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1設(shè)計(jì)理念

礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀的設(shè)計(jì)理念可以概括為“節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)、獨(dú)立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲(chǔ)、集中式回收”，這些設(shè)計(jì)理念較好地呼應(yīng)了煤礦井下地震儀器設(shè)計(jì)的客觀需求，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在［4－5］:1)節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)是指儀器無(wú)主機(jī)、無(wú)大線、無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)式地震儀集傳統(tǒng)的分布式儀器的主機(jī)、采集站、交叉站、電源站于一體，可以靈活布設(shè)、方便采集，但又遵守統(tǒng)一的時(shí)間約定。2)獨(dú)立型激發(fā)是指可以獨(dú)立同時(shí)激發(fā)(ISS，in-dependentsimultaneousshooting)方式采集，對(duì)震源激發(fā)時(shí)間不作任何制約，可在確保安全的情況下同時(shí)放炮，大幅提高了作業(yè)效率，縮短了采集時(shí)間。3)分布式采集是指以各個(gè)節(jié)點(diǎn)式地震儀為單元，按照設(shè)計(jì)的位置布設(shè)接收點(diǎn)，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集道數(shù)可以自由擴(kuò)展。4)三通道存儲(chǔ)是指每臺(tái)節(jié)點(diǎn)式地震儀設(shè)計(jì)為3個(gè)通道，可以滿足三分量采集的需求。5)集中式回收是指井下數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，全部數(shù)據(jù)在回到地面后利用高速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中回收。綜上可知，基于“節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)、獨(dú)立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲(chǔ)、集中式回收”的儀器設(shè)計(jì)理念，礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀實(shí)現(xiàn)了本安防爆、技術(shù)先進(jìn)、施工快捷的要求，每個(gè)采集通道的折合質(zhì)量約1kg，為煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2槽波地震的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1槽波地震勘探原理在煤層與頂?shù)装宓?層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，煤層的速度、密度相對(duì)較低，是一個(gè)“低速槽”，且煤層與頂、底板存在較大的波阻抗差異，屬于良好的地震反射界面。因此，在煤層中激發(fā)的地震波，遇到煤層頂?shù)装搴缶蜁?huì)發(fā)生反射、透射和折射，且在較短的距離內(nèi)地震反射波的入射角將會(huì)達(dá)到或超過(guò)臨界角，從而形成了全反射的條件，此后地震波的能量被“禁錮”在煤層的低速槽中而極少“逃逸”出去。因此，槽波是一種在煤層中激發(fā)、在煤層中接收、沿煤層傳播的制導(dǎo)波，其理論基礎(chǔ)完備，形成機(jī)理、傳播方式、波場(chǎng)特征等比較清楚。槽波地震探測(cè)就是利用煤層的這一導(dǎo)波特性，以探查煤層內(nèi)斷層、陷落柱、煤厚變薄區(qū)、巖漿巖侵入范圍等地質(zhì)異常的一種地球物理探測(cè)方法，它也是目前煤礦井下構(gòu)造探測(cè)精度最高的方法［6－8］。

2.2槽波地震勘探方法槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理方法，是地震勘探的一個(gè)分支。槽波地震勘探可以探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，具有探測(cè)距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征較易于識(shí)別以及最終探測(cè)結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)，在探測(cè)精度、探測(cè)距離上優(yōu)于其他煤礦井下物探方法，是目前最有效的煤礦井下探測(cè)方法之一。煤礦井下槽波地震勘探方法主要包括透射槽波地震勘探技術(shù)和反射槽波地震勘探技術(shù)，其中透射槽波地震勘探技術(shù)較為成熟、應(yīng)用廣泛。1)透射槽波的觀測(cè)系統(tǒng)。它是利用從震源透過(guò)煤層傳至接收點(diǎn)的槽波信號(hào)，以探測(cè)工作面內(nèi)斷層、陷落柱、煤層變薄區(qū)等地質(zhì)異常體。因此，透射槽波地震勘探時(shí)，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)布置在不同巷道內(nèi)，根據(jù)槽波的有無(wú)、強(qiáng)弱來(lái)判斷有無(wú)構(gòu)造異常，透射槽波的最大探測(cè)距離可達(dá)煤厚的300倍。考慮到基建礦井、生產(chǎn)礦井的巷道條件以及地質(zhì)需求，圖1給出了幾種典型的透射槽波地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意［12］。圖1中的巷道以2條平行細(xì)線來(lái)代表，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)分別布置在巷道中，炮點(diǎn)距離、檢波點(diǎn)距離等依據(jù)設(shè)計(jì)要求確定;圖1中的陰影區(qū)域?yàn)橥干洳鄄刂茀^(qū)域。可以看出:節(jié)點(diǎn)式地震儀能夠靈活適應(yīng)各種巷道的任意組合形式，這是集中式或分布式槽波地震儀所無(wú)法比擬的。2)反射槽波的觀測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于反射槽波而言，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以開(kāi)展巷道兩側(cè)或掘進(jìn)工作面前方的小構(gòu)造探測(cè)，反射槽波探測(cè)的距離可以達(dá)到煤厚的100倍。如果槽波在煤層中傳播時(shí)遇到了地震波的波阻抗差異界面，就會(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)，通過(guò)分析反射槽波信號(hào)就能判斷出煤層不連續(xù)體的位置，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋。但是，目前煤礦井下反射槽波地震探測(cè)技術(shù)尚不成熟

