各个地质对象的物性特征各不相同.岩体的完整程度与构造特性及其破碎状态等在弹性波速与力学性质上表现有差异，而其含水性主要表现在电导率以及介电常数等电磁特性的差异上(杜兴忠等，2008).各种物探方法都无法同时反映这两种物性变化.地震探测方法主要是采用人工的方法激发弹性波，通过其反射波特征对巷道前方的围岩岩性及结构构造等进行预报分析，探测距离可以超过100 m.目前已经形成了几种不同的专门技术，主要有负视速度法、陆地声纳法、瑞雷波方法、水平剖面法(HSP)，TSP、TRT、TGP和TST等预报技术.地震探测方法对断裂破碎带等构造的预报比较准确，但是对岩体的含水性却不甚敏感，因而漏报突水事件的现象时有发生(陈相府等，2005；石明等，2006；于景邨等，2007).而地质雷达、高密度电法和瞬变电磁等电磁方法则对含水带、破碎带有较高的识别能力，但是地质雷达在理想条件下的的探测距离在20~30 m以内; 而高密度电法则主要通过探测围岩的电阻率分布来预测预报富水地段，但受体积效应和巷道施工长度的影响; 瞬变电磁法对含水破碎带构造反应灵敏，但是矿井条件下“晚期”和“纯异常场”的应用前提极难满足.因此，如果想取得比较准确的预报结果，必须运用综合物探方法，建立先进的技术方法系统，并通过综合解释，才能提高超前预报的可靠性.

本文在分析研究超前探测与预报技术现状的基础上，开发了适用于煤矿井下巷道的巷道超前探测的弹性波方法，即3D全空间弹性波超前探测方法与技术、硬件和软件系统.并通过现场应用的对比分析，说明了本探测系统的先进性和应用前景.

1 目前超前探测与预报技术存在的问题

1.1 对巷道超前探测弹性波传播规律的认识有待深入

国内开展超前探测技术应用研究多，方法理论研究成果相对偏少(唐建伟等，2008).目前超前探测应用最多的是TSP系统，而TRT和ISIS方法近年鲜见应用文章.应该说我国是最早开展隧道超前探测研究的国家之一，但对超前弹性波探测技术原理开展的研究很少，特别是对巷道复杂介质条件下弹性波的传播规律以及最佳数据采集与处理技术的研究不够深入、全面. 1.2 针对巷道地质条件的弹性波数据采集不足

巷道超前探测空间有限，必须结合现场条件，因地制宜、全面有效地收集全空间波场信息.从目前国内外应用的各种巷道弹性波超前预报方法来看，技术本身的区别主要在观测方式和资料处理方式上.观测布置的方式上有点状布置、二维布置和空间布置等多种形式，总体上空间布置的观测系统比直线布置能有效收集来自不同界面特征的异常体信息，对提高地质体的定位精度和岩体工程类别划分的可靠性有很大帮助.但现有的空间布置为非任意炮检对类型，不利于现场条件差的巷道开展超前探测.这种探测系统布置带有一定的人为性、盲目性，在前方地质构造未知情况下进行单边放炮或固定平面式二维采集系统布置，不能有效接收来自不同地质界面的反射波信息，致使反演或成像结果精度降低.

1.3 矿山巷道地质条件的特殊性需进一步研究

与地铁、交通隧道等相对单一围岩地质条件不同，矿山巷道掘进面临的是更为特殊的地质条件(Cardarelli E et al．，2003；胡雄武等，2010；强建科等，2010；张军等，2012；杨思通等，2012).由于煤层是一种密度较低、软弱的层状介质，其上下为相对坚硬的顶、底板岩层，故所激发地震波在传播过程中具有导波性质，其地球物理条件相对复杂.在煤层顶、底板岩层界面强反射的影响下，往往很难对前方有效反射信号进行识别，因此对地震反射波的后续处理更为重要.

