6、陆地声纳法(也叫高频地震反射法)是钟世航1992年提出的， 其实质是垂直地震波反射法 。该方法在隧道掌子面上采用极 小偏移距，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，通过十 字形观测系统和宽频带脉冲接收技术，预报掌子面前方断层及 其它地质界面的位臵和产状。该方法优点是分辨率高，但需占 用掌子面。
MSP 深度偏移结果图（SV 波）
从图中可以提取出5 个异常界面，分别为R1(迎头前22.5m)、 R2 (迎头前方40.5m)、R3 (迎头前方54.5m)、R4(迎头前方 64.5m)、R5(迎头前方98.5m)。结合地质资料，5 个异常界 面解释为小断层。
根据现场掘进实测剖面资料，21 煤试采区回风巷的2010-03-02 迎头处（测点W20+87.9m） 前方100m 范围内存在5 个小断层， 分别为：①迎头前方28.7m 处存在一小断层∠70°,落差H 为 0.30m；②迎头前方43.42m 处存在一小断层∠80°,落差H 为 0.40m；③迎头前方50.32m 处存在一小断层∠80°,落差H 为 0.40m；④迎头前方62.52m 处存在一小断层∠80°,落差H 为 0.30m；⑤迎头前方94.78m 处存在一正断层∠73°,落差H 为 1.40m。 通过与现场结果验证对比，MSP 探测异常界面个数与实际情况 吻合良好，界面距离误差R1、R2、R3、R4、R5 分别为：6.2m （R1）、2.92（R2）、4.18m（R3）、1.98m（R4）、3.72m （R5）。最大界面距离误差为6.2m，超前探谱分析图
现场实采波形及直达波速度拟合
从图中可以看出直达纵波速度为5000m/s，直达横 波速度为2780m/s。利用直达波速度可基本确定本探 测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。 深度偏
深度偏移处理为MSP 处理的核心部分。在给定速度模 型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间 点上， 以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。 基于直达波速度，本次均匀横波速度背景值取值为2 780m/s。由于采用炸药震源，探测距离较远， 整体探 测距离达到168.5m， 其中已揭露区68.5m，未揭露区 100m。
3 .巷道前方存在地质异常体的地震波场特征 在模型1 的基础上设计了采煤工作面前方100 m处存在界面为倾 斜的侵入地质体模型2
侵入地质体: vp = 3 600 m/s， v s = 2 700 m/s，ρ = 3 000 kg /m3
图5 为模型2 地震波波场在不同时刻的波场快照，与图2 相比 可见，模型2 波场更为复杂。模型2波场中除了存在模型1 波 场中的各类波外，还存在各类波在地质体界面产生的透射波 和反射波。
3. 2 偏移距 坚硬岩与硬岩隧道偏移距宜选大, 可选35~ 50m; 软岩与较软 岩隧道在无管波干扰条件下偏移距宜选15~ 25m, 在管波干扰条 件下应综合考虑预报距离适当加大偏移距, 可选20~ 30 m。 3. 3 采样率与采样点数 一般软岩的地震波(小药量爆破激发)频率为200~ 600H z, 硬岩 为400~ 1 500H z 。根据抽样定理, 抽样间隔$与谐振最大频率 fmax必须满足f <1/2fmax。以最高频率1500H z计算, 只要小于0. 333m s即可, 考虑读数精度一般采用高采样率采集, 即选用0. 05 ~ 0. 1 m s,采样点数与预报距离有关, 预报距离在100~ 200 m范 围采样点数选2 048~ 4 096。
2、负视速度法、垂直地震剖面法：地震负视速度法类似于TSP 法，20世纪90年代初由曾兆璜提出，或称隧道垂直地震剖面 法(TVSP)它利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特征，来 预报隧道施工开挖面前方及周围区域的地质情况。同样在隧道 洞室侧壁的一定范围内布点进行激发与接收反射波，反射界面 与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像上呈 负视速度。其延长线与直达波延长线交点即为反射界面的位臵。 当所得记录中没有明显反射波时，预测开挖面前方的岩质是均 质的。通常负视速度法是测试面与所要探测的地质界面相互垂 直，这种方法对与巷道夹角大于70度的异常界面适用性强。
地震超前探测数值模拟及波场特征
1.弹性波动方程交错网格有限差分数值模拟
二维波动方程应力与速度关系为
式中，σxx、σzz 分别为沿x、z 方向的正应力; σxz 为剪应 力; λ、μ 为拉梅参数; vx、vz 为质点沿x、z 方向的振动 速度; t 为传播时间
对一阶速度－ 应力弹性波动微分方程进行2 阶时间差分精度 和4 阶空间差分精度的交错网格有限差分，其紧致差分格式 为:
矿井地震超前探测技术在龙东矿的 应用
1 地质概况 龙东煤矿隶属上海大屯能源股份有限公司，位 于江苏省徐州市。井田含煤地层有太原组、山西组、 下石盒子组， 其中可采或局部可采煤层为7、17、21 号煤层。本区位于滕鱼复向斜中滕县的倾伏部位，井 田内褶皱构造较为发育；褶曲内断裂构造发育，断层 分布很不均匀，大断层多分布于井田东南部和西部， 并成束状、枝状分布，制约矿井安全生产。
