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第 3卷 第 6 期 2 0 0 6年 l 2 月 工 捏 球物 荸 赧 CHI NE S E J OURNAL OF ENGI NEE RI NG GE oPHYS I CS V0 1 ． 3． No ． 6 De c ． ．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 2 ～7 9 4 O 2 O O 6 O 6 ～O 4 3 7 一O 6 巷道前方地质构造 MS P法超前 探测技术与应用研究 刘盛东 ， 郭立全 ， 张平松 1 ， 安徽理工大学资源与环境工程系， 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 ．中国煤炭学会矿井地质专业委员会， 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 巷道前方地质构造超前探测是地下工程施工的技术关键和技术难题 ， 利用地震反射波探测技术， 采 用巷道多次覆盖观测系统采集地震数据， 通过能量合成与分解、 波场分离、 偏移叠加等处理技术 ， 形成矿井地 震波超前探测技术 Mi n e S e i s mi c P r e d i c t i o n即 MS P技术 ， 在巷道迎头空 间进行全方位的数据采集与处理， 可获得巷道探测方向的各种有效的反射波组， 该波组与前方的地质界面具有很好 的对应性。数值模拟、 室内 超声波实验与现场探测实验表明， MS P探测技术可以解决巷道前方 3 0 0 m 以内的各种地质构造预报。 关 键 词 MS P技术； 负视速度； 矿井超前探测； 绕射偏移 I 巷道地质构造； 超前探测 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标识码 A 收稿 日期 2 o o 6 一o z ～1 5 EXPERI M ENT AND APPLI CATI ON S TUDY oF FORE DETECTI NG BY M S P M ETHOD FoR GEoLoGI CAL S TRUCTURE I N LANEW AY LI U S h e n g d o n g ， GUO Li q u a n ， Z HANG P i n g s o n g 1 ，De p a r t me n t o f R e s o u r c e s a n d En v i r o n me n t a l E n g i n e e r ， S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f An h u i U n i w e r s i t y，H u a i n a n An h u i 2 3 2 0 0 1 ， Ch i n a； 2 ． Mi n e G e o l o g y C o mmi t t e e o f C h i n a C o a l S o c i e t y，Hu a i n a n An h u i 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e f o r e d e t e c t i o n a n d f o r e c a s t i n g f o r g e o l o g i c a l s t r u c t u r e i n l a n e wa y a r e v e r y d i f f i c u l t t o b e s o l v e d i n u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ． Th e r e f o r e ，we a t t a i n Mi n e S e i s mi c Pr o t e c t i o n t e c h n o l o g y M S Pb y u t i l i z i n g r e f l e c t i o n wa v e t h e o r y ．