MSP超前探测技术在口孜东煤矿巷道超前探测中的应用

刘飞

中煤新集能源股份有限公司口孜东矿地测科 安徽淮南 236153

1 MSP地震波超前探测技术现状与研究意义

随着煤炭资源的日益紧张，大采深、构造复杂、矿井地压大等问题的矿井越来越多，不仅对煤矿生产效率大大影响，且由于不可控的地质因素的增多，严重影响和制约了矿井的安全有序生产和人的生命和财产安全。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[1]。但是由于受设备自身设计上的缺陷，无法进行长距离的超前探测。在这种情况下，MSP地震波反射超前探测技术则体现了其本身所具有的探测距离远，资料准确度高的特点。可极大的保障井下工作人员的人生安全，具有极大的社会价和社会效益。

2 MSP地震波超前探测技术工作原理

2.1 MSP技术的基本原理

MSP地震波超前探测技术，是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行巷道成直线排列，由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、断裂破碎界面、溶洞、暗河、岩溶陷落柱以及淤泥带等不良界面时，将产生反射波。

2.2 MSP的系统构成

MSP系统主要由记录单元、接收单元和激发单元三部分组成，其中记录单元基于Windows平台，12通道，18位的A/D，最大记录长度为14468样点，采样间隔为62.5μs和125μs，动态范围为100dB，其激发点布置在巷道侧帮（如图中所示爆炸孔）；接收单元为三分量坐标系统，灵敏度为1000mV/g±5%，0.5-5000HZ频率范围，横向灵敏度＞1%，工作环境温度0℃-65℃；激发单元输入电压在240～2400V之间，输出电压在0.5～5V之间，其布置在巷道侧帮，高度为腰线位置。

2.3 数据采集

2.3.1 MSP采集系统的组成

MSP现场数据采集系统主要以矿井地质探测仪KDZ1114-3为中心，配以三分量孔中贴壁式传感器及相关附件组成，包括KZDK1114-3主机、信号大线、启动线、启动延长线、三分量传感器、传感器延长管、专用传感器孔钻头、充气筒、铁锤、锤垫、以及皮尺、罗盘以及粉笔等。

2.3.2 MSP现场数据采集方法及步骤

为保证数据采集的质量，MSP井下现场数据采集时必须按规定的流程操作，主要流程有目标明确、环境调查、方案设计、检查仪器、数据采集、资料上传、数据解释以及编制报告。

（1）目标明确：重点确定探测的时间，地点，探查的目的；

（2）环境调查：对巷道现场条件提前调查，以查明巷道内是否满足施工条件；

（3）方案设计：对已探查的巷道在平面图上进行设计，确定三分量钻孔的位置，采集的道数和施工的距离，并在图上标注清楚；

（4）检查仪器：采集数据前提前对设备仪器认真检查，确认仪器在充满电的情况下可以正常使用，工具完好，避免线路有连接不实或者有破损的情况。另外井下作业前应在地面进行模拟实验，查看仪器的工作状态，保证能够顺利完成井下作业；

（5）数据采集：收集数据时，先采集一组或多组数据作为实验，把仪器性能调试到最佳状态，从而保证原始波形采集的完整，有效。仪器调试完毕后，按照设计顺序在帮壁依次锤击，正常采集数据，直至现场采集工作完成；

（6）资料上传：数据采集完毕，仪器与地面主机相连接，将原始数据上传至指定的文件盘内，整理保存，再采用配套的MSP处理软件系统处理成图；

（7）数据解释：数据处理完毕，得到深度偏移成像图一张，分析图中所反映的异常反射界面，异常（煤岩层分界面、穿层影响）或恶性异常（地质构造、断层、陷落柱等），结合地质资料以及原始数据给与解释，定位；

（8）成果报告：根据分析的异常界面进行编制物探报告，详细的将探测目的、工作思路、采集方法、作业流程和最终结果解释清楚。

3 实施情况与效果

3.1 数据采集

口孜东矿111301工作面机巷过DF14断层超前MSP探查

3.2 MSP探测：截至2013年6月21日早班，111301工作面机巷已施工至Y31测点东40.5m位置，该巷道将揭露DF14断层。为进一步探查巷道前方的地质构造情况以及DF14断层的位置，国投新集公司物探队利用MSP技术对迎头前方进行了超前探测。结合111301工作面机巷现场实际情况，探测测线布置在巷道右帮，锤点19个，接收传感器点2个即C1、C2，锤点布置在右帮，锤间距略大于或小于1m，其中两传感器之间间距为1.65m，C1传感器距离P1号锤点0.85m。具体情况见图1。

图1 MSP超前探测测线布置图

本次探测共完成114道有效数据物理点数。通过MSP数据处理，本次探测有效距离为80m，中已揭露区20m，未揭露区60m，具体探测成果见下图2。

通过探测在巷道前方发现了R1、R2两处异常反射界面，其中R1界面位于迎头前方46m位置（即Y31测点东86.5m），R2界面位于迎头前方57m位置（即Y31测点东97.5m）。结合地质资料分析，R1界面可能为DF14断层影响所致，R2界面为DF14断层次生断层或断层破碎带影响范围。

图2 MSP超前探测纵波界面提取图

3.3 现场实揭：根据后期实际揭露的地质资料，111301工作面机巷在施工至Y31测点东95m位置揭露了断层DF14 105°∠70°H=5m，在Y31测点东104m位置揭露了DF14断层的分支断层DF14-1 122°∠70°H=6m，实际断层揭露的位置与探测的R1、R2界面位置分别差了9m、7m，实际与预测基本符合。

4 存在的问题

本文就MSP地震波超前探测技术在口孜东煤矿井下的实际应用情况进行了重点的分析，同时也研究了地震波的超前探测技术的工作原理、数据搜集和数据体解释等方面的内容，经过解释的数据体和巷道实际揭露的地质资料相互对比验证，也发现了该项技术存在的一些不足，需要进一步研究和改良。

（1）该项技术对井下现场作业条件要求相对较高，如迎头不能有铁器，帮部必须要锚喷到位，迎头必须停电，迎头位置顶板及围岩条件必须较好，如果现场条件较差，往往会出现无法采集到数据或者采集到的数据品质较差。

（2）解释的成果资料交模糊，对可能存在的构造区域不能准确的给予解释，只能做一个大概的阐述。

（3）硬件设备有待进一步的完善，现场操作过程中相关的设备仪器较多，往往需要3～4个人仪器操作，不利于在小空间范围内进行作业。

（4）由于技术的制约，该项技术的探测精度随着探测距离的加大而误差也随之增大。