图3 为采用模型1 中的激发接收方式的200 ms地震记录，其中 同相轴1 为底板直达纵波; 同相轴2为底板直达横波和巷道内管 波混叠; 同相轴3 为底板下界面反射波; 同相轴4 为巷道内声波。 从图3 地震记录中没有发现能量较强的在顶板中传播的各类波， 因此采用工作面激发地板接收的观测接收方式可以有效排除 顶板波的干扰。
3、水平声波剖面法(Horizontal Seismic Profiling．HSP)：最早 由日本OYO公司在20世纪50年代用于隧道前方地质探查 。其 工作原理与地表反射地震类似，是分析反射波走时计算地层界 面位臵。HSP施工布臵在距隧道迎头50～70 m范Ⅲ 内，同样在 一侧帮取2 m左右深裸孔放臵炸药，激发地震波，24个左右高 频传感器接收地震波。HSP数据处理经过波场分离和叠前偏移 可获得清晰的成像结果。图1为HSP法偏移结果的三维切片。
5、综合地震成像系统(Integrated Seismic ImagingSystem， ISIS)，是1999年由德国GFZ公司与基尔大学合作完成的一套地 震测试系统 。它将3个相互垂直状态的检波器，利用粘固剂固 定在锚杆上，按一定间距安装在隧道的墙面上。并利用TBM作 为震源激发地震波，从而接收地震记录。数据处理是采用 Fresnel—Volume偏移成像技术完成的。该方法可对隧道及井巷 工程掘进前方以及顶部的复杂地质构造进行较为全面的预报。
图6 为模型2 的200 ms 地震记录，与图3 模型1的地震记录相比较，可以发现 其中除了含有模型1 接收记录中的各类波同相轴外，还存在在工作面前方构 造界面上产生的绕射波同相轴1 和反射波同相轴2。
数据采集参数选择
1 激发装臵 1. 1 震源类型：激发装臵包括震源类型与触发方式。 要求震源能量大, 频率高, 和采用小药量爆炸震源在业 内已达成共识, 但高质量的震源信号还与岩体的围岩质 量、起爆时炮眼内是否注满水有关。同等条件下, 水中 起爆和无水起爆相比较, 其地震波的传播距离前者是后 者的1. 5~ 2倍, 地震波频率前者比后者高1. 5~ 3倍 , 在充 满水条件下可有效压制管波的干扰能量。
在龙东矿21 试煤采区回风巷迎头有限空间内展开，测线布臵巷 道左帮上，采用炸药震源。其炮孔20 个，接收传感器点为2 个 即C1、C2。传感器及炮孔顺序、方位及炮间距见图，炮点布臵 在左帮。其中C1 传感器距离S20 号炮点21.8m，C2 点距C1 点5m。 测点W20距离C2 传感器19.5m。采集数据是KDZ1114-6B30地震 仪利用两个三分量传感器C1、C2 接收20 炮地 数据。
图2 为模型1 地照震波波场在不同时刻的波场快。 图2( a) 表明，波场中存在顶 板纵波、顶板横波、 底板纵波、底板横波、巷道 内管波、巷道内声波、煤层 纵波、煤层横波以及在顶底 板界面和工作面上产生的 多次反射波、转换波、绕射 波等。由于传播时间较短， 在煤层内的煤层纵波和煤层 横波及顶、底板之间的多 次反射波混叠在一起。
地震波超前探测技术
地物10-2班 张明川 吴旭东 姜重昕
目前用于超前探测的方法主要有直接钻探法、地震波法、井 巷电阻率法、电磁波法等。其中反射地震波法是应用最多的 一种方法，具体来说，依据反射波原理超前探测的方法主要 有隧道地震剖面系统、隧道垂直地震剖面法、水平声波剖面 法、真反射成像法、综合地震成像系统以及陆地声纳法等。 1、隧道地震超前预报系统(Tunnel Seismic Predic—tion，TSP 系统；最新款为TSP一203型)：是由瑞士安伯格(Amberg)测量 技术公司研制的一套先进的地质超前预报探测系统。，采用 了回声测量原理，通过分析反射地震波信号的运动学和动力 学特征，对断层、岩石破碎等不良地质体的位臵、规模、产 状及岩石力学参数进行计算与界面提取成图。其成果解释依 据：正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；若s波 反射较P波强，则表明岩层饱含水；若Vp／Vs增加或泊松比突 然增大，常常由于流体的存在而引起；若下降，则表明裂隙 度或孔隙度增加；该方法有效探测距离在200 m左右。
4、真反射层析成像(True Reflection Tomography，TRT)是由 美国NSA工程公司20世纪90年代后期开发完成，目前在欧洲、 亚洲开始应用，其巾日本、澳大利亚和香港隧道工程中应用 最多 。 FRT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，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，布臵在巷道迎头、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。该方法对岩体中反射界面位臵的确定、岩体波速和工 程类别的划分等都有较高的精度
模拟过程中取Δx = Δz = 1 m，Δt = 0. 1 ms，震源函数采用 频率为150 Hz 的雷克子波纵波源激发，在施工现场考虑 安全因素可采用机械震源和小药量炸药震源等。模型边 界采用Cerjan 吸收边界，以减小人工边界产生的边界干 扰。根据以上差分格式和边界条件,利用计算机软件进行 数值模拟。