。

3探測(cè)實(shí)例分析

在過(guò)去的十年里，煤炭資源高效開(kāi)采技術(shù)與裝備發(fā)展迅速，煤炭資源高效集約化開(kāi)采成為未來(lái)的一種發(fā)展趨勢(shì)，其突出特征表現(xiàn)在“一井一面”、全煤巷掘進(jìn)、綜采放頂煤、超長(zhǎng)超寬工作面以及快速掘進(jìn)等，這就要求煤礦地質(zhì)工作要能夠滿足大距離、超前探測(cè)的要求，透視槽波地震勘探技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)采區(qū)、盤區(qū)范圍、多個(gè)工作面以及超長(zhǎng)超寬工作面的超前探測(cè)。

3.1超大工作面槽波地震勘探某礦1904N工作面走向長(zhǎng)1834m，傾向長(zhǎng)317～330m，開(kāi)采9號(hào)煤層(圖2)。掘進(jìn)過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)斷層14條，其中落差大于1m的7條，未發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱。9號(hào)煤層厚度3.58m，分為上、下分層，其中夾矸厚0.05～0.27m;煤層上分層平均厚度1.20m。工作面內(nèi)煤層傾角在21°～36°，平均傾角26°。按照礦方要求，僅對(duì)1904N工作面中段1200m的范圍進(jìn)行探測(cè)(圖2虛線范圍)。如果采用煤礦井下有線地震儀施工，至少需要分別鋪設(shè)2000m的炮線、通信線和1200m的接收電纜，工作量較大;而采用基于節(jié)點(diǎn)式的無(wú)纜地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無(wú)需布設(shè)炮線、通信線，施工效率可以提高3～4倍。經(jīng)過(guò)正演模擬，槽波地震勘探的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)如下:回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷均采用10m接收道距，共布置檢波點(diǎn)258個(gè);回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷均采用30m炮間距，共布設(shè)激發(fā)物理點(diǎn)94個(gè)。數(shù)據(jù)采集時(shí)，回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷分別獨(dú)立激發(fā)，布設(shè)在回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷的所有檢波器同時(shí)接收。圖3給出了回風(fēng)巷激發(fā)、運(yùn)輸巷接收的透射槽波記錄，透射槽波能量較強(qiáng);圖3左側(cè)虛線圈定的范圍內(nèi)，槽波透射能量較弱，這與運(yùn)輸巷實(shí)際揭露的落差2m是一致的;另外，槽波實(shí)際透射距離大于800m。

3.2盤區(qū)槽波地震勘探由于透射槽波的探測(cè)距離較大，因此利用透射槽波探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大距離的盤區(qū)探測(cè)，從而通過(guò)一次探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)2～4個(gè)工作面的構(gòu)造探測(cè)，為盤區(qū)范圍工作面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖4中某盤區(qū)包括2個(gè)工作面，每個(gè)工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2800m、傾向?qū)挾?20m，其上部工作面巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度2800m，2個(gè)工作面中間的巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度500m，下部工作面巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度1300m(圖4)。采用節(jié)點(diǎn)式地震儀可以靈活布設(shè)的優(yōu)勢(shì)，在每條巷道均勻布設(shè)炮點(diǎn)與接收點(diǎn)，其中左側(cè)2個(gè)梯形區(qū)域?yàn)槔?條巷道聯(lián)合透視的控制范圍，而右側(cè)三角形區(qū)域?yàn)閮H利用上、下2條巷道的控制范圍。因此，利用透射槽波探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)采區(qū)、盤區(qū)工作面的大距離探測(cè)。在煤層埋藏較淺、地形崎嶇、工農(nóng)關(guān)系復(fù)雜地區(qū)，在地面開(kāi)展三維地震難度較大，且效果不好。這時(shí)，如果借助煤礦井下大距離槽波透視技術(shù)，實(shí)現(xiàn)盤區(qū)構(gòu)造的精細(xì)探測(cè)，可以達(dá)到事半功倍的效果。

3.3跨層透射槽波地震勘探在高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井以及水害嚴(yán)重礦井，在采煤工作面布設(shè)前，為了確保安全生產(chǎn)，需要提前開(kāi)拓瓦斯高抽巷或底板泄水巷，以掩護(hù)煤巷安全掘進(jìn)。在這種情況下，可以從瓦斯高抽巷或底板泄水巷向目標(biāo)煤層施工淺孔，利用鉆孔布設(shè)炮點(diǎn)/檢波點(diǎn)，并結(jié)合一條掘進(jìn)的煤巷，構(gòu)成跨越空間巖巷—煤巷的三維立體探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的超前探測(cè)。

4結(jié)論

1)相對(duì)于常規(guī)的集中式地震儀、分布遙測(cè)式地震儀而言，節(jié)點(diǎn)式地震儀不需要主機(jī)、交叉站、電源站和大線，施工時(shí)不需要相互通信，無(wú)需布設(shè)炮線、電話線，且具備獨(dú)立同步施工的能力，是煤礦井下槽波地震勘探的理想儀器。2)節(jié)點(diǎn)式地震儀采用“節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)、獨(dú)立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲(chǔ)、集中式回收”的設(shè)計(jì)理念，較好地滿足煤礦井下地震儀器本安防爆、指標(biāo)先進(jìn)、施工快捷等基本要求。3)節(jié)點(diǎn)式地震儀靈活、無(wú)約束布設(shè)的優(yōu)勢(shì)，使得煤礦井下超長(zhǎng)超寬工作面、互不貫通的巷道之間以及采區(qū)、盤區(qū)和煤巷－巖巷跨層條件下的槽波地震探測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。為了更好地發(fā)揮煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，今后應(yīng)該進(jìn)一步加大反射槽波地震勘探、鉆孔—巷道的透射槽波地震勘探技術(shù)與裝備研究。

作者：程建遠(yuǎn)江浩姬廣忠吳海單位：中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司