王 季，覃 思，吳 海，張慶慶，余俊輝，蘇曉云

隨掘地震實時超前探測系統(tǒng)的試驗研究

王 季，覃 思，吳 海，張慶慶，余俊輝，蘇曉云

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦智能化建設(shè)要求采用智能化地質(zhì)探測技術(shù)在巷道掘進過程中實時完成掘進前方區(qū)域的探測和預(yù)報?；谠诰€式礦井地震監(jiān)測分站構(gòu)建的隨掘地震實時探測系統(tǒng)能夠在巷道掘進的同時，采集以掘進機震動為震源的隨掘地震數(shù)據(jù)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。隨掘地震數(shù)據(jù)處理軟件從數(shù)據(jù)庫中獲取當(dāng)前隨掘數(shù)據(jù)，經(jīng)過篩選、提取虛擬炮集和偏移成像等步驟對掘進前方和側(cè)前方一定區(qū)域進行反射槽波成像。為驗證系統(tǒng)性能和探測結(jié)果的有效性，在正開展掘進作業(yè)的山西榆樹坡煤礦5106回風(fēng)巷內(nèi)安裝隨掘地震實時探測系統(tǒng)，對該巷道開展為期數(shù)個月的隨掘跟蹤探測試驗，探測系統(tǒng)實時采集隨掘地震數(shù)據(jù)并成像，隨著掘進長度的增加，每日的探測結(jié)果不斷顯示5106工作面內(nèi)存在一條隱伏斷層，后期的反射槽波探測和鉆探工作驗證了該斷層的存在。試驗結(jié)果表明，隨掘地震實時探測系統(tǒng)能夠在掘進過程中不斷利用掘進機激發(fā)的地震信號對巷道前方和側(cè)前方區(qū)域成像，從而在不影響掘進施工的條件下，實現(xiàn)了巷道側(cè)前方地質(zhì)異常體的連續(xù)跟蹤探測和實時監(jiān)測，達(dá)到了智能掘進系統(tǒng)對地質(zhì)探測能力的要求。

隨掘地震；超前探測；智能地質(zhì)探測；掘進機震源；反射槽波

5G通信、人工智能和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)引入煤礦建設(shè)，推動了煤炭開采向智能化發(fā)展。2020年山西省頒布的DB14/T 2060— 2020《智能煤礦建設(shè)規(guī)范》[1]將煤礦信息化劃分為3個等級，其中一級提出了掘進工作面監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)要求。在(晉能源煤計發(fā)〔2020〕596號)《山西省煤礦智能化建設(shè)評定評分方法》[2]中進一步細(xì)化了建設(shè)要求，明確提出了須采用智能地質(zhì)探測技術(shù)與裝備建設(shè)智能掘進系統(tǒng)。

巷道超前物探技術(shù)一直以來都是保障煤礦安全開采的重要手段[3]。常用的巷道超前物探技術(shù)有直流電法[4]、瞬變電磁法[5]和反射地震法[6-7]等。目前的超前物探方法在開展探測時，都需要暫停掘進作業(yè)以減少掘進機等金屬體或機械振動為探測數(shù)據(jù)帶來的影響，無法在掘進的同時邊掘邊探、隨掘隨探。近年來，中煤科工集團西安研究院有限公司在反射槽波探測技術(shù)[8-10]、巷道超前地震探測技術(shù)[11]和隨采地震探測技術(shù)[12]的基礎(chǔ)上，開展了隨掘地震探測技術(shù)的研究工作。該技術(shù)以掘進機在掘進作業(yè)中切割巖石產(chǎn)生的震動作為震源，利用連續(xù)震動波的回波實現(xiàn)超前探測。經(jīng)過多次實驗，覃思等[13]成功從連續(xù)地震數(shù)據(jù)中提取出了來自巷道的反射波。王季等[14]采用YTZ3型自記式地震儀對掘進中的巷道開展了隨掘跟蹤探測試驗，實現(xiàn)了基于隨掘地震數(shù)據(jù)的巷道側(cè)前方斷層成像。受到地震儀電池和數(shù)據(jù)記錄方式的限制，施工人員需要定期下井更換地震儀，升井后才能導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進行處理，因此，不能實時進行隨掘隨探。為了實現(xiàn)實時隨掘探測的目的，新研制出了在線式礦井地震監(jiān)測分站[15]，可長期安裝于井下巷道內(nèi)，實時采集地震數(shù)據(jù)并通過光纖傳輸至地面。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的隨掘地震實時探測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地從大量地震數(shù)據(jù)中尋找異常構(gòu)造的回波信號，動態(tài)完成掘進巷道前方與側(cè)前方探測。隨掘地震實時探測系統(tǒng)可以在不影響掘進施工的條件下，實時動態(tài)地呈現(xiàn)當(dāng)前掘進頭前方異常地質(zhì)構(gòu)造的探測結(jié)果，這一特點達(dá)到了煤礦智能化建設(shè)對掘進系統(tǒng)的智能地質(zhì)探測技術(shù)的基本要求。

