曹多龙
淮沪煤电公司丁集煤矿地测防治水科，安徽淮南 232140
摘 要:影响矿山井巷工程掘进安全的地质因素较多,其中断层构造、破碎带、软弱层及含水体是最主要的异常体,因此必须能够对此进行超前探测和预报,为井巷掘进提供可靠的技术保障.为保证掘进工作面的安全施工,根据矿井巷道地震波超前探测方法的特点和使用方法,对淮南某矿掘进工作面中断层进行超前探测研究,通过钻探成果、巷道实际揭露资料与地震波超前探测成果进行对比验证，从而得出效果评价。
关键词：地质构造；地震反射波；面波勘探
前言
目前用于超前探测的方法主要有直接钻探法、地震波法、井巷电阻率法、电磁波法等。其中反射地震波法是应用最多的一种方法，具体来说，依据反射波原理超前探测的方法主要有巷道地震剖面系统、巷道垂直地震剖面法、水平声波剖面法、真反射成像法、综合地震成像系统以及陆地声纳法等。
1弹性介质和理论基础
某物体在外力作用下产生形变，当外力去掉之后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小，物体这种特性称为弹性，该介质称之为弹性介质。自然界大部分物质都可以在一定的外力作用下呈现出弹性的性质。
在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分为各向同性和各向异性两类。所有弹性性质和空间方向无关的称之为各向同性介质；反之则为各向异性介质。在矿井地震波 勘探中，人工地震震源是在很短的时间内激发的脉冲式地震波，激发的能量对于探测前方的岩层和接收点处介质所产生的作用力较小，因此可以将它们看作弹性介质，并可以用弹性理论来研究地震波的传播问题。研究表明，大部分岩、煤的机制在地震勘探中都可以看作式各向同性介质，从而可以利用一些基本弹性理论来进行地震波研究。
在矿井地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在岩、煤介质中的传播规律，以探测前方地质构造和岩层的分布等。研究的理论中，通常把岩、煤介质看作各向同性的弹性介质，把地震波看作弹性波 —— 即将不完全符合真实情况的问题简单化。
2 地震波勘探的基本原理
地震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时，遇到不同的波阻抗界面时，在界面处会发生反射，透射（折射）等现象，这些在不同波阻抗界面发生反射、透射（折射）的地震波可被排列于震源附近的检波器所接收，从而形成可用于地震解释的原始数据。
2.1反射波超前探方法原理
浅层反射地震勘探，是利用人工激发的地震波在岩土层中传播时发生的反射现象，采集地震波数据，利用偏移成像技术获取探测空间的二维地震剖面，通过对地震剖面的解译得到目的层位的赋存特征及其它地质条件。根据反射波原理，单道观测系统有相应波路图，且它的时距曲线方程为：
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反之，根据测试波形求取反射相位时间，又可求解探测目标体的距离，即
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，从而进行地质解释。数据处理中的“偏移成像”功能指在给定速度等参数后将地震时间剖面转换成空间剖面一种数据处理技术。它最大限度地将反射同相轴归位到空间反射点上，同时消除了由于倾斜界面、尖灭点等引起的反射相位“偏移”现象，因而有利于地震剖面的解释和应用。
偏移成像是反射波数据处理的关键，采用了绕射扫描叠加偏移（图2-2），可以同时利用运动学（走时）和动力学（幅值、极性等）信息，其图像更直观，能提供岩体力学性质变化和构造组合特征等丰富的资料。首先将要成像的空间范围网格化，任一网格都看作是潜在的反射点。对于其中一个网格
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和一对炮点检波点
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，射线追踪出对应的传播路径
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旅行时间
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，在对应记录道中提取时间
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处的振幅并沿椭圆轨迹放置。反射波的旅行时可表示为：
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通过深度偏移可将巷道震波记录中的反射波从时间域映射到空间域，将来自于巷道前方的反射事件重新归位，实现巷道前方构造形态描述。深度偏移剖面是成像的重要成果图件之一，以此为基础进行巷道前方的构造及其它地质信息的解释。
2.2面波超前勘探方法原理
工程勘查中应用的面波技术为瞬态面波法，是用重锤下落或小炸药量爆炸激发产生面波，取代了激振器，每次激发产生的频率丰富，这样检波器接收的信号中包含各种频率成分。
瞬态面波法，又称表面波频谱分析法。人工激发产生面波后，由垂向检波器接收面波的竖向分量，根据频谱分析，可以得到两信号的自功率谱、互功率谱、传递函数及相干函数；由互功率谱可以得到两信号由于波传播过程中的时间滞后所产生的相位差的关系，即求得实测的频散曲线，再由成层地基动力学理论和反分析法可求得剪切波速度和深度的关系。
多道瞬态面波的数据处理主要流程主要有：预处理、生成频散曲线、模型反演、结果成图四个步骤。
3 具体应用
3.1 概况
某煤矿施工的底抽巷掘进工作面巷道揭露的主要岩性为泥岩、细砂岩、3、1煤、 c31灰岩、 c32灰岩、煤线等。本工程的探测范围为双侧迎头前方150米，设计进行6次探测，测点间距为25米。每次探测解释范围为前方50米，有效控制范围为25米。在宽为5米左右的巷道迎头掌子面上，布置间距为1米的检波器，共6个检波器。为兼顾单点反射和面波勘探，炮点设计在两道检波器之间，共6个震源。采用一发多收的观测系统，检波器的位置不动，逐一放炮。单次激发六道接收，共得到6个共炮点道集。
3.2探测结果
结合对比两种地震勘探反演结果，面波相速度整体速度保持在500m/s左右，反映巷道前方灰岩层位速度较慢。同时，在浅层8米以内，存在低速层，分析为巷道掘进过程中的松散层影响。
3.3 探测结论
超前探测结果表明：在浅层8米以内，存在低速层，分析为巷道掘进过程中的松散层影响；在巷道掘进前方岩体存在两处强反射异常，分别为10-20米和38米左右。10-20米范围内的反射层存在正负相位叠加情况，需特别关注。在38米处存在反射界面，下次探测需关注此处异常。
3.4 巷道实际掘进与超前探测结果对比
根据该巷道东段巷道实际揭露资料巷道实际揭露f11613d-2（∠51°H=1.2m）正断层，同时施工的三个地质前探钻孔对断层均有反应，充分验证了f11613d-2（∠51°H=1.2m）正断层的存在。
该巷道东段巷道实际揭揭露f11613d-2 （∠51°H=1.2m）正断层，地震波超前探测结果显示存在反射界面，下次探测需关注此处异常。超前探测结果与巷道实际掘进揭露误差仅2.3m，探测精度在现有物探方法中属较高水平。
4结论
本次地震波超前探的应用，为探索岩石巷道超前探的新手段、新方法提供了新的尝试。通过分析地质前探钻孔和巷道实际揭露资料，勘探精度在现有物探方法如高精度三维地震勘探、瞬变电磁法、槽波地震勘探等现代化物探方法中属较高水平，对落差在3m以下的断层及灰岩顶板强反射界面均取得了较好的超前探测效果，凸显了物探在地质保障中的重要地位，为矿井安全生产提供了有力的技术保障。