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第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining, Jincheng 048012, China Abstract The mine distributed seismic advance detection system is a set of equipment for detecting the heading geological structure of the mine tunnel. The system is based on the seismic reflection theory. The geologic anomaly is determined by the distributed geophones or the distributed excitation of the source. In order to improve the pre- diction and prediction accuracy of the structure during coal mining, the distributed observation system and the hole capsule detectors are used for data acquisition to improve the sensitivity of the equipment, the negative apparent velocity principle is used to exclude the interference of the lateral and rear geological anomalies, and diffraction common offset algorithm is used to optimize data inversion results. After a large number of tests and practice, it is concluded that the system can effectively detect geological anomaly ination within 70 meter in front by using artificial hammer source and within the range of 150–200 m in front by explosive source. The research results show that the mine distributed seismic advance detection system achieves the accuracy and efficiency of geological structure detection in the mining process through hardware-to-software optimization. Keywords distributed earthquake; advance detection system; capsule detector; negative apparent velocity; diffrac- tion common offset 近年来，电子科技、重型装备、控制系统都取 得了较大突破，为我国煤炭开采走向数字化和智能 化起到了推动作用，但要真正实现智能化开采，首 先要解决地质构造透明化的问题。地质构造透明化 就是对采掘工作面影响生产的地质构造提前查清、 查明，规划好采掘前的预防措施，而矿井物探方法 是查清、查明地质构造的主要方法之一。矿井物探 技术通过近几十年的发展，逐步形成了电磁法、电 法、震法、放射源法等常用的几种方法，实践应用 证明地震法为探测地质构造的最佳方法。 第 2 期 窦文武等 矿井分布式地震超前探测系统研究与应用 229 矿井地质构造探测主要分为掘进工作面探测和 回采工作面探测，主要探测手段有地震槽波探测技 术、地质雷达探测技术、无线电波透视技术和震波 反射探测技术。众多专家学者应用槽波透射、反射 或者透反射联合探测方法对回采工作面内存在的地 质构造进行研究[1-4]，进一步推动矿井对小型构造的 预测预报技术；贾茜等[5]、左汪会[6]分析了无线电波 透视技术对回采工作面内小构造的探测优缺点和优 化方法，进一步研究了探测陷落柱的方法。有不少 学者在巷道超前探测方面进行了研究，郭来功等[7] 在巷道掘进过程中应用震波超前探测到 1.5 m 断距 的断层，但没有明确整体应用的准确率情况；覃思 等[8]运用井地联合地震超前探测巷道前方地质异常 体，效果明显，但施工复杂；程裕斌[9]利用地震法 探测矿井构造并有效地进行瓦斯涌出危险分析，为 超前探测应用起到示范性作用；胡运兵[10]系统描述 震波超前探系统，并对锤击震源和炸药震源不同特 征进行了对比，选择炸药震源作为研究对象进行了 案例分析；刘盛东[11]采用巷道多次覆盖的观测系统 采集地震数据，利用波场矢量合成与分解、横向偏 移叠加等处理技术对掘进巷道前方 150 m 范围内断 层等地质异常体进行有效的超前探测。 