现有反射波超前探测观测系统

目前，对巷道地震波数据采集从观测方式上有几大类：一类是呈点状布置，一类是呈直线型布置，另一类是空间布置。其中简单的反射波探测中多采用零偏移距单点到多点探测，即点状布置，负视速度法、TSP、TGP等方法属于直线状布置，而HSP、TRT、TST等方法属于空间布置，且处理方法有所不同。总的来说，空间布置的观测系统比点及直线布置的观测系统优越，它能够有效接收来自不同方向的反射地震波信号，获得可靠的速度分布结果，提高对地质体的定位精度和工程性质类别判定的可靠程度。

1.超前探测布置基本要求

巷道采掘过程中，前方需要探测的对象往往是多变和不定的，进行高分辨率的地震反射探测，既需要一定的工作场地和空间条件，又要求前方的地质界面能构成一定的反射条件，能够可靠地接收到来自地质界面的反射波信号。通常来说，反射波超前探测除对仪器设备要求高外，其探测条件必须具备。

（1）激发与接收条件良好

激发与接收条件实际上是场地条件，要能够可靠地布设震源和安置设置检波器，巷道震源使用锤击比较方便，根据探测界面的距离不同，保证具有适当的激发能量。岩体破碎或松散时，需利用钻孔、钢钎等工具辅助布设检波器，保障检波器与探测介质的耦合良好。探测距离较远时，需使用放振动炮的形式激发地震波。

为提高探测的分辨率，激发点应尽量选择在坚实地段，而且激发与接收都应保持沿地层的法线方向进行定向激发与接收。为了减小信号记录的复杂程度，应尽量减少背景干扰产生。

（2）界面的波阻抗差异明显

探测的岩性或目的层界面，必须具有较为显著的波阻抗差异，以保证界面反射波有较强的能量，肉眼能从波形记录中分辨来自不同目的层的反射波组。

（3）探测目的层应具有一定的厚度

地震波反射探测能够分辨的目的层的最小厚度取决于反射波的主频。Widess（1973年）提出了一个Rayliegh公式的近似公式：

现代煤炭地质勘查技术

式中，H是在地震反射记录中，能够分辨出的最小目的层厚度，λ是反射波主频波长。即在标准信噪比条件下，若地震反射波主波长为λ，则只有 以上厚度的岩层才能被分辨出来。实际工作中，分辨率远远小于 ，通常选取 。因此向前反射波探测的目的层必须具有一定的厚度，分辨目的层的可能性较大。

（4）界面的产状能够保证测点可靠地接收到地震反射波

当在巷道的掘进头或掌子面向前方超前探测时，激发点与接收点都在正面一块面积不大的断面上，这就要求前方被探测的岩层或界面的形状能遵循反射定律，将地震波反射回接收点从而被记录下来。当前方岩层或界面相对掘进头或掌子面倾角较大，最好为近直立界面，利于接收反射波。当前方岩层或界面产状相对较为平缓时，可在巷道顶底板设置激发与接收点，进行上、下探测。

2.常规点状超前探测布置

对于简单地质构造，利用巷道中掘进工作面或两帮可以进行较为简便的观测系统布置，通常采用单点或多点激发可取得一定的探测效果。图6－39、图6－40为两种常见单点探测布置，主要解决近直立地质体界面位置判定，通过多次叠加可以获得有效的反射地震波信号。高分辨震波反射技术中单点自激自收法超前探测较为简便，通过对各单道记录进行信号叠加，形成叠加记录，依据波形相位特征判别前方构造形态和距离、幅值特征判别构造相对大小，预报前方地质特征，通常在地震地质条件适宜时可取得满意的结果。

