王 季，覃 思，陸 斌，吳 海，趙朋朋

（中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

巷道掘進是最易發(fā)生煤礦安全事故的工序之一，其中隱伏在煤層及其圍巖內(nèi)的地質(zhì)異常體，如小斷層、采空區(qū)、陷落柱活化、煤與瓦斯局部應力集中等，是誘發(fā)災害事故的主要因素［1］。 目前，針對掘進巷道側幫與前方地質(zhì)異常體的物探方法主要有：瞬變電磁法［2］、直流電法［3］、反射震波法［4-6］、反射槽波法［7-8］等。 但是目前巷道的物探方法均需要在停止掘進機作業(yè)的條件下開展探測施工，有的甚至要求掘進機回退一定距離以減少對探測結果的影響。 這就造成了探測作業(yè)和采掘作業(yè)的不協(xié)調(diào)，即“探采失調(diào)”問題，嚴重影響掘進效率。 當前，我國礦井正向著智能化、無人化開采階段邁進，需要在不間斷掘進作業(yè)的條件下，實時完成巷道前方和側幫地質(zhì)異常體的探測［9］。 對地震類探測方法而言，這就要求不能再使用炸藥作為震源，而是將掘進機在掘進過程中切割巖石產(chǎn)生的震動作為震源，利用連續(xù)的震動波遭遇地質(zhì)異常體時產(chǎn)生的回波實現(xiàn)巷道前方和側幫探測，在正常掘進的同時隨掘隨探，保障煤礦巷道的安全快速掘進［10］。

利用掘進機隨掘震源的地震勘探在國外開展的較早，2001 年，TAYLOR 等［11］就曾經(jīng)以掘進機隨掘震源開展了掘進工作面前方地質(zhì)條件的超前探測；2002 年，PETRONIO 等［12］以隧道掘進機震動為隨掘震源，進行了隧道隨掘地震探測試驗并取得了初步效果。 在國內(nèi)，2015 年，覃思等［13-14］開展了井下掘進機隨掘震源的反射試驗，成功提取了來自巷道的反射波。 程久龍等［15］對掘進機震源的震源特征、數(shù)據(jù)處理方法等方面開展了深入的理論研究，與傳統(tǒng)炸藥震源相比，以掘進機震動為隨掘震源的地震探測需要在巷道掘進的過程中長時間連續(xù)采集，采集到的隨掘地震信號具有數(shù)據(jù)量巨大、震源能量低、干擾強、信噪比低的特點，因此采用隨掘地震信號對巷道掘進面前方斷層等地質(zhì)異常體成像具有較高的技術難度。

筆者結合實際開展的井下隨掘探測試驗，采用選定片段長度和參考道、數(shù)據(jù)評價與篩選、脈沖化、濾波與去噪、偏移成像等5 個階段逐步完成了基于掘進機震源的隨掘巷道側前方斷層的成像和探測。

1 隨掘震源波反射波成像原理

掘進過程中掘進機的截割頭切割巖石，產(chǎn)生以S 波為主的地震波［15］，此地震波具有一定周期性，其周期與截割頭轉速有關。 另一方面，由于截割頭的作用使巖石產(chǎn)生破裂和垮落，產(chǎn)生以P 波為主的地震波，此地震波的隨機性強，震源表現(xiàn)為隨機出現(xiàn)的多個脈沖信號。 每1 個脈沖信號可以看作是1 次少量炸藥激發(fā)的彈性波震源。 彈性波在離開震源向外傳播的過程中，由于煤層的傳導作用形成槽波，具有頻散等槽波的基本性質(zhì)。

互相關干涉是將連續(xù)震源信號轉換為脈沖信號的有效方法。 雖然槽波為頻散波，但互相關干涉同樣適應于頻散波。 這是由于不同頻率正弦波的正交性，不同頻率波組的互相關為零，只有相同頻率的波組互相關不為零［16］。 因此某一道槽波在頻率ω上諧波分量表示為

