一、 技术背景煤矿巷道是安全生产的咽喉要道，存在长度大、施工地点多、安全事故多发等特点。在巷道掘进过程中，巷道前方可能造成安全事故的不良地质体，如陷落柱、富水带、瓦斯富集区等。巷道事故已经成为煤矿安全生产最主要的威胁之一，严重危害着煤矿的安全生产。因此提前查明掘进头前方的地质及流体分布异常情况，可以提前合理规划和针对性治理，可有效减少乃至避免动力灾害的发生。 煤矿掘进巷道应用的超前探测方法包括钻探、电法和传统地震法（TSP）等。钻探法虽然能够直接查清掘进面前方的地层岩性、构造等，但是设备笨重，一次有效探测受限较多，频繁操作费时费力，影响正常掘进。电法主要基于电阻率等岩石电磁属性分析围岩的视电阻率，由于发射电场为空间球形，会受到巷道侧面地质条件、杂散电流及运行设备等干扰，造成较多的虚报或误报，最关键的是每次探测的距离有限。传统地震法则是利用炸药作为震源获得矿井巷道地质异常体位置信息，但是在现场施工过程中，需停止一切生产活动，且当探测对象为高瓦斯矿井里的突出煤层时，无法进行施工预测。万泰煤矿巷道随掘超前探测技术，可以利用综掘机或者施工产生的震动信号进行反演探测,避免了使用炸药等主动震源，不影响正常的施工进度；且随着工作面不断的向前推进，可以对台站进行向前同步移动，使得探测距离更长。 二、 技术方案煤矿巷道在掘进过程中，会产生非常多的地震波信号，包含了丰富的构造、瓦斯包等信息。基于地震波运动学原理，通过建立不良地质体（构造、瓦斯包等）与煤层巷道掘进过程中地震波信号之间的地球物理特征响应规律，分析、研究综掘机切割煤岩体过程中剪切作业产生的地震回波信号特征，继而进行煤层巷道迎头超前探测。煤层巷道在掘进过程中，综掘机切割煤体会产生剪切作用，形成沿着巷道轴线方向传播的P波、垂直于巷道轴线方向的SV波、SH波。综掘机剪切作用形成的P波、SV波、SH波会沿着煤层向巷道迎头前方传播，当遇见地质异常体时，由于地震波阻抗存在差异，会形成地震回波（散射波）。因此，可以将综掘机切割煤体所产生的地震回波信号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，通过布设阵列式地震检波器，并实时记录随采地震波形，分析地震波的旅行时间、振幅、相位和频率，基于相关干涉理论，进行反演探测。 万泰煤矿巷道随掘超前探测技术使用了国内先进的散射波叠加成像算法，该技术在数据处理方面关于散射波信号的提取除了常规的各个接收道与震源道进行互相关处理之外，更重要的是利用了连续信号的无限时长，且根据统计规律以及有效信号的可重复性，通过多次叠加原理大大地提高了原始地震资料的信噪比及反演结果准确度。利用深度域绕射扫描偏移叠加成像技术，进行巷道迎头前方三维地质成像，如图2-1所示。  三、 实施方案煤矿巷道随掘超前探测系统硬件主要括高精度地震检波器（图3-1）和数据采集仪（图3-2）：高精度地震检波器用于记录震动信号，作用非常关键，是整个系统的最基础部件；数据采集仪处理后的波形信号的质量会直接影响后期的处理结果，是整个系统的最重要部件，本系统数据采集仪具有高分辨率、高采样率、高触发精度以及低本底噪音等特性。通过布设在巷道内的高精度地震检波器接收开挖过程中煤体微破裂产生事件所释放的能量波，将机械振动信号转化为电压信号经过通讯电缆（防阻燃带屏蔽层）传输至数据采集仪，通过数据采集仪的精细化处理，得到准确可靠的探测数据。 
3.2  煤矿巷道随掘超前探测系统软件 万泰地球物理煤矿巷道随掘超前探测系统软件，集数据处理、数据分析与成像为一体的产品，具有技术先进、定位精度高、系统布置快速灵活、操作简单、技术支持及时有效等优点。通过将数据采集仪处理后的探测数据导入到本软件系统中，对波形进行截取、滤波、陷波和噪声过滤等操作，选取有效数据对巷道迎头前方进行反演，通过观察反演后的结果，确定前方异常体类型、空间分布等信息，为煤矿安全高效生产提供服务。 
3.3 施工方案 现场采用直线式的检波器布设方式，检波器间距宜为6m左右，检波器不宜少于8个，依次编号做好标记S1-S8，首个检波器距离工作面间距宜为20m，整个探测装置随着巷道工作面不断向前推进而交替前移。每个检波器均应能接收到震动信号，应根据现场岩石的完整性设置采样频率。检波器应安装于巷道钻孔内，钻孔深度应保持一致，以保证检波器的顺利安装及高质量数据的采集，在检波器孔附近用挂牌标注检波器孔号。 采集仪应布置于检波器铺设线状中心点，便于后期的交替前移，检波器电缆沿接收点铺设并与采集端连接，如图3-5所示。 
本系统实施流程如图3-6所示。 
四、项目效益有效减少煤矿巷道事故的发生，保障煤矿安全生产，煤矿巷道超前探测技术是关键。安徽万泰地球物理技术有限公司研发的煤矿巷道随掘超前探测系统能够准确预测煤矿工作面前方异常地质体（陷落柱、富水带、瓦斯富集区等）的空间分布情况，量化其对煤矿的危险程度，减少盲目性投入，做到有的放矢。本系统不但在同等面积区域的地质探测上，相比较于三维地震勘探等常规探测方法，可为矿山节省大量探测成本，而且可以24 小时不间断运行，对前方的地质情况进行实时监测。本系统为煤矿提供了一种新的“绿色”经济有效思路，能够高效、快速、准确的量化工作面前方未知地质体的空间分布，为煤矿安全生产提供了强有力的保障。 五、案例展示5.1 现场施工情况淮北矿业集团巷道采用综掘机进行开挖作业，煤层巷道随掘超前探测系统现场探测装置布设如图5-1所示。在煤层工作面掘进巷迎头后方布设一套12通道地震监测系统，外接12支地震检波器，编号S1-S12，道间距3m，布设于巷道工作面煤层壁帮。由于巷道随掘过程中迎头后方10m之内安全性较差、10-20m之内煤灰较大。因此，迎头后方第一支地震检波器S1根据现场环境布设在迎头后方10-20m范围内，迎头每推进20m，最后一支地震检波器S12往前移动72m，距离最新巷道迎头10-20m，整个探测装置随着巷道迎头前进而交替前移。地震检波器安装钻孔深度3m，俯角孔3°，如图5-1所示。 
5.2 监测结果该煤矿进行超前探测测试时，对现场采集原始波形曲线进行时域、频域分析，相关干涉及反演成像，图5-3、图5-4为反演分析二维成果切片图、图5-5为反演分析成果结合现场巷道剖面成图。 
根据掘进机工作面地质情况以及巷道随掘超前探测三维成像结果综合分析：工作面前方100m范围内：探测结果发现迎头前方存在反射异常，距离迎头距离为26m，长度在3m左右，综合分析认为该区段内是煤层节理裂隙发育引起异常反射。后期开挖后实际异常体位置与探测的位置相符，为煤矿安全生产提供了强有力的保障。 |