Th e t e c h n o l o g y g e t s s e i s mi c d a t a b y mu l t i f o l d i n l a n e wa y a n d p r o c e s s e s t h e s e d a t a t h r o u g h s o me p r o c e s s i n g t e c h n i q u e i n c l u d i n g s y n t h e s i z i n g a n d d e c o mp o u n d i n g，wa v e f i e l d s e p a r a t i o n a n d mi g r a t i o n s t a c k e t c ．Al l k i n d s o f g e o l o g i c a l i n t e r f a c e s o f r e f l e c t i n g wa v e s i n f o r e l a n e wa y c a n b e g a i n e d b y c o l l e c t i n g a n d p r o c e s s i n g t h e d a t a f r o m l a n e wa y s e c t i o n ．S o me n u me r i c a l s i mu l a t i o n t e s t a n d u l t r a s o n i c wa v e e x p e r i me n t a n d p r a c t i c a l d e t e c t i n g a p p l i c a t i o n i n d i c a t e t h a t MS P t e c h n o l o g y c a n d e t e c t ma n y g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s wi t h i n 3 0 0 me t e r s i n t h e f o r e o f l a n e wa y ． Ke y w o r d s M S P t e c h n o l o g y；n e g a t i v e a p p a r e n t v e l o c i t y；d i f f r a c t mi g r a t i o n；g e o l o g i c a l c o n s t r u c t ；f o r e d e t e c t i n g 作者简介 刘盛东 1 9 6 z 一 男 ， 安徽潜 山人， 敏授 ， 中国煤炭学会矿井地质专 业委员会秘 书长 ， 长 期从 事矿井和 工程物探教 学与科研 工 作．E - ma i l l i u s h e n g d o n g 1 2 6 ． C o lO r ／ s d l i u OB U S L e d u ． c n 维普资讯 4 3 8 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e c r i n g Ge o p h y s i c s 第 3 卷 巷道施工地质超前预报， 就是利用一定的探 测技术和手段收集巷道所在岩煤体 的有关资料 ， 运用相应的理论和处 理技术对这些 资料进行分 析、 研究， 从而对施工掌子面前方岩煤体情况及隐 伏的不良地质条件作 出预报L 1 ] 。我 国目前正在进 行的大规模的基础设施 建设 中， 包括所有的矿山 开采巷道、 大量的铁路、 公路、 引水等隧道 隧洞 建设， 这些地下工程 的施工依赖于前方地质条件 的预见性， 由于预报技术 的限制 ， 巷道遭遇断层 、 软弱破碎带、 瓦斯突出、 老空区， 造成隧道坍塌、 突 水、 瓦斯动力等事故 时有发生。对巷道前方构造 及异常探测属于隐伏 目标体定位问题， 由于巷道 内可供观测的空 间位置有限 ， 其探测精度受 到井 下三维空间的限制 ， 其探 测施工和数据解 析难度 较大 ， 因而要准确地达到预报的要求难度很大， 探 测结果很难满足各种工程 生产技术发展的要求 ， 国家发改委把它作为近年科技攻关 的研究重点 。 为此， 自2 O世纪 9 O年代开始 ， 本课题组长期开展 了对巷道地质构造地震波超前探测技术研究与应 用， 通过不断地改进探测技术和分析方法， 提高预 报的可靠性和精度 ， 形成 了一套 地下巷 道 MS P 探测方法技术 ， 即 Mi n e S e i s mi c P r e d i c t i o n技术 ， 并已取得了很多成功的经验。 