為了檢驗隨掘地震探測系統(tǒng)對異常構(gòu)造的探測能力，以及實時數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的性能，在華陽集團榆樹坡煤礦5106工作面回風(fēng)巷道的掘進過程中，安裝了隨掘地震實時探測系統(tǒng)，從巷道進尺為260 m時開始跟蹤探測，至進尺510 m時結(jié)束。在探測過程中實時采集井下地震數(shù)據(jù)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心機房，實現(xiàn)了掘進過程的實時探測。

1 隨掘地震實時探測系統(tǒng)

隨掘地震實時探測系統(tǒng)可分為井下的實時數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備和地面的數(shù)據(jù)庫與實時數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)2個部分，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 隨掘地震探測系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 實時地震數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備

隨掘地震實時探測系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的設(shè)備為KJ959-F型礦用本安型隨掘監(jiān)測分站。該型監(jiān)測分站可同時采集6個通道的地震信號，最高采樣率為1.95 kHz。與監(jiān)測分站相配套的有GZC10型礦用單分量拾震器和機械推靠裝置。通過推靠裝置將拾震器安裝在煤壁上2 m深度的孔內(nèi)，與監(jiān)測分站通過電纜相連，實現(xiàn)煤層內(nèi)地震波的采集。

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備為KTG127型礦用隔爆型光端機和KT105A-J1礦用本安型光纖交換機，傳輸速率可達(dá)100 Mbps。每個監(jiān)測分站配套一臺光端機，將采集到的數(shù)據(jù)通過鎧裝光纜和光纖交換機傳輸至地面服務(wù)器上。

1.2 數(shù)據(jù)庫與實時隨掘地震數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

隨掘地震實時探測系統(tǒng)的地面部分主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和處理監(jiān)測工作站組成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上運行數(shù)據(jù)庫和與監(jiān)測分站的接口程序。接口程序從網(wǎng)絡(luò)中接收由各個監(jiān)測分站傳輸?shù)膶崟r地震數(shù)據(jù)，并將地震數(shù)據(jù)實時記錄在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中還記錄了觀測系統(tǒng)參數(shù)、各拾震器的位置和狀態(tài)、當(dāng)前掘進機所在位置等信息。

隨掘地震數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測軟件運行在工作站上，實時地從數(shù)據(jù)庫中取得當(dāng)前數(shù)據(jù)和參數(shù)，進行隨掘地震數(shù)據(jù)的處理和成像，并通過軟件界面實時顯示巷道掘進前方和側(cè)前方一定區(qū)域的地質(zhì)異常情況。隨掘地震實時數(shù)據(jù)處理的流程如圖2所示，可分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)選擇與評價[16]、虛擬炮集提取[17-18]、篩選與去噪[19]、偏移成像[20]等多個步驟。

圖2 隨掘地震數(shù)據(jù)處理流程

① 數(shù)據(jù)獲取 根據(jù)時間片段的長度設(shè)置定時器，定時從數(shù)據(jù)庫中獲取當(dāng)前時間片段內(nèi)新產(chǎn)生的多道隨掘地震數(shù)據(jù)。

② 數(shù)據(jù)選擇與評價 對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)其平均振幅的大小判斷掘進機的當(dāng)前狀態(tài)是否正常，如果未開機或空轉(zhuǎn)則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)。

③ 提取虛擬炮集 以距掘進機最近的地震道為參考，采用地震干涉算法將一段時間的連續(xù)地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬炮集。

④ 篩選與去噪 以直達(dá)波的信噪比為依據(jù)，評估虛擬炮集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，丟棄因掘進機未能有效切割或受其他隨機噪聲影響而產(chǎn)生的低信噪比虛擬單炮記錄，并對篩選的單炮記錄進行濾波和去噪。

⑤ 偏移成像 每產(chǎn)生一個合格的單炮記錄之后進行一次偏移成像，按照掘進進尺為每炮記錄設(shè)置不同權(quán)重，采用繞射偏移算法實現(xiàn)掘進機前方和側(cè)前方探測區(qū)域的成像。

