矿井多波多分量地震勘探超前探测原理与实验研究
梁庆华1, 2，宋 劲1, 2
(1. 中南大学 信息物理工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 煤炭科学研究总院 重庆研究院，重庆，400037)
摘 要：为了长距离超前探测煤矿井下的地质构造情况，应用多波多分量地震勘探理论，介绍DTC-150井下长距离超前探测仪的基本原理，研究该仪器的井下测量方法与资料处理解释原则，并应用该仪器对不同的矿井进行超前预报探测实验。研究结果表明：采用DTC-150井下超前探测仪器能够较准确地探测到掘进面前方100 m内断层、围岩裂隙、岩石破碎带以及富水情况，据由该仪器获得的波速对围岩进行分类。
关键词：地震勘探；矿井；超前探测；长距离；多波多分量
中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)05-1392-07
Advanced detection theory and experimental research of multi-wave
and multi-component seismic exploration in mine
LIANG Qing-hua1, 2, SONG Jin1, 2
(1. School of Info-physics and Geologic Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Chongqing Branch, China Coal Research Institute, Chongqing 400037, China)
Abstract: In order to accurately detect the long-distance geological formation in front of the mine excavation work, the basic theory of the apparatus DTC-150 was introduced using multi-wave and multi-component seismic exploration theory. The measuring means and the data processing explanation principle of this apparatus, and the advanced forecast detection experiments were studied in allusion to different mines. The results show that advanced detection apparatus DTC-150 can detect geologic formation in front of the mine excavation 100 m away, and can more accurately detect faults, rock fissures, rock broken cinctures and water-rich situation, and the collection velocity can be used to classify the wall rock.
Key words: seismic exploration; mine; advanced detection; long distance; multi-wave and multi-component
深度大、地质条件复杂、高应力等的煤矿掘进工作面很多。矿井存在各种地质灾害，尤其是矿井的瓦斯、水、应力等灾害，不仅影响煤矿开采的效率，而且极大地影响安全生产。目前，我国煤矿矿井超前探测技术主要有矿井地质雷达探测技术、瑞利波探测技术、电法超前探测技术等。由于受物探仪器自身条件的限制，均未能解决长距离的超前探测问题。地震勘探依据的是岩石的弹性，理论基础是地震波场理论[1]。目前，采用地震勘探的方法能够达到超前探测120 m的距离[2]。由于断层、陷落柱等地质异常构造与周围的接触边界密度与速度存在明显的差异，这为多波多分量地震反射法引入到煤矿井下探测这些异常构造提供了依据[3-5]。在此，本文作者应用煤炭科学研究总院重庆研究院于2007年研制的DTC-150防爆超前探测仪，对不同矿区进行实验研究，阐述该仪器的基本原理、实际操作步骤，分析实验结果，以期为煤矿井下长距离超前探测研究提供参考依据。
1 井下长距离超前探测仪基本理论
地震波是包括纵波和横波的弹性波。多波勘探就是纵波和横波联合勘探。
DTC-150防爆超前探测仪的工作原理采用三分量反射地震方法，3个分量采集地震波。与其他的反射地震方法一样，采用回声测量原理。地震波在指定的震源点用少量炸药激发产生。地震波在煤岩中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面如断层、岩石破碎带、陷落柱等构造)时，一部分地震信号反射回来，另一部分信号折射进入前方介质[6-8]。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。其工作原理如图1所示。
高精度传感器接收到的信号中，只有从巷道掘进面前方和侧面反射回来的信号才包含有关前方岩层的信息。由传播时间可得传播速度vp[9-10]：
已知地震波的传播速度就可以通过测得的反射波传播时间推导出反射面与接收传感器的距离以及与巷道掘进面的距离。根据地震勘探的基本理论，纵波传播速度为：
横波传播速度为：
由纵波速度与横波速度之比可以确定泊松比[3]：
而岩石密度与波速存在一定的对应关系，可以用经验公式求得[5]：
可见，由波速、岩石密度、岩石泊松比可以得出岩石的基本力学参数。
煤炭科学研究总院重庆研究院于2007年生产出适用于煤矿及其他矿山安全要求的地震勘探仪DTC- 150。该仪器防爆类型为矿用本质安全型，可对隧道及矿井工作面掘进过程中隐伏的地质构造进行探测[11-13]；采用触摸控制，操作极为便捷；利用人工可控震源发射，不受金属体电缆干扰。
图1 DTC-150防爆超前探测仪工作原理
Fig.1 DTC-150 anti-explosive detector principle diagram
2 井下探测数据采集与分析
2.1 数据采集工作方法
DTC-150防爆超前探测仪的工作原理采用三分量反射地震方法，与其他的反射地震方法一样，采用回声测量原理。按照井下多次实验以及煤矿安全规程，DTC-150探测仪一般按照以下步骤进行。
a. 设置24个炮眼，炮眼直径约为40 mm，且每2个相邻炮眼之间的距离为1.5 m；每个炮眼深度均为1.5 m；炮眼距离巷道底板的高度为1.5 m。其中距工作面最近的炮眼与工作面之距离不应超过5 m。