1 MS P探测技术原理 MS P矿井地震波超前探测技术 ， 是一项应用 于探测掘进巷道前方断层、 陷落柱 、 老空区等不 良 地质构造的地震波反射勘探技术 。采用了巷道多 次覆盖观测系统进行数据采集 ， 数据处理过程中 综合运用二维滤波、 r 一声变换和叠前绕射偏移成 像等多种地震数据处理技术 ， 是一种多波 多分量 联合地震勘探技术。 1 ． 1 巷道前方高倾角界面负视速度时距特征 m 由于巷道等地下工程的空间局 限性 ， 地震探 测工作只能在巷道迎 头附近有限 区域展开 ， 和地 面反射地震勘探基于水平或低倾 角反射界面不 同， 巷道前方的反射界面与地震测线呈垂直或高 倾角空间关系 ， 因此表现 出独特的负视速度时距 特征 。以二层速度模型为例 ， 直达波、 反射波时距 方程分别为 ￡ ， 1 一 一 u 2 ＼ ， 八 ， ／ ， ， ＼ ，／ ， ， ， ， ， ’ 、 ．-__一 ， ， ， ， ， b／ J c ／ - ． ． ． ． 7 X 图 1 巷道前方界面时距曲线 口 反射波 } 6 。 直达波 I c ； 反射面 t 0 接收点 ； S； 激发点 I 口t 反射界面倾 角 F i g ． 1 Ti me - d i s t a n c e l a w o f f o r e l a n e wa y 口t Re fle c t i o n wa v e I b t Di r e c t i o n wa v e I c I Re f l e c t i n g b o u n d a r y‘0l Re c e i v e r I SI S h o t p o i n t } 口 I S l o p e a n g l e 其中 t 。 为直达波时距方程 ； t z 为反射波时距方程； x为激发点距离接收点 0的距离 ； h 。 为前方界面 出露点距离 0点的距离； V。 为第一层介质速度 ； 口 角为界面倾角， 时距曲线如图 1 。 由时距曲线可得 ， 当以 L代表接收点 0距迎 头距离， 在有限的 X区间[ O ， L ] 内， ①高倾角界面 的反射波段 图 1中的实线部分 仅为整个反射曲 线 的一部分 ； ②该反射段位于反射 曲线极小值点 左侧， 因此其斜率为负值， 即表现出负视速度； ③ 直达波和反射波的交点横坐标恰好等于界面出露 点位置； ④倾 角越大， 反射段的斜率越大； ⑤当倾 角为 9 O 。 即前方 界面为直立界 面时 ， 反射 曲线为 直线 ， 反射波曲线段斜率和直达波斜率大小相等， 符号相反 。 1 ． 2 P技术中的巷道多次覆盖观测系统 为了尽可能多的获取地震数据 ， MS P数据采 集时选用三分量传感器， 多个三分量传感器布置 在不同位置 ， 在巷道中形成全方位 、 多次覆盖观测 系统 。地面地震将界 面抽象成光滑水平界面， 每 个 C DP道集代表了某一共深度点多次反射， 射线 路径遵循镜面反射定理 。MS P中将反射界面看 成不再光滑而是 由一系列离散绕射点所组成， 因 此该界面能够反射来 自任一方向的下行波并且上 行波总能被任何位置的传感器所接收。在巷道迎 头和后方同时布置多个传感器接收 ， 巷道一帮或 两帮激发信号 。图 2中前后置多次覆盖观测系统 是将 4只三分量传感器分别布置在巷道两帮和迎 维普资讯 第 6 期 刘盛东等 巷道前方地质构造 MS P法超前探测技术与应用研究4 3 9 图2 多次覆盖观测系统示意图 a l ／ a 2 后置传感器 b l ／ b 2 { 前置传感器I c t 空间绕射点 F i g ． 2 Mu hi f o l d l a y o u t i n l a n e wa y a l ／ a 2{ p o s t p o s i t io n s e n s o r l b l ／ b 2 p r e p o s i t i o n s e n s O r l e l d i f f r a c t p o i n t 头， 前后置传感器之间布置炮点。由于炮点和接 收点位于全空间介质 中， 任一炮点所激发 的地震 波能够被界面上 的绕射点反射并为各个传感器所 接收。 2 数值模拟研究 为了更好的研究巷道前方界面 的时距特征 ， 选取不同的反射 界面数学模型 ， 通过合成地震记 录模拟方式， 进一步了解和掌握不同倾角、 不同出 露点界面反射波特点。 模拟研究中所设计数值模型存在两个反射界 面， 界面倾角分别为 6 O 。 