2 榆樹坡煤礦5106回風(fēng)巷隨掘?qū)崟r監(jiān)測試驗

華陽集團榆樹坡煤礦位于山西省寧武縣，5106工作面主采5號煤層，煤層平均厚度14.8 m，厚度穩(wěn)定，位于太原組下部，頂板為泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，煤層內(nèi)含多層泥巖夾矸。5106回風(fēng)巷采用機掘方式，計劃掘進970 m。地面三維地震勘探成果顯示工作面內(nèi)存在一條斷層。為在掘進中跟蹤斷層對巷道的影響，驗證隨掘地震實時監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，在5106回風(fēng)巷內(nèi)安裝了隨掘地震實時探測系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 5106回風(fēng)巷隨掘地震實時探測系統(tǒng)布置

受到巷道內(nèi)鉆場影響，在5106回風(fēng)巷煤壁上共布置20個鉆孔，孔深3 m，孔內(nèi)安裝分量拾震器，道間距10 m，跨鉆場檢波點道間距20 m，全部測線長度230 m。使用4套監(jiān)測分站與光端機采集和傳輸數(shù)據(jù)，從巷道至井下配電室的光纖交換機共鋪設(shè)鎧裝光纜約2 000 m。

監(jiān)測分站的采樣頻率為4 kHz，對于20道數(shù)據(jù)而言，每秒鐘將產(chǎn)生375 kB的數(shù)據(jù)，考慮到損耗和其他數(shù)據(jù)傳輸，需要5 Mbps以上帶寬的網(wǎng)絡(luò)才能及時傳輸數(shù)據(jù)。榆樹坡礦主干網(wǎng)絡(luò)為100 Mbps光纖網(wǎng)絡(luò)，隨掘系統(tǒng)通過光交換機直接接入主干網(wǎng)絡(luò)，因此，帶寬能夠滿足要求。

5106回風(fēng)巷的隨掘地震實時探測工作從10月中旬持續(xù)至12月上旬，期間巷道總進尺為250 m，正常掘進作業(yè)的日進尺為5～8 m。監(jiān)測期間開展了2 次防治水工程施工，施工期間停止了掘進作業(yè)，隨掘采集也相應(yīng)中斷?？傆嬘行Ь蜻M57 d，共記錄1.2 TB的地震數(shù)據(jù)。

3 隨掘?qū)崟r監(jiān)測試驗分析

連續(xù)采集的地震數(shù)據(jù)基本為噪聲信號，其中不僅包含了掘進機切割煤壁的震動，還包含帶式輸送機、風(fēng)筒、水泵等機械設(shè)備產(chǎn)生的震動噪聲以及電路和其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的電噪聲。圖4是10月11日14時至15時采集到的井下地震數(shù)據(jù)，15時以后停止掘進。圖中數(shù)據(jù)既含有掘進作業(yè)產(chǎn)生的噪聲信號，也含有巖石破裂而產(chǎn)生的脈沖信號。為了從連續(xù)數(shù)據(jù)中尋找有效地震信號，需要對其進行脈沖化處理，提取虛擬炮集。

圖4 原始隨掘地震數(shù)據(jù)

由于掘進的日進尺較小，可忽略掘進機在一段時間內(nèi)的位置變化，認(rèn)為這段時間內(nèi)震源在同一個點上。選取時間片段的長度為20 min，參考道為距離掘進機最近的20道，采用地震干涉算法[16]對多個時間片段進行脈沖化。圖5是10月11日數(shù)據(jù)脈沖化的結(jié)果。可以看出，經(jīng)過脈沖化后隨掘地震數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為虛擬單炮地震記錄，炮點位置為掘進機所在位置。在虛擬單炮記錄中，能夠直接識別出由掘進機產(chǎn)生的直達(dá)槽波，根據(jù)到時計算出直達(dá)槽波的速度為1 100 m/s，與本煤層槽波Airy相速度一致。在圖5中直達(dá)槽波之后大約100 ms處，存在一組與直達(dá)槽波近似平行的波列。該波列雖然振幅明顯弱于直達(dá)波，但是道間一致性較強，能夠較容易地識別。依據(jù)這組波列的到時和1 100 m/s的槽波速度判斷，此組波列是來自于掘進頭側(cè)前方煤層內(nèi)某點的反射槽波。圖6是利用槽波繞射偏移算法由圖5的虛擬單炮記錄獲得的成像結(jié)果，從成像結(jié)果中異常區(qū)內(nèi)一點繪制與炮點(掘進機位置)和各檢波點的連線，再根據(jù)直達(dá)槽波速度可求出各道對應(yīng)的時距曲線，如圖5中下面一條曲線所示。