其中：x為傳播距離；t為傳播時長；k是波數(shù)；w（k）為震源子波的頻譜。 而與參考道的地震信號r（x0，t0，w）求互相關函數(shù)γ（x，t，w）為

其中：f與f*、w與w*為共軛復數(shù)。 可以看出，互相關函數(shù)是1 個特殊的地震信號，它的子波是震源子波的自相關函數(shù)，而傳播距離為參考道與地震道之間的距離x-x0，傳播時長為從參考道到地震道的傳播時間t-t0。 由于隨掘震源的子波為弱周期信號與隨機脈沖信號的疊加，其自相關函數(shù)近似于脈沖信號。 因此通過互相關可以將連續(xù)的隨掘地震數(shù)據(jù)脈沖化為虛擬的單炮記錄，其虛擬炮點位于參考道所在的點上。

隨掘地震波在煤層內(nèi)傳播的過程中，在遭遇斷層等地質(zhì)異常體后產(chǎn)生反射波，反射波沿煤層向回傳播，被安裝在煤層中的檢波器接收，因此檢波器接收到的既有隨掘地震波的直達波又有反射波，如圖1 所示。

圖1 隨掘反射波示意Fig.1 Diagram of reflection waves while drilling

反射波的傳播距離xr為震源點到反射點的距離xr1與反射點到接收點的距離xr2的和。 如果忽略反射過程造成的子波變化，則根據(jù)式（2）可知，接收點處的反射波與參考道直達波的互相關函數(shù)為

式中：tr為反射波的傳播時間。

由此可知，反射波互相關函數(shù)的子波與直達波的相同，都是震源子波的自相關函數(shù)。 互相關形成的虛擬單炮記錄，炮點仍位于參考點上，而傳播距離為xr-x0，傳播時間為tr-t0。

對于直達波和反射波，如果在互相關后得到的虛擬單炮記錄前面補零，將t0補回單炮記錄中，則補零后單炮記錄的震源點為實際的掘進機位置，且直達波與反射波的傳播距離和時延都是相對于實際震源點的。 也就是說，補零后的虛擬單炮記錄可以看作是在掘進工作面爆破所得到的單炮記錄，與參考道位置無關。 在巷道掘進的多個階段，分別采集并互相關后，就能得到多個虛擬單炮記錄，每個記錄的炮點位置都在當時的掘進面處。 對于多炮記錄就可以采用反射槽波探測的方法實現(xiàn)偏移成像。

2 隨掘地震處理的主要步驟

隨掘地震一般采用布置在巷道側幫的多道深孔或淺孔內(nèi)的檢波器接收地震信號，利用能夠長時記錄或實時網(wǎng)絡傳輸?shù)牡卣饍x記錄地震數(shù)據(jù)。 記錄到的井下地震信號中除了掘進機切割煤壁的震動外還包含多種噪聲成分，包括帶式輸送機、風筒、水泵等機械設備產(chǎn)生的震動噪聲以及電路和其他電氣設備產(chǎn)生的電噪聲。 在強噪聲背景中的長時連續(xù)信號無法直接用于成像，需要經(jīng)過多個步驟將其處理為虛擬單炮記錄后，再用繞射偏移的方法進行成像。 因此，對掘進機震源的地震數(shù)據(jù)成像的過程大致可分為：選定片段長度和參考道、數(shù)據(jù)評價與篩選、脈沖化、濾波與去噪、偏移成像共5 個步驟。

2.1 選定時間片段

目前我國多數(shù)煤礦巷道掘進作業(yè)的平均日進尺在10 m 以內(nèi)。 對成像而言，掘進機在數(shù)個小時內(nèi)移動的距離小于剖分網(wǎng)格的間距，因此可認為這幾個小時內(nèi)震源位置不變，這就可以將這幾個小時內(nèi)采集到的連續(xù)數(shù)據(jù)轉化為單炮數(shù)據(jù)。 如何確定這個時間段的長度，需要根據(jù)巷道掘進的實際情況和成像剖分網(wǎng)格的大小綜合決定。 另外，參考道的選取對有效隨掘信號的提取具有決定性作用。 一般選取距離掘進機最近的地震道作參考道，但當掘進機附近有強干擾源時，也可用其他道替代。

