一、 技術(shù)背景1.1 應(yīng)用場(chǎng)景 煤礦巷道是安全生產(chǎn)的咽喉要道，存在長(zhǎng)度大、施工地點(diǎn)多、安全事故多發(fā)等特點(diǎn)。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，巷道前方可能造成安全事故的不良地質(zhì)體，如陷落柱、富水帶、瓦斯富集區(qū)等。巷道事故已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)最主要的威脅之一，嚴(yán)重危害著煤礦的安全生產(chǎn)。因此提前查明掘進(jìn)頭前方的地質(zhì)及流體分布異常情況，可以提前合理規(guī)劃和針對(duì)性治理，可有效減少乃至避免動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。 煤礦掘進(jìn)巷道應(yīng)用的超前探測(cè)方法包括鉆探、電法和傳統(tǒng)地震法（TSP）等。鉆探法雖然能夠直接查清掘進(jìn)面前方的地層巖性、構(gòu)造等，但是設(shè)備笨重，一次有效探測(cè)受限較多，頻繁操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響正常掘進(jìn)。電法主要基于電阻率等巖石電磁屬性分析圍巖的視電阻率，由于發(fā)射電場(chǎng)為空間球形，會(huì)受到巷道側(cè)面地質(zhì)條件、雜散電流及運(yùn)行設(shè)備等干擾，造成較多的虛報(bào)或誤報(bào)，最關(guān)鍵的是每次探測(cè)的距離有限。傳統(tǒng)地震法則是利用炸藥作為震源獲得礦井巷道地質(zhì)異常體位置信息，但是在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，需停止一切生產(chǎn)活動(dòng)，且當(dāng)探測(cè)對(duì)象為高瓦斯礦井里的突出煤層時(shí)，無(wú)法進(jìn)行施工預(yù)測(cè)。萬(wàn)泰煤礦巷道隨掘超前探測(cè)技術(shù)，可以利用綜掘機(jī)或者施工產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行反演探測(cè),避免了使用炸藥等主動(dòng)震源，不影響正常的施工進(jìn)度；且隨著工作面不斷的向前推進(jìn)，可以對(duì)臺(tái)站進(jìn)行向前同步移動(dòng)，使得探測(cè)距離更長(zhǎng)。 二、 技術(shù)方案煤礦巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生非常多的地震波信號(hào)，包含了豐富的構(gòu)造、瓦斯包等信息。基于地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，通過(guò)建立不良地質(zhì)體（構(gòu)造、瓦斯包等）與煤層巷道掘進(jìn)過(guò)程中地震波信號(hào)之間的地球物理特征響應(yīng)規(guī)律，分析、研究綜掘機(jī)切割煤巖體過(guò)程中剪切作業(yè)產(chǎn)生的地震回波信號(hào)特征，繼而進(jìn)行煤層巷道迎頭超前探測(cè)。煤層巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，綜掘機(jī)切割煤體會(huì)產(chǎn)生剪切作用，形成沿著巷道軸線方向傳播的P波、垂直于巷道軸線方向的SV波、SH波。綜掘機(jī)剪切作用形成的P波、SV波、SH波會(huì)沿著煤層向巷道迎頭前方傳播，當(dāng)遇見地質(zhì)異常體時(shí)，由于地震波阻抗存在差異，會(huì)形成地震回波（散射波）。因此，可以將綜掘機(jī)切割煤體所產(chǎn)生的地震回波信號(hào)作為巷道隨掘超前探測(cè)的震源激發(fā)信號(hào)，通過(guò)布設(shè)陣列式地震檢波器，并實(shí)時(shí)記錄隨采地震波形，分析地震波的旅行時(shí)間、振幅、相位和頻率，基于相關(guān)干涉理論，進(jìn)行反演探測(cè)。 萬(wàn)泰煤礦巷道隨掘超前探測(cè)技術(shù)使用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的散射波疊加成像算法，該技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面關(guān)于散射波信號(hào)的提取除了常規(guī)的各個(gè)接收道與震源道進(jìn)行互相關(guān)處理之外，更重要的是利用了連續(xù)信號(hào)的無(wú)限時(shí)長(zhǎng)，且根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律以及有效信號(hào)的可重復(fù)性，通過(guò)多次疊加原理大大地提高了原始地震資料的信噪比及反演結(jié)果準(zhǔn)確度。利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)，進(jìn)行巷道迎頭前方三維地質(zhì)成像，如圖2-1所示。  三、 實(shí)施方案煤礦巷道隨掘超前探測(cè)系統(tǒng)硬件主要括高精度地震檢波器（圖3-1）和數(shù)據(jù)采集儀（圖3-2）：高精度地震檢波器用于記錄震動(dòng)信號(hào)，作用非常關(guān)鍵，是整個(gè)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部件；數(shù)據(jù)采集儀處理后的波形信號(hào)的質(zhì)量會(huì)直接影響后期的處理結(jié)果，是整個(gè)系統(tǒng)的最重要部件，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集儀具有高分辨率、高采樣率、高觸發(fā)精度以及低本底噪音等特性。通過(guò)布設(shè)在巷道內(nèi)的高精度地震檢波器接收開挖過(guò)程中煤體微破裂產(chǎn)生事件所釋放的能量波，將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)通訊電纜（防阻燃帶屏蔽層）傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀的精細(xì)化處理，得到準(zhǔn)確可靠的探測(cè)數(shù)據(jù)。 