圖5 10月11日隨掘虛擬單炮記錄

由于僅有一炮的虛擬炮集，導(dǎo)致成像結(jié)果中巷道的側(cè)方和側(cè)前方存在一條呈弧線的異常區(qū)，表明在異常區(qū)內(nèi)存在斷層或其他異常構(gòu)造形成的反射面。需要注意的是，并不是全部弧形異常區(qū)都是斷層，而是其中某一段可能是一條斷層的某一部分，因此，不能通過單炮成像結(jié)果判斷斷層形態(tài)，需要疊加多炮結(jié)果綜合成像。對于隨掘數(shù)據(jù)而言，需要跟蹤較長的一段掘進距離，從而等效為多炮記錄，在此基礎(chǔ)上的成像結(jié)果才可作為判斷斷層的依據(jù)。

圖6 10月11日隨掘數(shù)據(jù)成像結(jié)果

圖7是由10月16日、10月22日、10月29日、11月7日、11月23日、12月3日的隨掘數(shù)據(jù)得到的虛擬炮集和實時成像結(jié)果。這幾日的累計掘尺分別為276、301、316、376、424、500 m?？梢钥闯?，虛擬炮集上反射槽波一直存在，隨著掘進距離的增加，有效的虛擬炮數(shù)不斷增加，成像結(jié)果的畫弧現(xiàn)象不斷減弱，異常區(qū)逐漸集中在一段區(qū)域內(nèi)。

從12月3日隨掘數(shù)據(jù)得到的綜合成像結(jié)果可以看出，經(jīng)過多日連續(xù)監(jiān)測形成了多炮數(shù)據(jù)，由多炮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的成像結(jié)果減少了畫弧現(xiàn)象，所形成的異常區(qū)域為一個線狀條帶，與反射槽波探測中斷層的表現(xiàn)一致，因此解釋此區(qū)域存在一條與巷道接近平行的斷層CF1，如圖中黑色線條所示。

圖7 掘進過程中多日的虛擬炮集及實時成像結(jié)果

為了對比隨掘地震探測與反射槽波探測效果，在5106回風(fēng)巷掘進至580 m處時，在巷道內(nèi)又開展了一次反射槽波探測，共鋪設(shè)測線570 m，安裝檢波器58道，設(shè)置炮點51個，道間距10 m，炮間距10 m。震源采用0.3 kg的炸藥在孔深為3 m的炮孔中激發(fā)。圖8是采集的槽波數(shù)據(jù)，圖9是反射槽波探測的觀察系統(tǒng)布置及根據(jù)反射槽波方法得到的成像結(jié)果。由槽波數(shù)據(jù)中直達(dá)波到時分析得到槽波Airy相速度為1 100 m/s，與隨掘數(shù)據(jù)中求得的速度一致。在數(shù)據(jù)中能夠識別出2個反射波列，如圖8中箭頭所示，分別對應(yīng)成像結(jié)果中的2處條帶狀異常。較強異常區(qū)的位置與5106運輸巷一致，認(rèn)為數(shù)據(jù)中的反射波來自于運輸巷。另一個在距離回風(fēng)巷較近的位置存在一個較弱的異常區(qū)。對比圖7中12月3日隨掘地震成像結(jié)果，其中CF1斷層與此異常區(qū)的位置和走向基本一致。因此，無論是炸藥震源還是掘進機震源，都能夠在CF1斷層處產(chǎn)生反射槽波，采用隨掘地震數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)巷道側(cè)前方斷層成像。在5106回風(fēng)巷掘進的過程中，礦方分別在累計進尺277 m和560 m處（圖9中紫色線）向工作面內(nèi)打探放水孔，在深度約50 m處均揭露巖石，經(jīng)多角度驗證為斷層，而所有已掘的5106回風(fēng)巷并未直接揭露斷層。

圖8 5106回風(fēng)巷反射槽波數(shù)據(jù)

