)，均位于檢波點(diǎn)前方左側(cè)巷道壁，高程約2 m，最小偏移距約為5 m；③ 每個(gè)震源點(diǎn)錘擊3次，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集與處理如圖5所示。

通過觀察圖5(c)原始地震數(shù)據(jù)，地震記錄較為雜亂，尾波干擾明顯，影響同相軸識(shí)別，推測(cè)由于非平整邊墻檢波器安置產(chǎn)生繞射干擾導(dǎo)致；由圖5(d)頻譜圖可知，信號(hào)頻帶位于250～1 250 Hz，主頻為500～900 Hz。

圖4 弓長(zhǎng)嶺鐵礦探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Observation system of Gongchangling iron mine 6

通過2.2節(jié)所述數(shù)據(jù)處理，獲得前方地質(zhì)情況的探測(cè)結(jié)果如圖6所示，結(jié)果顯示，在巷道工作面前方80～110 m范圍內(nèi)存在強(qiáng)反射區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)分析，推斷前方地質(zhì)體結(jié)果如下：① 在工作面前方0～20 m，存在零星弱反射，推斷非平整干擾導(dǎo)致假成像；② 工作面前方20～80 m，雖有零星弱反射，但無明顯強(qiáng)反射，因此推斷巖體巖性較單一，完整性較好；③ 在工作面前方80～110 m，存在能量較強(qiáng)反射，推斷可能存在采空區(qū)。

圖5 弓長(zhǎng)嶺鐵礦現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)Fig.5 Exploration of Gongchangling iron mine

圖6 弓長(zhǎng)嶺鐵礦探測(cè)偏移成像結(jié)果Fig.6 Migration imaging results of Gongchangling iron mine

3.2 眼前山鐵礦巷道前方采空區(qū)探測(cè)

采用巷道地震波法對(duì)工作面前方120 m范圍內(nèi)的采空區(qū)等災(zāi)害源進(jìn)行探測(cè)。數(shù)據(jù)采集過程中，巷道環(huán)境較為安靜，噪聲干擾較小；巷道邊墻表面平整規(guī)則，無異常凸起或凹陷。因此觀測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)略有調(diào)整，實(shí)際觀測(cè)方式如圖7所示：① 12個(gè)檢波器通過耦合劑固定在巷道兩側(cè)邊墻(A1～A6，B1～B6)，檢波器沿巷道軸線方向間距約3 m；② 共布置12個(gè)震源點(diǎn)分兩側(cè)邊墻布置(S1～S12)，分別位于巷道的拱低、拱腰和拱肩，高差約2 m，與檢波器的最小偏移距為5 m；③ 每個(gè)震源點(diǎn)錘擊三次，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集與處理如圖8所示。

由圖8(c)和圖5(c)對(duì)比可知，平整邊墻下檢波器接受地震數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)，地震記錄中無明顯尾波和繞射干擾現(xiàn)象，同相軸相較易于識(shí)別；圖8(d)頻譜圖顯示信號(hào)頻帶位于200～1 000 Hz，主頻為300～700 Hz。

通過數(shù)據(jù)處理，獲得前方地質(zhì)情況的探測(cè)結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示，在巷道工作面前方20～40 m和70～90 m范圍內(nèi)存在強(qiáng)反射區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)分析，推斷前方地質(zhì)體結(jié)果如下：① 在工作面前方40～70 m，雖有零星弱反射，但無明顯強(qiáng)反射，因此推斷巖體巖性較單一，完整性較好；② 在工作面前方20～40 m和70～90 m，存在能量較強(qiáng)反射，推斷可能存在采空區(qū)。

圖7 眼前山鐵礦探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Observation system of Yanqianshan iron mine

圖8 眼前山鐵礦現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)Fig.8 Exploration of Yanqianshan iron mine

對(duì)比圖9和圖6成像結(jié)果可知，不同邊墻條件下接受地震數(shù)據(jù)成像結(jié)果存在差異，非平整邊墻干擾下存在較多分布較廣的弱反射，開采面前方易出現(xiàn)假成像，不利于結(jié)果解譯及地質(zhì)推斷。

圖9 眼前山鐵礦探測(cè)偏移成像結(jié)果Fig.9 Migration imaging results of Yanqianshan Iron Mine

3.3 探測(cè)結(jié)果小結(jié)

(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與作業(yè)施工表明，在弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道和眼前山在弓長(zhǎng)嶺和眼前山鐵礦巷道前方均存在有采空區(qū)或老廢巷道存在，其分布狀態(tài)與探測(cè)結(jié)果基本一致。該探測(cè)研究為鐵礦巷道作業(yè)施工提供了重要的地質(zhì)資料，為巷道安全提供了支撐。