3.2  煤礦巷道隨掘超前探測(cè)系統(tǒng)軟件 萬(wàn)泰地球物理煤礦巷道隨掘超前探測(cè)系統(tǒng)軟件，集數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與成像為一體的產(chǎn)品，具有技術(shù)先進(jìn)、定位精度高、系統(tǒng)布置快速靈活、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)支持及時(shí)有效等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將數(shù)據(jù)采集儀處理后的探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到本軟件系統(tǒng)中，對(duì)波形進(jìn)行截取、濾波、陷波和噪聲過(guò)濾等操作，選取有效數(shù)據(jù)對(duì)巷道迎頭前方進(jìn)行反演，通過(guò)觀察反演后的結(jié)果，確定前方異常體類型、空間分布等信息，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供服務(wù)。 
3.3 施工方案 現(xiàn)場(chǎng)采用直線式的檢波器布設(shè)方式，檢波器間距宜為6m左右，檢波器不宜少于8個(gè)，依次編號(hào)做好標(biāo)記S1-S8，首個(gè)檢波器距離工作面間距宜為20m，整個(gè)探測(cè)裝置隨著巷道工作面不斷向前推進(jìn)而交替前移。每個(gè)檢波器均應(yīng)能接收到震動(dòng)信號(hào)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石的完整性設(shè)置采樣頻率。檢波器應(yīng)安裝于巷道鉆孔內(nèi)，鉆孔深度應(yīng)保持一致，以保證檢波器的順利安裝及高質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集，在檢波器孔附近用掛牌標(biāo)注檢波器孔號(hào)。 采集儀應(yīng)布置于檢波器鋪設(shè)線狀中心點(diǎn)，便于后期的交替前移，檢波器電纜沿接收點(diǎn)鋪設(shè)并與采集端連接，如圖3-5所示。 
本系統(tǒng)實(shí)施流程如圖3-6所示。 
四、項(xiàng)目效益有效減少煤礦巷道事故的發(fā)生，保障煤礦安全生產(chǎn)，煤礦巷道超前探測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵。安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司研發(fā)的煤礦巷道隨掘超前探測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤礦工作面前方異常地質(zhì)體（陷落柱、富水帶、瓦斯富集區(qū)等）的空間分布情況，量化其對(duì)煤礦的危險(xiǎn)程度，減少盲目性投入，做到有的放矢。本系統(tǒng)不但在同等面積區(qū)域的地質(zhì)探測(cè)上，相比較于三維地震勘探等常規(guī)探測(cè)方法，可為礦山節(jié)省大量探測(cè)成本，而且可以24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，對(duì)前方的地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)為煤礦提供了一種新的“綠色”經(jīng)濟(jì)有效思路，能夠高效、快速、準(zhǔn)確的量化工作面前方未知地質(zhì)體的空間分布，為煤礦安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。 五、案例展示5.1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況淮北礦業(yè)集團(tuán)巷道采用綜掘機(jī)進(jìn)行開挖作業(yè)，煤層巷道隨掘超前探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)裝置布設(shè)如圖5-1所示。在煤層工作面掘進(jìn)巷迎頭后方布設(shè)一套12通道地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，外接12支地震檢波器，編號(hào)S1-S12，道間距3m，布設(shè)于巷道工作面煤層壁幫。由于巷道隨掘過(guò)程中迎頭后方10m之內(nèi)安全性較差、10-20m之內(nèi)煤灰較大。因此，迎頭后方第一支地震檢波器S1根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境布設(shè)在迎頭后方10-20m范圍內(nèi)，迎頭每推進(jìn)20m，最后一支地震檢波器S12往前移動(dòng)72m，距離最新巷道迎頭10-20m，整個(gè)探測(cè)裝置隨著巷道迎頭前進(jìn)而交替前移。地震檢波器安裝鉆孔深度3m，俯角孔3°，如圖5-1所示。 
5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果該煤礦進(jìn)行超前探測(cè)測(cè)試時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集原始波形曲線進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，相關(guān)干涉及反演成像，圖5-3、圖5-4為反演分析二維成果切片圖、圖5-5為反演分析成果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道剖面成圖。 
根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作面地質(zhì)情況以及巷道隨掘超前探測(cè)三維成像結(jié)果綜合分析：工作面前方100m范圍內(nèi)：探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)迎頭前方存在反射異常，距離迎頭距離為26m，長(zhǎng)度在3m左右，綜合分析認(rèn)為該區(qū)段內(nèi)是煤層節(jié)理裂隙發(fā)育引起異常反射。后期開挖后實(shí)際異常體位置與探測(cè)的位置相符，為煤礦安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。 |