2 新型巷道超前探测系统研制

基于上述问题，急需构建一套弹性波超前探测硬软件系统，提高对巷道掘进过程中各种地质条件探测与预报的准确率.系统实现的技术路线如图 1所示.本系统功能模块主要包括：反射波法激发与接收系统、巷道多波勘探观测系统、数据处理方法与解释系统等.系统研制设计主要包括硬件研制设计与软件研制设计.根据巷道弹性波的特点以及巷道超前探测施工性质，要求测试仪器具有频率范围广、动态范围大等技术要求.如图 2为弹性波超前探测采集系统电气结构框图.

整个处理系统的关键技术是对巷道干扰波的滤波处理、波场分离、速度分析、偏移成像和结果可视化等几个部分内容.图 3为巷道超前反射波成像数据处理系统流程图.

图 1

Fig. 1

图 1 弹性波超前探测硬软件系统技术路线图 Fig. 1 chart of the hardware and software system of the advanced elastic detection technology

图 2

Fig. 2

图 2 超前探测数据采集系统电气结构框图 Fig. 2 Advanced detection data acquisition system of electrical structure

图 3

Fig. 3

图 3 巷道超前弹性波成像系统流程图 Fig. 3 Roadway leading elastic wave imaging system flow chart

通过硬软件系统建设，开发了一套适用于矿井安全条件的矿用超前探测系统(图 4为KDZ114-6B30地震探测仪).将数据采集与处理系统相配合，形成了一套具有自主知识产权的巷道弹性波探测技术系统(MSP系统)，其中采集仪器设备与数据处理系统独立，进一步扩大了超前探测技术的应用范围(曾昭璜等，1994；薛国强等，2008；王启军等，2009；陆云祥等，2010；徐凯军等，2011；张平松等，2011).

图 4

Fig. 4

图 4 KDZ114-6B30地震探测仪 Fig. 4 The KDZ114-6B30 seismic detectors

应用本系统并基于数值模拟和物理模型实验的成果，提出了巷道掘进条件下有限空间三维反射波数据采集系统及其现场工作技术方法，可以预测巷道工作面前方150 m的地质异常；探明落差小于3m的断层及其他地质异常，解释距离误差小于10%，异常可靠性大于70%.

3 巷道超前探测应用实例

为了分析研究新型巷道弹性波探测系统数据采集与处理的有效性及精度，选择淮南顾桥某一巷道，应用KDZ114-6B30地震探测仪进行超前探测试验.并与瑞士安伯格测量技术公司的TSP系统进行了多组对比实验，主要包括地面测试、煤巷超前探测和岩巷超前探测等内容.

3.1 研究区地质条件与探测任务

顾桥煤矿南翼采区构造密集，断层多且落差较大.受断层影响，岩层产状变化强烈，煤层赋存不稳定，给南翼主要系统巷道的安全施工及支护造成很大困难.试验巷道在向前掘进过程中先后穿过：FD95逆断层，∠60°～80°、H=0～50 m；FD108-1正断层，∠50°～55°、H=5～25 m；FD108正断层，∠65°、H=0～60 m；F114-1正断层，∠70°～80°、H=0～30 m.与此同时，根据三维地震测线剖面，南翼大巷后续掘进还要穿过一个疑似陷落柱区域.

探测试验选定试验巷道S40测点处，探测目标是对前方地质异常进行准确定位与定性.

3.2 现场探测方案(观测系统)

依据空间观测系统布置原则，现场施工在掘进工作面及其后方巷道有限空间内完成.测线布置在两帮和工作面上，为了便于与TSP系统对比，设计炮孔39个，其中左帮8炮，右帮24炮，迎头7炮；检波器点7个，编号为R1-R7.检波器及炮孔顺序和方位见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 超前弹性波法现场空间布置示意图 Fig. 5 Study on failure of overlying strata in mining height

激发炮点1~24布置在右帮，25~32布置在左帮，33~39布置在掘进工作面上.炮间距为1.5 m，R1检波器位于6号与7号炮点之间，R2在1号炮点后方1.5 m处; R3距离R2点15 m，R4距离R3点10 m；R5距离25号炮点15 m，R6距离R5点10 m，R7距离R6点15 m.其中R3、R7检波器为TSP接收孔.