通过查阅资料和市场调研发现，巷道超前探测构 造的方法主要有两种，一种是隧道地震预测预报系统 简称 TSP，是将检波器布置在隧道侧帮，在侧帮以 炸药作为激发震源进行数据采集[12-14]；另一种是矿用 单点地震法，是将检波器布置在掘进工作面，用锤击 产生激发震源，该方法未能在煤矿巷道超前探测推广 应用， 主要是因为探测准确率偏低和现场实用性较差。 笔者结合 TSP 探测技术、 矿用单点地震法和煤矿现场 实际情况，基于地震波反射理论，通过优化设备的检 波器和采集软件，采用多点分布式接收方法提高煤矿 采掘过程中构造的预测预报精度和现场实用性。 1 分布式地震超前探测原理 分布式地震超前探测Distributed Seismic Advance Detection，简称 DSAD技术，基于地震反射原理，将 多个检波器或震源点呈线性排列，有规则地接收或激 发地震信号，利用地震反射波在煤系中传播的特征来 辨别掘进巷道前方断层、 软弱夹层等不良地质体。 “分 布式”一词来源于计算机领域， 它把一个巨大的复杂的 问题分成许多小的部分，然后把这些小部分安排给若 干独立计算机进行处理，最后把这些分散的结果综合 起来得到最终结果。分布式地震超前探测主要指将复 杂地质构造探查数据用多个不同方位的检波器来采集 处理，或用多个不同方位的震源来激发地震数据，综 合分析来自不同方位的数据得出最终结果。 1.1 负视速度特征 由于震波的全空间效应、 煤系地层的不均一性和施 工空间的局限性，导致矿井煤系地层空间弹性波场具有 一定的复杂性[15]，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。为了分辨地质异常体位于 巷道前方、后方或侧帮，对比普通地震超前探测和分布 式超前探测的数据，发现普通地震超前探测对前方、后 方和侧帮方向的异常没有明显区分，而分布式地震超前 探测系统对前方异常呈现负视速度[16]，因此，分布式地 震超前探测系统更适合掘进巷道超前探测。 如图 1a 所示，F1 为已掘巷道后方的断层，F2 为巷道侧帮断层，F3 为巷道前方断层，红色圆圈点 为激发点，蓝色长条为检波器。 图 1 矿井分布式地震超前探示意图 Fig.1 Schematic distributed sersminc advamce detectionDSAD 不同波的视速度记为 ,1, dir ,1, ii j ii j XX v tt    1 ,F1,F F ,F1,F iij k iij XX v tt    2 式中Xi,j为激发点到检波点的距离，i,j1,2,,i 代 表检波器编号，j 代表激发点编号；ti,j为检波器 i 采 集到激发点 j 激发的信号时间，i,j 1,2,3,；vdir为 直达波视速度； vFk为震波信号经过断层 Fk反射到检 波器的视速度； Xi,Fj为第 j 号激发点的震波信号经过 230 煤田地质与勘探 第 48 卷 断层反射到检波器 i 的距离；ti,Fj为第 j 号激发点震 波信号经过断层反射到检波器 i 的时间。通过计算 可知 vF3的值为负，故称负视速度，一般与直达波的 斜率相反；如图 1b 所示，后方的断层 F1 的波形和 直达波图形倾向基本一致， 侧帮 F2 的波形呈一定曲 线，F3 的波形倾向与直达波方向相反。 1.2 分布式地震观测系统 观测系统是指设备采集信号接收点与发射点之 间的几何关系， 不同的排列组合会产生不同的接收效 果。 分布式地震观测系统按检波器布置位置分为前置 观测系统、后置观测系统和不规则观测系统 3 类。 a. 前置观测系统 前置观测系统是将检波器安 置在距离掘进工作面较近的侧帮位置，第 1 道检波器 一般距离工作面 12 m。 在煤帮中线呈直线布置检波 器和震源点，震源点布置在检波器后方。如图 2a 所 示，G1、G2 为检波器，S1,S2,,S10 为震源点，G0 为 G1 关于断层 F1 的对称点，由图可知，S1,S2,, S10 距 G1 的距离由大变小，S1,S2,,S10 经断层反 射后到达 G1 的距离等于到达 G0 的距离， 也是由大 变小。采集到的波形记录如图 2b 所示，当地质条件 复杂或受顶底板岩层界面反射影响时容易造成误 判，此时检波器前置需要做出适当调整。 图2 检波器前置示意图 Fig.2 Front view of geophones b. 后置观测系统 后置观测系统是将检波器安 放在距离掘进工作面较远端， 震源点位置从工作面附 近开始记录，第 1 炮锤一般距离工作面 12 m。在 煤帮中线呈直线布置检波器和震源点， 检波器布置在 震源点后方，如图 3a 所示，G1、G2 为检波器，S1， S2，，S10 为震源点，G0 为 G1 关于断层 F1 的对 称点，由图 3 可知，S1,S2,,S10 距 G1 的距离由大 变小，S1,S2,,S10 经断层反射后到达 G1 的距离等 于到达 G0 的距离，由小变大。采集到的波形记录如 图 3b 所示。同理，可采用多个检波器和少量震源， 需将检波器和震源位置调换，变为检波器前置系统。 