图6－39 巷道掘进迎头超前探测示意图

图6－40 巷道两帮超前探测示意图

对探测前方界面比较宽缓的目的层，可直接沿顶、底板或两帮进行有偏移距剖面测试，通过不同偏移距剖面分析目的层的位置及特征，如图6－41所示。

图6－41 巷道顶底板反射探测示意图

利用震波反射直接探测前方地质异常可以在以下几个方面应用：①穿层巷道中探测强波阻抗差异界面，如在石门中探测前方含水灰岩、煤层、岩墙等的界面。②顺层巷道中探测强波阻抗差异界面，如在煤巷中探测前方断层、断点、构造破碎带、火成岩侵入体等的位置。若巷道煤岩体较为坚硬，采用少量炸药激发高频地震波，其超前探测有效距离可达100m以上。

3.直线型超前探测布置

巷道中可利用的场地条件是掘进工作面后方的两帮和顶、底板等有效接触面，为了现场施工方便，负视速度法、TSP、TGP等方法是利用巷道帮进行检波器和激发孔的布置。这里以目前国际上应用较为广泛的TSP方法最具代表性，其观测系统现场布置相对复杂，通常应在巷道两帮均布置接收器，目的是接收前方不同产状的地质界面的反射波。图6－42为TSP203系统的现场布置示意图，系统主要组成包括记录单元和接收器。其中记录单元能够记录地震信号和质量控制，其基本组成为完成地震信号A/D转换的电子元件和1台便携式电脑。便携式电脑控制记录单元和地震数据记录、储存及进行处理和评估。记录系统有标准的12道输入。用户可以设置4个接收器。记录单元采用最新技术的24位A/D转换器，最小动态范围为120dB，可以获得10～8kHz的频宽。

接收器用于拾取地震信号，安装在一个特殊的套管里。套管与岩石之间采用注水泥或双组份环氧树脂牢固地结合。接收器由极灵敏的三分量地震加速度检波器（XYZ分量）组成，频宽10～5kHz，包含了所需的动态范围，能够将地震信号转换成电信号。每个接收器中，三分量加速度检波器按顺序排列，能确保在三维空间方向范围的全波场记录，所以能分辨不同波的类型，如P波和S波。

图6－42 TSP巷道探测现场布置示意图

接收系统是为适用于各种不同岩石类型而设计的，从软弱的岩层到坚硬的花岗岩。接收器连同套管一起放入直径43mm、深度2m的钻孔中。

对于直线状超前探测系统布置，其总的特点是：①激发点与接收点分布于同一个水平面上；②激发孔或接收孔位于同一帮的一条直线上，且尽量布置在构造出现的一帮，目的是便于进行数据处理。

4.空间型超前探测布置

超前探测中，充分利用巷道条件，结合掘进工作面及两帮布设检波器和激发孔，从而形成空间观测系统，HSP、TRT和TST等方法均属于这类布置，其中TST和TRT是国内外两种有一定代表性的超前探测系统。

TST法测试时，在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。通常隧道内布置12个检波器，每一边布置6个，大约在20m长度范围内，检波器间距为4～5m。洞内观测时检波器埋入岩体1～1.5m，以避免声波和面波干扰。可采用爆炸或锤击激发地震波，爆炸一般4～5炮，爆炸点间距4～5m，每一炮使用炸药量为500～1000g。图6－43为TST现场数据采集布置方式，其解释软件包括地震数据预处理和偏移成像等功能。

TRT方法在观测方式和资料处理方法上与TSP法有很大不同，在观测上，虽然TRT也是利用反射地震波，但它采用的是空间多点接收和激发系统。检波器和激发的炮点呈空间分布，布置在巷道迎头、顶板及两个侧帮上，以充分获得空间波场信息，提高对前方不良地质体的定位精度。在资料处理方法上是通过速度扫描和偏移成像。这种方法对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等都有较高的精度。图6－44为TRT法在Uterwald隧道的观测系统布置图，其中A1－A10为接收点位置，且A4、A9在隧道顶上；S1－S6为激发点位置，S1、S2布置在迎头。

图6－43 TST布置形式

现有的空间超前探测系统布置的特点是：规则的空间点位布置，不能结合巷道条件随意布设检波和激发点；为适合不同的数据处理方法，其检波和激发点个数分配各具特色，TST和TRT法具有较大的差异。

图6－44 TRT法观测布置图