3.3 超前探测结果对比分析

采用自行开发的软件系统分别对二维观测数据和空间多炮检系统数据进行成像处理.其中二维系统数据处理流程为：数据预处理—频谱分析—直达波速度求取—反射波提取—速度分析—深度偏移—界面提取.其处理所获得的反射界面可直接与TSP系统的解释成果进行对比分析.在处理多炮检对空间数据时，主要利用三分量数据进行立体椭球偏移成像.图 6为多炮检对叠加深度偏移后所获得的二维反射界面的提取结果，而图 7为多炮检对立体偏移结果图.

图 6

Fig. 6

图 6 弹性波法超前探测深度偏移与界面提取剖面 Fig. 6 Elastic wave method in advanced detection depth migration and interface extraction section

图 7

Fig. 7

图 7 多炮检系统立体偏移结果 Fig. 7 Multi offset system three-dimensional migration results

新型探测系统的解释结果表明，以S40点作为相对零点，试验巷道S40点前方76 m和97 m处存在规模较小的构造破碎带，而在巷道前方138 m至171 m段存在规模相对较大的断层破碎带(表 1).

表 1(Table 1)

表 1 南翼轨道大巷超前反射波探测界面与解释一览表 Table 1 The South track roadway ahead of reflection wave detection interface and explanation list 界面编号 R6 R7 R8 R9 相对S40 距离(m) 76 97 138 171 地质解释 构造或破碎带但规模较小，对掘进影响不大 存在断层或破碎带、岩体完整性差，且规模相对较大，对掘进带来不同程度的影响

表 1 南翼轨道大巷超前反射波探测界面与解释一览表 Table 1 The South track roadway ahead of reflection wave detection interface and explanation list

TSP数据处理选用Amberg公司配套处理系统TSP-Win2.1.处理流程包括初至拾取——炮能量平衡——Q值分析——反射提取——PS波分离——速度分析——深度偏移——反射界面提取.初至拾取时纵横波速度比为2.2.图 8为TSP法偏移结果剖面.图 9为偏移速度结果图.图 10为弹性模量动力学参数结果图.由速度剖面可以看出，探测区域内速度变化较大，由2.52 m/ms变化至4.57 m/ms，反映该区域岩体均一性较差.其特征与偏移结果图中的主要反射异常界面位置相对应，在界面两侧存在速度差异，存在2个高速度区HV1、HV2和一个低速区LV1.与TSP动力学参数结果(图 10)对比，发现和R6、R8和R9界面相对应的是：自S40点起前方71~83 m范围内横波速度减小，泊松比增大，杨氏模量减小，相比较目前迎头岩体，该段岩体抗剪能力下降，结构较松散.在前方138~171 m处岩体动力学参数变化反复，反映该区段岩体连续性变差，结构发生改变.

图 8

Fig. 8

图 8 TSP法超前探测深度偏移反射界面 Fig. 8 TSP method in advanced detection depth offset reflector

图 9

Fig. 9

图 9 TSP法超前探测速度分析剖面 Fig. 9 TSP method in advanced detection analysis of velocity profile

图 10

Fig. 10

图 10 TSP法动力学参数结果图 Fig. 10 TSP method for kinetic parameters results map

结合两种仪器数据采集与处理结果对比可得，控制距离自S40点起向巷道前方共200 m.以S40点作为相对零点，试验巷道S40标志点前方76 m和97 m处存在规模较小的构造或破碎带，在前方138 m至171 m区段存在规模相对较大断层或破碎带，对巷道掘进影响较大.自S40点前至巷道前方共120 m范围内，富水性较弱，推断不存在较大的含水体，掘进时发生的淋水现象将有所减轻.在探测控制范围内可安全掘进.此结果被实际掘进情况证实.

4 结 语

在分析煤矿巷道超前探测与预报技术难题的基础上，基于数值模拟和物理模型实验成果开发的巷道掘进条件下有限空间三维反射波数据采集系统及其现场工作技术方法切实有效，自行研发的巷道弹性波超前成像预报系统与国外同类仪器、软件相比更加适用于煤矿巷道，可为矿山、隧道、地铁等地下工程安全生产与施工提供有力的技术保障.

致 谢(Acknowledgments)感谢岳建华教授，刘志新副教授指导我完成了此篇论文，并感谢姜志海副教授给予我论文的宝贵意见. 