图 3 检波器后置示意图 Fig.3 Rear view of geophones c. 不规则观测系统 不规则观测系统是由前 置和后置观测系统组合的观测系统，也有后置观测 系统和单点地震组合的观测系统，还有两帮同时后 置或是前置的观测系统，类型较多，根据现场和探 测目的进行有效组合，形成一套合适的探测方案。 不规则观测系统主要是一个工程前期做试验时进行 对比的布置方式，主要为了减少试验次数，一次采 集多种观测系统的数据，后期经过反演总结出最佳 的探采观测系统。 2 矿用分布式地震超前探测系统 DSAD 系统主要是用于煤矿巷道超前探测地质 构造，因此，设计时需要考虑其轻便、简易、防尘、 防水、防爆、防摔等特性。另外，为了采集到高质 量的数据，并适应现场灵活多变性，设计并采用了 胶囊式检波器、插针式数据线、双操控系统和双激 发系统。 2.1 硬件系统 采集仪器主要包括主机、采集站、检波器、数 据传输线、震源激发器 5 部分。 第 2 期 窦文武等 矿井分布式地震超前探测系统研究与应用 231 a. 主机 Windows 操作系统，设备外观简洁， 为了防止现场出现操作系统失灵现象，设计成具有 触摸屏和键盘双控制操作平台，留设有 USB、充电 和连接采集站的专用接口，内存 4 G，硬盘 128 G， CPU 采用英特尔凌动 1.83 GHz，电池为 4 Ah 锂电 池，整机质量小于 4.5 kg。 b. 采集站 每个采集站 2 个信道， AD 转换器 采用 24 位，Δ-Σ 技术，输入电压范围为 2.8 V，输 入阻抗为 20 kΩ，采样率为 125、250、500 Hz 与 1、 2、4、8、16、32、48 kHz 可调，瞬时动态范围不 小于 120 dB，共模抑制比不小于 100 dB，全谐波畸 变小于 0.000 8。 c. 检波器 为了确保采集高质量信号，采用互 为垂直的双分量水平胶囊式检波器， 直径为 55 mm， 施工时在煤壁施工孔径 57 mm、 孔深 2 m 的检波孔， 穿过煤壁的松动圈，将检波器塞进去，通过充气后， 使检波器与煤壁耦合充分。 d. 数据传输线 双芯电缆， 外皮具有极高的绝 缘性和弹性。为了适应不同观测系统，采用插针式 连接，便于不同距离的连接和增减。 e. 震源激发器 为了多用途探测，设计有短路 触发和感应触发。短路触发主要用于锤击系统，在 铜锤的一端装有较高灵敏度的短路触发器，在锤击 瞬间触发主机采集数据；感应触发主要用于炸药震 源，当电流通过触发器时激发主机采集数据。 2.2 软件系统 软件系统主要包括采集软件和反演软件，采集 软件主要安装在主机中，用于控制采集系统，具备 控制、浏览、存储、检测功能；反演软件主要安装 在室内的电脑中，用于后期数据处理、校正、分析 和成图。整体框架如图 4 所示。 图 4 矿用分布式地震软件系统框架图 Fig.4 Mine distributed seismic software system framework diagram 采集软件中的控制功能具有识别采集站功能， 通过在控制菜单中输入采集站的识别码，显示各采 集站运行情况，同时控制采集过程中数据的激发和 接收；检测功能是用来检测分布式系统的电量、噪 声、连接状态等信息；浏览功能主要用于现场已采 集数据的查看和检查；存储功能主要是保存数据， 具备一次采集多盘自动保存。反演软件中数据处理 主要是将原始数据进行简单编辑、筛选、坐标构建； 数据校正主要是对延迟时间、道间、道内差别的校 正；数据分析是系统核心，为了区分不同方向、不 同特征的异常，主要运用震波反演的波场分离、能 量均衡、速度分析等算法，采用负视速度理论结合 观测系统扫描出前方的地质异常区域；数据成图主 要通过绕射共偏移反演算法显示出异常的位置，调 用了强大 Surfer 成图软件，将分析的异常区域用图 形显示出来。 3 实测案例与分析 选用空巷和断层典型案例对 DSAD 系统整体效 果进行分析验证。 3.1 空巷探测 2019 年 4 月晋煤集团海天煤业进入 3 号煤老窑 采空区附近，由于矿井整体涌水量较小，采用瞬变 电磁法探测效果不明显， 为防止无计划揭露采空区， 选用 DSAD 系统进行超前探测。 观测系统采用检波器左侧帮后置布置图 5a， 道间距 2 m，炮间距 1 m，炮检距 5 m，由于矿井 不方便使用炸药震源，故选取锤击震源进行探 测。原始震波信号如图 5b 所示，150 ms 内信号 稳定，之后信号明显减弱，斜线为直达波初至时 间连线，有效信号 200 ms 后，可保证 70 m 的有 效探测距离。 经滤波、 负视速度提取后的波形记录如图 5c 所 示，蓝色斜线为异常界面的负视速度时间轴。应用 绕射共偏移反演得出探测成果剖面，如图 5d 所示， 不同颜色表示震波的反射信号强弱，在距掘进工作 面约 40 m坐标轴 60 m附近有明显的强反射信号， 推测为空巷及周边破碎区域的反映特征。 后经钻探， 在掘进工作面前 38 m 处卡钻，但未发现涌水现象。 经掘进揭露，距探测位置 40 m 附近揭露老窑空巷， 煤层塌陷，破碎严重。 3.2 断层探测 晋城寺河矿属于高瓦斯矿井，为防止煤与瓦斯 突出，需要提前预测预报小型构造。