b. 为了放置传感器套筒，需另外打1个直径约为50 mm，深度约为2 m的钻孔，此钻孔与底板之间的高度也为1.5 m，且此钻孔距离最近1个炮眼的距离为15~20 m。
c. 在炮眼中放置炸药。首先要保证安全的前提下使用一定剂量(通常50~75 g)的乳化炸药，装药标准要严格按照煤矿放炮标准执行，必须使用电子雷管(最好为顺发雷管)，放炮员要持证上岗。
d. 在放置传感器的钻孔中放入适量的锚固剂，其目的是保证套管与巷道岩石无缝接触，从而保证采集的准确度，再放入传感器套管。应该注意的是，要使套管带凹槽的内壁平行巷道底板。为保护传感器，套管放入钻孔时要保持套管露出钻孔20 cm左右。
e. 将传感器置入套筒之中，然后，通过连接线将传感器与主机操作面板上的一路、二路、三路、四路之中的任何1路相连接；
采集系统连接完成后就可以开机进行数据采集。具体井下工作布置方法见图2。
图2 井下工作布置方法
Fig.2 Layout plans in mine
2.2 数据分析方法
井下采集到的数据通过传输口传到计算机，采用转换软件，把采集数据转换为DTC软件识别的格式。转换中要注意通道的选择与逆序。
转换出来的文件采用专门的数据分析处理软件进行处理[14-15]，共经历波场处理、预报计算、预报结果输出3步。
表1 DTC波速与国际工程岩体质量分级
Table 1 DTC velocity and the international classification quality of rock
2.3 解释原则
DTC-150探测仪是根据异常的形态、特征及地震波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推断解释。一般来说，反射波越强，则前方地质情况与迎头掘进面的差异就越大。对迎头掘进面的地质情况进行推断；另外，地震波衰减对地质情况的判断也有重要影响，因为完整岩石对地震波的吸收相对较小，衰减较慢，当围岩较破碎或含水量较大时，对地震波的吸收较强，衰减较快。
2.4 预报结果
预报结果为岩体纵波和横波速度变化图，岩体物理、力学参数变化曲线以及围岩物性界面反射图。通过分析以上曲线和地质情况可以得出围岩级别、软硬、节理发育程度、富水程度的预报结果。
3 DTC-150探测仪在煤矿中的应用
3.1 DTC-150探测仪在山西西山煤电城底矿的应用
由DTC-150探测仪采集的数据图如图3所示。图3中，反射界面以线条的形式画出，表示在这些位置存在物性反射界面异常。从探测结果看，在探测掘进面前方110 m范围内存在明显的地质异常体界面，即超前探测距离达到110 m。在掘进面前方30，38~58，88和100 m处存在反射界面，其中，在38，58和 100 m处反射界面线条长，极有可能为断层，其他反射界面线条短，推断为破碎带等构造或受其他物性差异界面的影响所致。vp变化范围为2.724~3.416 km/s，平均为2.839 km/s，围岩类型为Ⅴ类，预报结果如表2所示。经掘进验证，在探测面前方60和90 m处存在断层。
图3 城底矿采集数据图与处理结果
Fig.3 Map of data collection and processing results in Chengdi Mine
表2 城底矿地质预报结果
Table 2 Geological forecasting results in Chengdi Mine
3.2 DTC-150探测仪在山西霍州李雅庄矿的应用
由DTC-150探测仪在李雅庄矿采集的数据与处理结果见图4。其中：R表示以隧道中心为准，左、右两侧距隧道中心线的长度。
从图4可见，在探测范围142 m内存在明显的地质异常体界面，即超前探测距离达到142 m。在掘进面前方19，44~55和68 m处存在反射界面。其中，在44~55 m处，反射界面线条长，极有可能为大断层；其他几处反射界面线条短，可推断为破碎带等构造或其他物性差异界面的影响所致。vp变化范围为3.017~ 3.062 km/s，平均为3.040 km/s，围岩类型为Ⅴ类。综合地质情况及其他岩石力学参数分析，预报结果如表3所示。
图4 李雅庄矿采集数据图与处理结果
Fig.4 Map of data collection and processing results in Liyazhuang Mine
表3 李雅庄矿地质预报结果
Table 3 Geological forecasting results in Liyazhuang Mine
经掘进验证，在探测面前方52 m处存在断层。
3.3 DTC-150探测仪在山西大宁矿的应用
由DTC-150探测仪在大宁矿采集的数据及其处理结果见图5。可见，由于雷管延时误差的影响，采集数据的起始时间不一致，增大了探测结果的误差。
从图5可见，在探测范围112 m内存在明显的地质异常体界面，即超前探测距离达到112 m。在掘进面前方16，34~63，94和112 m处存在反射界面。其中，在34~63 m处的反射界面可能是断层、破碎带等构造或其他物性差异界面的影响所致。vp变化范围为3.789~3.849 km/s，平均为3.809 km/s，围岩类型为Ⅴ类。预报结果如表4所示。
图5 大宁矿采集数据图与处理结果
Fig.5 Map of data collection and processing results in Daning Mine
表4 大宁矿地质预报结果
Table 4 Geological forecasting results in Daning Mine
经掘进验证，在探测面前方48 m处存在断层，没有漏报。
4 结 论
a. 在实验的3个矿区内，DTC-150超前预报仪器探测距离都在100 m以上，最大探测距离达到142 m。
b. DTC-150超前预报仪器能够探测掘进面前方断层、围岩裂隙、岩石破碎带以及富水情况，探测结果比较准确。
c. DTC-150超前探测仪探测的结果均为Ⅴ类围岩，与实际探测围岩类型吻合，说明可以采用该仪器获得的波速对围岩进行分类。
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收稿日期：2009-01-10；修回日期：2009-03-20
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2005CB221500)；国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK03B01)
通信作者：梁庆华(1980-)，男，山东日照人，博士研究生，从事地下工程及矿山物探、安全监测研究；电话：023-65239460；E-mail: linqing1110@sina.com