圖9 5106回風(fēng)巷反射槽波成像結(jié)果

4 結(jié)論

a. 通過在華陽集團榆樹坡煤礦5106回風(fēng)巷掘進過程中跟蹤開展隨掘地震的連續(xù)監(jiān)測試驗，對隨掘地震數(shù)據(jù)實時采集、傳輸、存儲和處理的軟硬件系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足隨掘?qū)崟r探測的需要，在掘進過程中不斷利用掘進機震源的地震信號對巷道前方和側(cè)前方區(qū)域成像，實現(xiàn)斷層等地質(zhì)異常體的連續(xù)跟蹤探測。

b. 從多日數(shù)據(jù)的成像結(jié)果可以看出，跟蹤掘進距離較短時產(chǎn)生的畫弧現(xiàn)象較為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致斷層位置的判斷偏差；隨著跟蹤距離的累積，畫弧現(xiàn)象減弱，斷層成像效果得到改善。

c. 榆樹坡煤礦5106回風(fēng)巷的平均日進尺不足10 m，為1～2個成像網(wǎng)格，因此，在處理上將一天的隨掘數(shù)據(jù)脈沖化為1～2炮的虛擬單炮記錄，成像結(jié)果一天更新1～2次。隨著智能掘進技術(shù)的進步，日進程量將進一步提升，隨掘成像結(jié)果的更新頻率也將相應(yīng)提高，從而更好地體現(xiàn)隨掘監(jiān)測系統(tǒng)的實時性。

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Experimental study on advanced real time detection system of seismic-while-excavating

WANG Ji, QIN Si, WU Hai, ZHANG Qingqing, YU Junhui, SU Xiaoyun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The construction of intelligent loal mine requires the employment of the intelligent geological exploration technology to detect and predict front area in the process of roadway tunneling. The real time detection system of seismic while excavating is constructed on the basis of on-line seismic monitoring stations. The acquired seismic data is inspired by vibration of the tunneling machine, and is transmitted on optical fiber network to the database server located on the ground. The processing software acquires current seismic data from the database, through the steps of screening, pulsing and migration, imaging the front and side area of roadway head by reflected in-seam wave. In order to verify the performance and effectiveness of this system, we installed the real time detection system in the 5106 air return roadway of the Yushupo Coal Mine, and took a tracking detection test for several months. The detection system collected real-time seismic data, imaging in real time while excavating. With the increasing of the tunneling length, daily detection results show that there is a hidden fault existing in working face 5106. The fault has been verified by later drilling and detection of reflected in-seam wave. That means this real time detection system has the ability to image the area in front and side of the roadway by seismic signal generated from the road-header. Therefore, the detection system realized the continuous tracking and real time monitoring of abnormal structures in front of roadway side without affecting the process of roadway tunneling. It meets the requirement of geological detection ability for an intelligent tunneling system.

seismic-while-excavating; advanced detection; intelligent geological exploration; road-header vibration; reflected in-seam wave

P631

A

1001-1986(2021)04-0001-07

2021-04-25；

2021-06-04

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804)；國家自然科學(xué)基金面上項目(41974209)

王季，1977年生，男，陜西西安人，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向為井下物探技術(shù). E-mail：wangji@cctegxian.com

“煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素動態(tài)智能探測技術(shù)”專題 編者按 我國煤炭資源賦存地質(zhì)條件差、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素多，迫切需要超前精細(xì)查明隱蔽地質(zhì)異常體的分布狀況，保障煤炭安全高效開采。當(dāng)前，煤礦采區(qū)地質(zhì)勘探、地面三維地震勘探、礦井物探在探測精度、深度與可靠性及時效性方面均不能完全滿足煤礦生產(chǎn)的需求，亟需開展煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素地球物理響應(yīng)機理的研究，研發(fā)地面高精度勘探與井下動態(tài)智能探測的新技術(shù)與新裝備，形成煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素快速、精細(xì)、動態(tài)、智能探測技術(shù)體系。為了配合煤炭行業(yè)在隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查的戰(zhàn)略需求，交流分享我國在煤炭地質(zhì)及礦井物探方面取得的最新科技成果，邀請中煤科工集團西安研究院有限公司王季研究員擔(dān)任客座主編，依托國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC0807800)，開展“煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素動態(tài)智能探測技術(shù)”專題策劃，本期專題優(yōu)選8篇稿件刊登，以期促進煤礦企業(yè)地質(zhì)災(zāi)害防治的技術(shù)進步。

王季，覃思，吳海，等. 隨掘地震實時超前探測系統(tǒng)的試驗研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：1–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.001

WANG Ji，QIN Si，WU Hai，et al. Experimental study on advanced real time detection system of seismic- while-excavating[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：1–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.001

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)