2.2 數(shù)據(jù)評價與初選

采集數(shù)據(jù)的過程中，掘進機并非一直處于切割煤壁的狀態(tài)，還包括掃煤、空轉和停機等多種狀態(tài)。當采煤機不切割煤壁時，不能產(chǎn)生強的震源信號，采集到數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，需要從數(shù)據(jù)集中剔除以提高處理效率。 選擇無效數(shù)據(jù)的標準一般為地震信號的平均振幅，這是由于掘進機切割煤壁時產(chǎn)生的震動能量較強，可達其他狀態(tài)下平均振幅的數(shù)倍。 通過設定閾值，選取平均振幅大于閾值的時間片段，就可以初選出有效數(shù)據(jù)。 具體閾值與煤層厚度、煤質(zhì)硬度、圍巖巖性、掘進機類型和功率的多種因素有關，需要在工程中根據(jù)實際采集的數(shù)據(jù)調(diào)整。

2.3 數(shù)據(jù)的脈沖化

脈沖化是隨掘地震信號處理的核心步驟，其目的是將連續(xù)地震數(shù)據(jù)轉化為虛擬單炮數(shù)據(jù)，從而可以用常規(guī)方法進行后續(xù)的處理和成像。 脈沖化方法也被稱為地震干涉算法，常用的地震干涉算法有互相關算法、反褶積算法、互相干算法等。 其中互相關算法簡單且適用性高，是隨掘地震中最常使用的方法［17-18］。

設選取的時間片段長度為T，參考道的地震信號為s0（t），則求出每一道地震信號si（t）與s0（t）的歸一化互相關函數(shù)ri（τ）為

其中：τ∈ 0，N[ ]；N為設定的脈沖化數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)；t0為槽波由當前掘進機位置傳播至參考點所需的時間。 設掘進機的平面位置為（xs，ys），參考點平面位置為（x0，y0），基階槽波Airy 相的速度為vc，則

將si（-t0）至si（O）這段數(shù)據(jù)補零，對M道地震數(shù)據(jù)分別用式（4）求與參考道的互相關，將結果排列成N×M的矩陣，就得到脈沖化后的虛擬單炮記錄，其中虛擬炮點的位置為掘進機所在位置。

2.4 篩選與去噪

在地質(zhì)條件良好的礦井中，正常掘進時采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，脈沖化后能形成能量較強的直達波與槽波波列。 然而大多數(shù)礦井受地質(zhì)條件影響，巷道內(nèi)鉆孔、噴錨、抽水等作業(yè)較多，一方面使有效掘進的時間減少，另一方面為采集系統(tǒng)帶來了較強的震動噪聲干擾。 因此，脈沖化后的掘進機震源數(shù)據(jù)質(zhì)量一般會低于炸藥震源數(shù)據(jù)。 在將脈沖化數(shù)據(jù)用于成像之前需要對其進行篩選和去噪。 篩選的目的是為了能夠找出時間片段內(nèi)正常掘進的比例較高的脈沖化記錄。 1 個簡單而有效的篩選方法是計算直達波的信噪比。 對1 個M道N個采樣點的脈沖化記錄，直達波信噪比為

其中：ti為每一道直達波的到時；Tw為預先設定的1 個時窗長度。 對每1 個脈沖化記錄進行處理，通過式（6）計算每個脈沖化記錄的直達波信噪比，判斷此脈沖化記錄是否大于預先設定的閾值，最終篩選出直達波清晰的脈沖化記錄做成道集。 經(jīng)過挑選的脈沖化記錄仍然包含較多的噪聲，可采用常規(guī)的濾波與反褶積方法進行處理，如用梳狀濾波器濾除工頻干擾，用反褶積方法增強直達波和反射波信號［19］，用濾波或約束反演去噪［20］等進一步增強有效信號。