针对该矿多条 巷道开展连续探测试验，试验期间既采用了锤击震 源又采用了炸药震源，通过原始数据观察和揭露验 证，发现炸药震源有效探测达到 150 m。 232 煤田地质与勘探 第 48 卷 某次试验采用检波器前置观测系统，检波器和 激发点同时布置在巷道右帮，采用炸药震源。为了 减少现场施工时间，设计炸药激发点 2 个，如图 6a 所示，炮间距 20 m，第 1 激发点 S1 距 G8 检波器 20 m；检波器设计 8 个，为 G1G8，道间距 1.5 m。 观测系统坐标以掘进工作面中点为原点，巷道掘井 方向为 X 轴正方向，垂直 X 轴的巷道左侧帮为 Y 轴 图 5 DSAD 空巷探测分析 Fig.5 Analysis of DSAD for empty lane detection 正方向，默认煤层为一水平面。采集的原始信号如 图 6b 所示，有效波信号 360 ms，在 120 ms 前高频 信号干扰较强。 通过对直达波初至时间分析，确定煤层传播速 度为 2 m/ms，作为后期成果分析的值；再通过震波 叠加偏移分析和反射界面识别分析， 生成反演结果， 如图 6c 所示，不同色标代表能量系数大小，其中蓝 色为最强波谷能量系数， 红色为最强波峰能量系数。 由图 6c 可知，在距探测工作面约 30 m 附近有明显 的强反射信号，推测为小型断层的反映特征。后经 掘进揭露， 距探测位置 32 m 处揭露断距为 3 m 的断 层，不含水，周边煤层破碎。 图 6 DSAD 断层探测实例分析 Fig.6 Analysis of DSAD for fault detection 3.3 实践分析 需要根据不同的探测现场和目标，设计合理的 观测系统，并选取合适的激发震源。震源一般选取 锤击，具有施工便利、用时较少、近距离信号稳定、 检波器用量少的优点，有效超前探测可达 70 m；锤 击和炸药两种震源相结合探测，超前探测可达 150200 m，锤击震源数据用来解释近距离异常信 第 2 期 窦文武等 矿井分布式地震超前探测系统研究与应用 233 息，炸药震源数据用来解释远端异常信息，炸药量 选取50200 g， 激发24次， 最经济合理。 由于DSAD 系统是基于地震波理论进行探测，在软煤区、破碎 区域、复采巷道中难以接收到良好地震波信号，因 此，在这些情况下效果不佳；另外，由于系统是将 检波器和震源布置在巷道侧帮施工，因此，巷道开 口处也不适合使用该方法探测。 4 结 论 a. 选用胶囊式检波器、插针式数据线、双操控 系统和双激发系统提高了数据采集质量，并能够适 应现场的灵活多变性；应用负视速度反演技术来减 弱侧帮和后方地质异常的干扰，凸显前方异常，提 高了探测精度；选用检波器后置观测系统和锤击震 源对煤矿井下巷道超前预测预报小构造、采空区等 地质异常体更具有便捷性和准确性。 b. DSAD 系统采用人工锤击震源适合近距离 超前探测，炸药震源适合远距离探测；锤击震源 能量较弱，远端信号较弱，但近距离信号稳定， 适合探测 70 m 范围内的地质信息；炸药震源能量 较强，探测距离较远，适合探测 70 m 范围外的地 质信息。 c. DSAD 系统在探测巷道掘进过程中工作面前 方异常体的位置有较好的应用效果；但在软煤区、 破碎区、复采巷道中应用效果不佳。另外，由于受 巷道施工环境的空间限制，在探测异常体大小方面 还有待进一步研究。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王季. 反射槽波探测采空巷道的实验与方法[J]. 煤炭学报， 2015，4081879–1885. WANG Ji. Experiment and of void roadway detection using reflected in-seam wave[J]. Journal of China Coal Society， 2015，4081879–1885. [2] 段毅，许献磊. 地质雷达超前探测在常村煤矿的应用研究[J]. 中国矿业，2017，268150–153. DUAN Yi，XU Xianlei. Advanced detection application by using geological radar in Changcun coal mine[J]. China Mining Maga- zine，2017，268150–153. [3] 段天柱. 透射槽波层析成像在煤矿工作面隐伏构造探测中的 应用[J]. 矿业安全与环保，2018，45268–71. DUAN Tianzhu. Application of tomography in transmission channel wave to detect concealed structures in working face[J]. Mining Safety Environmental Protection， 2018， 452 68–71. [4] 赵朋朋. 槽波透射与反射联合勘探在小构造探测中的应用[J]. 煤炭工程，2017，49547–50. ZHAO Pengpeng. 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