和 9 O 。 ， 出露点位置分别 为 6 0 m和 8 0 m 模型见图3 ， 参数见表 1 。 图 3 数值模型反射射线路径示意图 F i g ． 3 Re f l e c t i o n r a y p a t h o f n u me r i c a l mo d e l 表 1 数值模型参数 Ta b l e 1 P a r a me t e r s o f n u me r i c a l mo d e l T ／ ms 图 4 数值模型合成地震记录 a 直达波l b t 第一层反射波j c ； 第层反射波 F i g ． 4 Th e o g r a m o f n u me r i c s l mo d e l al di r e c t i o n wa v eI bl i s t r e f l e c t i on wa v e ；c { 2 nd r e f l e c t i o n wa v e I d m 图5 数值模型绕射偏移剖面 a 直达波归位 I b t 第一 层界面 ； c t 为第二层 界面 F i g ． 5 Di f f r a c t mi g r a t i o n o f n u me r i c a l mo d e l a I d i r e c t ion bo u n d a r yj bl 1 s t r e f l e c t i o n b o u n d a r y C 2 n d r e f l e c t io n b o un d a r y 数值模拟在 自编的 KD Z软件平台上进行 ， 记 录合成时选用了雷克子波。观测系统参数为 偏 移距为 0 m， 道间距 l m， 共 2 4道地震记录 图 4 。 为 了验证偏移效果 ， 未做波场分离， 直接进行绕射 深度偏移 图 5 。从上 述数值模拟结果 图可得 ①巷道前方高倾角界面 6 0 。 ～9 0 在有限测线段 内反射波同相轴 表现负视速度 ； ②运用绕射偏移 处理后 ， 直达波能量聚集 在测线附近 ， 倾角为 6 O 的界面 1反射段清晰 ， 反射段反向延长交于 6 0 m， 倾角为 9 O 。 的界 面 2反射恰好位于前方 9 0 m， 反映 了数值模 型的镜 面反射特征 ； ③绕 射偏移算法存 在拖尾效应 ， 可通过增加记 录道或能量提取进行 压制。 3 实验模拟研究 为了进一步 验证 MS P方法 的有效 性 ， 室 内 模拟实验共采用 了两个方案。实验一是在水槽 中 进行 ， 以超声波作为发射源， 以玻璃模拟高波阻抗 O ∞ 笥 ； q∞ m62 日 、 维普资讯 4 4 0 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 3 卷 图 6 声波探测模拟实验布置 a t 接收探头 } b 发射探头 ； c 1 t 泡沫板 ； c 2 玻璃板 F i g ． 6 Ar r a n g e me n t o f mo d e i n u l t r a s o n i c e x p e r i me n t a t p i c k u p p r o b e ；bt r a n s mi t t i n g p r ob e ； c l s p ume b o a r dl c 2g l a s s b o a r d 介质 ， 泡沫板模拟低波阻抗介质 ； 并以此来模拟巷 道前方可能存在的不同类型的不 良地质体。实验 二是将探测地点选择 在固体介质的楼板上 ， 将楼 板裂缝 、 侧墙作为不同类型的探测 目标来模拟不 均匀固体介质中探测。 3 ． 1 超声波水槽实验 3 ． 1 ． 1 模 型参数 超声 波实验 以 WS D一1型超声 波仪 接收 ， 3 0 k Hz 换能器发射接收 实验装置如 图 6 。模型 参数为 泡沫板倾角 5 6 和玻璃板倾 角 9 O 。 ， 距离 后置传感器 的距离分别为 4 5 5 mm 和 5 3 0 mm， 偏 移距为 1 5 0 mm， 发射 探头移动步距为 1 0 ram， 共 获得 2 4道超声波记 录。 3 ． 1 ． 2 MS P偏 移 处理 结果 图 7为水槽超声波记录并采用二维滤波进行 负速度提取后波形 。从波形记录上可 以看出来 自 测线前方的泡沫塑料和玻璃板反射相位清晰。 图 8是对 图 7的波场进 行绕射深度偏移 剖 面， 偏移结果看出直达波、 测线下方的水槽底面反 射波得到很好压制 ； 测线前方的高倾角 的泡沫板 和玻璃板反射波都很好归位到相应位置。 