2.5 偏移成像

對脈沖化后隨掘數(shù)據(jù)的成像方法與對槽波數(shù)據(jù)的方法相同，可采用基于射線理論的繞射偏移法實現(xiàn)對斷層的成像［19-21］。 將探測區(qū)域內(nèi)的煤層視為1個平面，設P（x，y）為平面內(nèi)一點，則該點上的疊加振幅為

式中：K為經(jīng)過篩選的脈沖化記錄的數(shù)量；M為地震道數(shù)；A（tij）為第i個脈沖化記錄中第j道信號在tij時刻的瞬時振幅；vg為基階槽波Airy 相的速度；dij為P（x，y）點到第i個脈沖化記錄對應的掘進機位置和第j個檢波器的距離的和。

如果脈沖化記錄較少或掘進機總進尺較少，采用式（7）所得的成像結果有畫弧現(xiàn)象，但是隨著掘進進尺的增加，畫弧現(xiàn)象將逐漸減弱，真實存在的反射點上將出現(xiàn)明顯異常，指示該區(qū)域可能存在斷層或其他地質(zhì)異常體。

3 巷道隨掘地震探測實例

山西寧武榆樹坡煤礦1215 工作面主采2 號煤，平均煤厚4.1 m。 該煤層位于太原組上部，K2砂巖下，煤層結構較簡單，直接頂為泥巖，基本頂為粉砂巖，底板為泥巖。 地面三維地震勘探結果顯示：1215工作面回風巷開口以里390 m 處存在1 條較大斷層XDF9，該斷層位于巷道回采側，落差為8 m（圖2）。

為開展隨掘地震探測試驗，在1215 回風巷內(nèi)布置觀測系統(tǒng)。 隨掘地震觀測系統(tǒng)分為深孔和淺孔2類。 淺孔的孔深為3 m，共20 個，孔間距5 m，每個淺孔內(nèi)各埋入1 個三分量淺孔檢波器，埋入淺孔后通過氣囊充氣使檢波器貼壁，再向孔內(nèi)填入炮泥以減少聲波干擾；深孔的孔深為40 m，共1 個，深孔內(nèi)埋入5 級Z 分量檢波器，道間距10 m，同樣通過氣囊充氣使檢波器貼壁。 采用YTZ3 型礦井自記式地震儀連續(xù)記錄地震數(shù)據(jù)。 本次試驗從2019 年7 月26 日開始至同年8 月25 日結束，共31 d，總進尺68 m，期間共采集了12 次有效數(shù)據(jù)，每次采集時間為10 h，采樣率為0.25 ms。

圖2 1215 工作面回風巷Fig.2 Air-return roadway of No.1215 working face

綜合1215 工作面的地質(zhì)特點和掘進速度，選取20 min 為時間片段的長度。 7 月26 日采集的1 個時間片段內(nèi)的隨掘數(shù)據(jù)，其中第1 道至第3 道分別為距離巷道掘進面最近的檢波器的X、Y、Z分量，第4 道至第6 道分別為第2 個檢波器的3 個分量，依次排列，第61 道至第65 道分別為深孔檢波器由遠及近的5 道。 從圖3 中可以看出，在從200—600 s、700—1 100 s 這2 個時段內(nèi)地震波具有較大的振幅，表明此2 個時段內(nèi)的掘進機處于正常掘進的狀態(tài)。 由于該數(shù)據(jù)片段內(nèi)正常掘進的時間較長，為有效時間片段，可進行下一步處理。

圖3 由10 ∶40 至11 ∶00 隨掘地震數(shù)據(jù)Fig.3 Data of seismic while drilling from 10 ∶40 to 11 ∶00