(2)弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道地震波超前探測(cè)結(jié)果中，存在多處的零星反射，隨機(jī)分布在巷道掌子面前方0～80 m(驗(yàn)證無采空區(qū)或老廢巷道)和80～120 m范圍內(nèi)(驗(yàn)證存在民采老廢巷道)。

(3)考慮弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道相較于眼前山鐵礦巷道存在較大的差異——即巷道邊墻存在強(qiáng)起伏、平整度低，采集地震數(shù)據(jù)質(zhì)量及成像結(jié)果存在差異，為地質(zhì)解譯帶來困難。推測(cè)其主要產(chǎn)生原因?yàn)椋旱卣鸱瓷洳▓?chǎng)在傳播到巷道邊墻時(shí)，邊墻非平整面將形成多個(gè)散射點(diǎn)，導(dǎo)致地震波場(chǎng)產(chǎn)生繞射干擾波場(chǎng)，與有效反射波場(chǎng)進(jìn)行混疊導(dǎo)致的。為提高巷道采空區(qū)地震波探測(cè)結(jié)果解譯準(zhǔn)確性，需進(jìn)一步對(duì)非平整波邊墻條件對(duì)波場(chǎng)的影響進(jìn)行分析。

4 非平整邊墻對(duì)地震探測(cè)結(jié)果的影響

4.1 巷道非平整邊墻特征

在弓長(zhǎng)嶺和眼前山兩處鐵礦的探測(cè)工程中發(fā)現(xiàn)，巷(隧)道邊墻在實(shí)際的工程應(yīng)用中并不是完全符合預(yù)期中那樣完整、平直的。在很大一部分巷(隧)道，尤其是鉆爆法巷(隧)道以及礦產(chǎn)巷(隧)道中，超欠挖現(xiàn)象突出。

(1)巷道超挖邊墻：以設(shè)計(jì)的巷道開挖輪廓線為基準(zhǔn)線，實(shí)際開挖的斷面在基準(zhǔn)線以外的部分稱為超挖。

(2)巷道欠挖邊墻：以設(shè)計(jì)的巷道開挖輪廓線為基準(zhǔn)線，實(shí)際開挖的斷面在基準(zhǔn)線以內(nèi)的部分稱為欠挖。

工程實(shí)際開挖過程中地質(zhì)條件不同，巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)存在差異，因此選擇施工工法不同，導(dǎo)致開挖邊墻并非存在超(欠)挖單一特征，而是如圖5(a)、圖5(b)所示的不規(guī)則(鋸齒狀)邊墻，邊墻表面在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)呈凹凸不平狀，整體來看無大尺度凸起或凹陷，觀測(cè)系統(tǒng)較難按照設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行布設(shè)，激震點(diǎn)或檢波點(diǎn)會(huì)相比于設(shè)計(jì)位置發(fā)生部分或整體偏移，檢波點(diǎn)之間表面不平整。

4.2 非平整邊墻巷道地震探測(cè)數(shù)值模擬

針對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦及眼前山鐵礦探測(cè)應(yīng)用，采用有限差分地震波正演模擬方法，以平整邊墻和非平整(鋸齒狀)邊墻為例，分別進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，獲取不同邊墻條件下地震波場(chǎng)記錄，進(jìn)行分析對(duì)比。兩種巷道邊墻類型設(shè)計(jì)及相應(yīng)參數(shù)如圖10所示。

本次數(shù)值模擬設(shè)置巷道長(zhǎng)50 m，平整邊墻巷道寬為10 m，不規(guī)則邊墻巷道邊界上下浮動(dòng)0～1 m；網(wǎng)格間距為；采空區(qū)區(qū)域中心位于巷道前方70 m處，長(zhǎng)度為60 m。

設(shè)置600 Hz的雷克子波作為點(diǎn)震源，分別布置于巷道上下隧道壁，距掌子面距離10 m；沿巷(隧)道走向，上下邊墻均布置檢波器，偏移距為10 m，保持道間距走向上均為5 m；采樣間隔為0.000 05 s。模型四周設(shè)置完全匹配層(perfectly matched layer, PML)吸收邊界以避免邊界反射，吸收邊界占據(jù)40網(wǎng)格。

數(shù)值模擬各介質(zhì)參數(shù)(密度、縱波速度及橫波速度)如表2所示。選取0.005 s和0.03 s時(shí)正演模擬地震波場(chǎng)快照，波場(chǎng)值大小的變化如圖11所示。

圖10 數(shù)值模擬巷道邊墻類型Fig.10 Roadway side wall types of numerical simulation

對(duì)比圖11(a)和圖11(c)發(fā)現(xiàn)非平整邊界處產(chǎn)生繞射干擾和多次反射波，波場(chǎng)復(fù)雜；對(duì)比圖11(d)與圖11(b)，發(fā)現(xiàn)受非平整邊界影響，采空區(qū)反射信號(hào)波前面較難識(shí)別。