在波场分离处理中 ， 进行前方反射波的负视 速度提取时， 对于等间距道集二维滤波 、 r p变 T ／ m s 0 0 3 0．6 0 ． 9 1 2 1 5 l _8 2 ． 1 ； l 4 2 9 图 7 水槽两层介质 MS P法后置探头 x分量波形记录 F i g ． 7 X c h a n n e l s e i s mo g r a m o f t wo l a y s mo d e l i n t a n k b y MS P me t h o d Q1 2 nl 3 图 8 水槽两层介质 MS P法偏移结果彩色显示图 a 直达渡归位 } b 水槽底面 I e l 泡沫位置 ； c 2 t 玻璃板位置 F i g ． 8 Co l o r mi g r a t i o n r e s u l t o f t WO l a y s mo d e l i n t a n k b y MS P me t h o d a l d i r e c t i o n wa v e ；bb o t t o m s u r f a c e o f t a nk， e ls p u me bo a r dI c 2￡g l a s s b o a r d 换的提取结果基本一致 ； 对于不等间距道集 r p 变换 的效果要优于二维滤波变换 的结果。 3 ． 2 地板 固体介质模拟 该实验的 目的是检测测线前方的墙体柱子和 地板上裂缝的位置来模拟巷道前方的异常体。数 据采集时采用锤击震源激发 ， 三分量加速度地震 检波器接收信号 ， 现场布置如 图 9 所示 。安装好 后置传感器后 ， 共进行了 2 4 个激发点激发并采集 数据。图 l O为 分量记录经 r p变换提取前 方波组后 ， 进行绕射 偏移结果 图， x方 向为对前 方反射波最为敏感的方 向。 图9 固体介质模拟 MS P探测布置示意图 Fi g ． 9 Ar r a n g e me n t o f MS P s i mu l a t i v e d e t e c t i o n e x p e r i m e n t i n s o l i d me d i a 图 1 O 地板 固体介质探测 X方 向偏移 图 a 裂缝反射偏移位置I b 混凝土立柱反射偏移位置 F i g ． 1 0 M i g r a t i o n r e s u l t o f X c h a n n e l s e i s mo g r a m i n s o l i d f l o o r al r e f l e c t i o n mi g r a t e d p o s i t i o n o f c r a c kt b l r e f l e c t io n mi g r a t e d po s i t i o n o f c on c r e t e u p r i g h t 昭 壅 哥 r 维普资讯 第 6 期 刘盛东等 巷道前方地质构造 MS P法超前探测技术与应用研究4 4 1 由偏移图上可以看 出在 2 ． 5 m 和 4 ． 1 m 处反 射波相位清晰， 对 比实 际情 况在接收点前方地板 2 ． 5 3 m处可观察到一条垂直于测线的裂缝 ， 4 。 l m 处的反射相位 由水泥立柱反射 引起的。该实验说 明， MS P法对不均匀介质的探测 同样具有较好的 适 用性 。 4 巷道中实际应用探测 4 ． 1 岩巷探测 为了验证 MS P方法技 术 的有效性 ， 对 淮南 张北煤矿井下副井车场 中央石 门进行 MS P超前 探测。探测仪器为 自行开发 的 KD Z 1 1 1 4 3型便 携式矿井地质探 测仪 ， 该仪器可进行井下数据采 集 接收采用三分量加速度式 检波器， 激发采用 矿用 1 段雷管加 5 0 g炸药放炮完成 。现场布置了 O 9 7 5 3 日 l l 一 3 5 7 9 L／ m 1 个前置、 两个后置检波器 。 共 接收了 2 4炮3 分 量3 检波器的信号数据。 通过对探测记录的各炮能量归一化 、 波场分 离、 偏移成图， 获得了前方地震偏移剖面 图 1 1 。 并根据 相关 煤 岩 层 特 征 进 行 了解 释。在 图 中 3 0 0 m探测范 围共有 6个异常界面得到了掘进验 证， 所解 释 的界 面与 实 际掘进 验证 正确率 达到 8 8 。 4 ． 