采用式（4）將此時間片段的隨掘地震數(shù)據(jù)脈沖化，采樣點數(shù)設為6 000，根據(jù)同煤層其他區(qū)域槽波探測的工程經(jīng)驗選取槽波Airy 相速度1 100 m/s。圖4 是得到的脈沖化數(shù)據(jù)。 脈沖化后的地震記錄中包含較強的直達槽波，其形態(tài)與炸藥震源激發(fā)產(chǎn)生的單炮記錄具有很高的相似性，其波速與已知的槽波Airy 相速度相同，為1 100 m/s。

圖4 由10 ∶40 至11 ∶00 的脈沖化地震記錄Fig.4 Pulsed seismic traces from 10 ∶40 to 11 ∶00

在新獲得每個脈沖化記錄后，用式（6）對該記錄進行評價。 圖5 為另1 個時間片段得到的脈沖化記錄，此記錄中含有較強的噪聲，這是由于掘進機雖然正常工作，但切割煤壁的力量較弱，產(chǎn)生的槽波信號信噪比低。 通過評價，可將此類脈沖化記錄剔除，以免對成像結果造成不良影響。

圖5 由11 ∶40 至12 ∶00 的脈沖化地震記錄Fig.5 Pulsed seismic traces from 11 ∶40 to 12 ∶00

經(jīng)過篩選之后，需要進一步對脈沖化記錄進行濾波和去噪。 圖6 為圖4 中的地震記錄經(jīng)過110 ～250 Hz 的帶通濾波器濾波后的結果。 可以看出，直達槽波更加突出，噪聲得到了一定程度的壓制。 需要注意的是，在直達槽波波列的下方存在一組振幅較弱的波列，如圖中箭頭所示，此波列與直達槽波波列近似平行，可能為斷層的反射波。

圖6 帶通濾波后的脈沖化地震記錄Fig.6 Pulsed seismic traces after band-pass filtered

對多個脈沖化記錄用式（7）進行偏移成像，最終獲得的成像結果如圖7 所示，圖中顏色對應于歸一化疊加振幅。 由圖可見，在1215 回風巷煤壁內(nèi)側約60 m 處存在1 個較強的異常條帶，此條帶方位角為NE，若沿此條帶的兩端延伸，則西端與多條大巷揭露的1 個3.5 m 斷層相連，而東端則與地面地震解釋的斷層XDF9 相連。 因此判斷XDF9 斷層未與巷道在延伸方向相交，而是沿異常條帶所在方向延伸，與大巷揭露的3.5 m 斷層為同一斷層，如圖7 中灰線所示。 試驗后1215 回風巷繼續(xù)掘進，據(jù)礦方反映，巷道中未見斷層揭露，XDF9 斷層位置與預測結果一致。

圖7 斷層成像結果Fig.7 Results of fault imaging

4 結 論

1）以掘進機掘進過程中產(chǎn)生的震動作為震源替代炸藥震源，在巷道掘進的過程中開展隨掘地震探測，能夠有效探測煤壁內(nèi)斷層的發(fā)育情況，結合已有的地質(zhì)揭露和其他探測成果，可實現(xiàn)巷道掘進前方斷層位置的預測。

2）隨掘地震探測數(shù)據(jù)量巨大，但其中存在大量的無效數(shù)據(jù)，水泵、風機等持續(xù)的噪聲源會產(chǎn)生假的地震波列影響探測結果的準確性，因此有效的隨掘數(shù)據(jù)評價和篩選方法對探測成果具有重要的意義。

3）使用反射槽波的成像方法可以用隨掘地震波實現(xiàn)巷道壁內(nèi)斷層的成像，但是直接對巷道掘進工作面的正前方區(qū)域成像尚缺乏理論基礎，這是由于沿巷道壁傳播的地震波是一種特殊類型的波，即所謂的“巷道振型槽波”，可以看作是一種由槽波激發(fā)產(chǎn)生的面波，其頻散性和傳播規(guī)律復雜，因此目前僅能實現(xiàn)掘進面?zhèn)惹胺絽^(qū)域的成像，再推斷出巷道延伸線與斷層的交點位置。