表2 正演模型介質(zhì)參數(shù)Table 2 Media parameters of forward modeling

圖11 數(shù)值模擬波場(chǎng)快照Fig.11 Snapshot of the numerical simulation wave field

4.3 影響分析

平整邊墻模型和不規(guī)則邊墻模型數(shù)值模擬獲得地震波場(chǎng)記錄分別如圖12(a)所示。結(jié)合波速計(jì)算及波場(chǎng)快照分析，確定波類型，如表3所示。由地震記錄可知直達(dá)縱波約于0.003 8 s時(shí)到達(dá)#1檢波器，最小偏移距為10 m，計(jì)算波速約為2 638 m/s，與設(shè)定相符；采空區(qū)前端反射波雙程旅行時(shí)約為0.05 s，計(jì)算采空區(qū)前端距掌子面距離約為50 m，符合設(shè)定。

由圖12可知，非平整邊墻情況下，接受地震數(shù)據(jù)與平整邊墻情況下地震數(shù)據(jù)存在一定差異，表現(xiàn)在地震記錄中具體有如下差別。

圖12 數(shù)值模擬地震波場(chǎng)記錄Fig.12 Seismic wave field records of numerical simulation

表3 地震波類型Table 3 Type of seismic wave

(1)對(duì)比圖12(a)、圖12(b)可知，非平整邊墻情況下，仍保持道間距沿巷(隧)道壁走向相同，導(dǎo)致實(shí)際傳播距離不同，地震波到時(shí)存在差異，影響地震記錄同相軸識(shí)別。

(2)對(duì)比圖12(a)、圖12(b)可知，非平整邊墻情況下，檢波器接收地震子波前，受到非平整邊界影響，產(chǎn)生一定繞射和干涉現(xiàn)象，波形發(fā)生相應(yīng)變化。

(3)對(duì)比圖12(b)中可知，非平整邊界情況下，受檢波器安置位置影響，不同檢波器接收地震數(shù)據(jù)存在能量差異，地震記錄波形存在振幅差異。

(4)對(duì)比圖12(a)、圖12(b)可知，相較于平整邊墻，非平整邊墻下檢波器所處檢波環(huán)境存在差異，且存在繞射、干涉等干擾信號(hào)，接收前方采空區(qū)異常體反射信號(hào)更為雜亂，地震記錄連續(xù)性較差。

基于經(jīng)驗(yàn)分析，在非平整邊墻條件下接收到的地震數(shù)據(jù)，與平整邊墻接收到的地震數(shù)據(jù)相比一定會(huì)有差異存在。結(jié)合圖5(c)和圖8(c)不同邊墻條件下，工程探測(cè)實(shí)際地震數(shù)據(jù)存在的差異，根據(jù)相關(guān)的理論基礎(chǔ)，可知：① 在地震波的到時(shí)上一定會(huì)有微小的差異；② 被檢波器接收到的地震子波在到達(dá)檢波器之前會(huì)受到非平整邊界的影響(主要有繞射或者干涉)，因此波形會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，不同的檢波器所位于的檢波環(huán)境差異較大時(shí)，不利于地震記錄上同相軸的識(shí)別；③ 非平整邊界產(chǎn)生的繞射波和干涉導(dǎo)致地震波場(chǎng)記錄存在無法通過濾波等處理消除的干擾成分。

5 結(jié)論

(1)未知采空區(qū)、斷層破碎帶等災(zāi)害源探測(cè)對(duì)鐵礦開采非常重要。采用巷道地震波法探明弓長(zhǎng)嶺鐵礦盲斜井54 m深度巷道前方80～110 m處存在的民采老廢巷道及眼前山鐵礦中茨采區(qū)22～30 m深度主斜坡道前方存在采空區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工結(jié)果與探測(cè)解譯結(jié)果基本一致，為巷道作業(yè)施工提供重要地質(zhì)資料，提供安全保障，充分驗(yàn)證了巷道地震波法應(yīng)用于鐵礦采空區(qū)探測(cè)的可行性和必要性。

(2)依據(jù)弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道非平整邊墻對(duì)地震探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，開展非平整波場(chǎng)數(shù)值模擬研究分析。揭示了非平整表面檢波器安置對(duì)地震波探測(cè)的影響特征，如實(shí)際偏移距不同，導(dǎo)致波場(chǎng)到時(shí)不同；檢波器環(huán)境差異，接收地震波能量存在差異；非平整邊界處，地震波場(chǎng)易產(chǎn)生繞射、干涉等干擾等。未來將繼續(xù)深入研究非平整邊墻下觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)和非平整干擾壓制方法，進(jìn)而優(yōu)化解譯結(jié)果，為采空區(qū)巷道施工作業(yè)提供安全保障。