2 煤巷 探测 国投新集集团二矿 1 1 0 1工作面风巷在掘进 过程中， 从地质分析中推断前方存在片麻岩体， 由 于片麻岩直接覆盖在煤系地层上方 ， 且片麻岩为 含水层 ， 因此对 巷道掘 进产生严重 的安全危害。 为了保证煤 巷掘 进 的安全 ， 对 该巷 进行 了 MS P 方法探测 ， 获得 了巷道多炮检数据结果。 现场布置时后置检波器距前方迎头的位置距 O l 4 O ．8 0 ．2 l 5 5 界 面参 数 界 皿Rl R2 R3 R4 R5 R6 距离 5 9 ． 5 9 1 ．7 1 0 7 1 4 5 5 1 9 8 2 2 3 6 2 信 度 A B A C B A 图 l 1 副井车场 MS P超前探测偏移剖面结果及解释 Fi g ． 1 1 MS P d e t e c t i n g r e s u l t a n d e x p l a n a t i o n f o r a u x i l i a r y s h a f t p a r k L／ m 1 5 3 o 4 5 ∞ 9 0 1 0 5 l 2 o l 3 5 75。 日 5m 图 1 2 1 1 0 1工作面风巷片麻岩构造 MS P探测鹪释及巷道地质剖面对比 Fi g ． 1 2 Co mp a r i s o n b e t we e n g e o l o g i c s e c t i o n a n d MS P d e t e c t i n g s e c t i o n f o r g n e i s s c o n s t r u c t i n a i r wa y o f 1 1 0 1 wo r k i n g f a c e 维普资讯 4 4 2 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 3 卷 离为 5 3 ． 3 m。图 1 2是 MS P法偏移结果图。从中 可以得出， 在距后置检波器 7 0 m、 8 5 m、 1 0 5 m处存 在异常界面。后经巷道掘进证实在巷道前方 6 5 ～ 7 O m为断层带 、 8 7 m 处煤体松软、 1 0 5 ． 6 m 处为 片麻岩位置 ， 与探测解释基本吻合 ， 对巷道安全掘 进起到了很好的指导作用 。 5 结论与分析 通过数 值与 实验模 拟和 现场 探测应 用， 对 MS P技术可获得如下结论 ； 1 数值模拟实验和超声波模型模拟很好地验 证了巷道前方高倾角反射界面在有限测线区间上 反射同相轴为负视速度特征 ， 同时也验证 了对于 高倾角界面， 几何绕射偏移技术 的有效性 。 2 基于绕射偏 移 原理 的矿 井震 波 MS P技 术 ， 采用了巷道多次覆盖观测系统 ， 反射波提取技 术对解决巷道 、 隧道等地 下工程前方地质构造探 测与预测方面具有针对性和有效性 。 3 实际应用中说 明， 利用 自行研制 KDZ I 1 1 4 3型矿井地质探测仪及 配套的 MS P处理软件 平 台可进行矿井掘进巷道超前探测预报工作 。 4 绕射偏移叠 加是 MS P技术 的核心， 由于 偏移 的拖尾效应 ， 造成 图像的模糊和假象， 在实际 应用 中探测异常多于实见异常与此有关， 这是今 后改进的方向。 地下工程地质条件制约着工程质量与生产安 全， 因此研制出一套可靠成熟的巷道超前探测与 预测技术成为一项急需解决难题 。目前课题组正 在进行三维空间数据体 的偏移处理与应用技术研 究 ， 以获得更准确 、 更有效的预报预测结果， 更希 望得到同行 的指正与帮助 。 参考文献 [ 1 ] 赵永贵， 刘浩， 孙宇。 等． 隧道地质超前预报研究进展 [ J ] ．地球物理学进展 。 2 0 0 3 。 1 8 3 l 4 6 0 --4 6 4 ． [ 2 ] 李勇 ， 孙喜峰， 李廷． 隧道施工地质超前预报方法[ J ] ． 地质 与资源 ， 2 0 0 4 ， 1 3 2 l l 9 1 2 2 ． [ 3 3 何振起， 李海， 梁彦忠． 利用地震反射法进行隧道施工 地质超前预报口] ．铁道工程学报， 2 0 0 0 4 z 8 1 8 5 ． [ 4 ] 何继善， 柳建新． 隧道超前探测方法技术与应用研究 [ J ] ．工程地球物理学报 ， 2 0 0 4 ， 1 4 2 9 3 2 9 8 ． 维普资讯
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