陳亞萍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730022）

從行業(yè)發(fā)展角度分析,地質(zhì)構(gòu)造一直制約煤礦生產(chǎn)發(fā)展的核心[1]。在近些年現(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展的大環(huán)境下,現(xiàn)代化礦井不僅大大提高了掘進(jìn)速度[2],同時(shí)也使得地質(zhì)構(gòu)造在開采過程中受到的破壞程度日益加深[3]。面對這一發(fā)展現(xiàn)狀,以提前預(yù)知工作面發(fā)展?fàn)顩r為基礎(chǔ)的地質(zhì)構(gòu)造探測工作就顯得尤為重要[4],其也是煤礦開采工作提前做好安全措施[5],快速安全通過危險(xiǎn)地質(zhì)區(qū)域的基礎(chǔ)之一[6]。關(guān)于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的探測研究,文獻(xiàn)[7]提出了一種以槽波技術(shù)為基礎(chǔ)的異常體探測,并以陽泉礦區(qū)為目標(biāo)展開了實(shí)際應(yīng)用測試,探測結(jié)果取得了良好的效果,但是部分地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜,受地下水源等因素的干擾作用,其表現(xiàn)出了一定的不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]將瞬變電磁法應(yīng)用到煤層覆巖狀態(tài)的探測研究中,實(shí)現(xiàn)了對水源性特征的準(zhǔn)確探測,但是對于地下整體地質(zhì)構(gòu)造的分析相對薄弱。聲學(xué)探測技術(shù)作為一種以介質(zhì)反射特性為基礎(chǔ)的地質(zhì)分析方法,不僅可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)成的準(zhǔn)確獲取同時(shí)不受采空區(qū)邊界的限制,在煤礦井下地質(zhì)構(gòu)研究中具有巨大的應(yīng)用潛力,但是聲波中的噪聲信息會影響最終的判斷結(jié)果。對此,提出基于EMD 去噪的煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造聲學(xué)探測技術(shù)。

1 聲學(xué)探測信號去噪處理

1.1 聲波探測信號EMD 處理

為了實(shí)現(xiàn)對煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確探測,需要對采集到的聲波進(jìn)行去噪處理[9],提高信號的可靠性。以此為基礎(chǔ)確保對構(gòu)造的分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差降到最低。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),本文采用EMD（Empirical Mode Decomposition,經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）方法實(shí)現(xiàn)對聲波信號的去噪。EMD 去噪的原理是首先對聲波探測信號進(jìn)行小波變換,將其能量分布集中在較小的系數(shù)范圍內(nèi),該范圍對應(yīng)聲波探測信號的小波系數(shù)表現(xiàn)出良好局部性的區(qū)間。同時(shí)需要注意的是,這些小波系數(shù)只有顯著地分布在各個(gè)分解尺度上時(shí),最終才能實(shí)現(xiàn)對雜波的完整去噪。而地質(zhì)環(huán)境構(gòu)造中的噪聲經(jīng)過小波變換后,系數(shù)分布同樣處于細(xì)尺度變換的小波域范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)分解尺度的大小即可實(shí)現(xiàn)對噪聲的完全去除。結(jié)合該去噪思路,本文利用EMD 對聲波探測信號去噪過程共分為3 個(gè)實(shí)施階段。

假設(shè)采集到的含噪聲的聲波探測信號為

其中,y 表示含噪聲的聲波探測信號,x 表示有效聲波探測信號,n 表示噪聲信號。

首先,對含噪聲波探測信號進(jìn)行小波變換處理,并在該階段保留最大尺度范圍內(nèi)的低通濾波的系數(shù),需要注意的是,要確保小波系數(shù)與真實(shí)聲波探測信號的變換系數(shù)保持一致。針對該問題,本文利用非線性處理的方式對各個(gè)尺度下的高通濾波進(jìn)行統(tǒng)一化處理,將此時(shí)得到的系數(shù)作為小波變換處理的系數(shù),實(shí)現(xiàn)對聲波探測信號的轉(zhuǎn)換。對應(yīng)的小波變換處理的系數(shù)計(jì)算方式可以表示為：

其中,λ 表示小波變換系數(shù),λ（h）和λ（l）分別表示高通濾波下的波變換系數(shù)和低通濾波下的波變換系數(shù),z表示可以執(zhí)行的最大尺度范圍。

在此基礎(chǔ)上,利用EMD 根據(jù)設(shè)定閾值函數(shù)對聲波探測信號進(jìn)行去噪處理。

由于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性以及構(gòu)成上的多樣性,使得礦井下巖體介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等存在明顯差異,而這種差異就使得探測聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等也表現(xiàn)出對應(yīng)的差異化特征。利用此,本文將小波變換處理的聲波探測信號表示為由多個(gè)不同方向上的向量分量構(gòu)成的分解參數(shù),此時(shí)的含噪聲的聲波探測信號可以表示為：

其中,yi,xi,ni分別表示分解后的含噪聲的聲波探測信號有效聲波探測信號和噪聲信號。a 表示分解方向數(shù)量。由于噪聲聲波探測信號n 是以正態(tài)分布的形式存在的,且不同yi對應(yīng)ni互不相關(guān),因此ni對應(yīng)的方差為常量值。結(jié)合這一特征,對信號中噪聲的去噪處理就可以理解為是對ni的差異化約束。其可以表示為:

其中,W（y）i表示對分解后聲波探測信號的小波變換,W-（1y）i表示分解后聲波探測信號的小波逆變換運(yùn)算,u 和分別表示分解后聲波探測信號的小波處理結(jié)果,Q表示非線性去噪函數(shù),也是實(shí)現(xiàn)去噪的核心步驟。

通過式（4）可以看出,要實(shí)現(xiàn)對聲波探測信號噪聲的有效去除,主要依賴于閾值的確定效果。

1.2 閾值自適應(yīng)設(shè)置

為了在聲波探測信號去噪過程中更好地保留聲波探測信號的有效信息,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對噪聲的有效去除,本文建立了閾值函數(shù),通過其計(jì)算出最優(yōu)的閾值范圍。在1.1部分已經(jīng)提到,小波系數(shù)需要適應(yīng)不同尺度上的變換需求,這就意味著閾值也要兼顧不同尺度聲波信號的特征。以此為基礎(chǔ),本文設(shè)計(jì)的閾值函數(shù)為

其中,p 表示閾值函數(shù),m 表示尺度參數(shù),通過調(diào)節(jié)m值的大小,計(jì)算出不同尺度條件下對應(yīng)的閾值。利用式（5）,結(jié)合聲波探測信號和噪聲在不同分解尺度上的能量分布特征,就可以實(shí)現(xiàn)對去噪目的。

對于細(xì)尺度上的閾值范圍,本文以偏硬閾值函數(shù)對其進(jìn)行計(jì)算,將其計(jì)算結(jié)果代入到式（4）中,濾除信號中的大部分噪聲。對于寬尺度上的閾值范圍,本文以偏軟閾值函數(shù)對其進(jìn)行計(jì)算,將其計(jì)算結(jié)果代入到式（4）中,濾除臨界區(qū)的噪聲信號。因此本文建立了以m 調(diào)節(jié)尺度為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,通過最優(yōu)化m 值提高式（5）計(jì)算結(jié)果的自適應(yīng)性,確保去噪效果的可靠性。具體的數(shù)學(xué)模型如下：

其中,mj表示m 的數(shù)學(xué)模型,En和Ej分別表示聲波探測信號的能量以及目標(biāo)聲波探測信號能量。按照這樣的方式,計(jì)算出最優(yōu)的m 值,并且需要注意的是,對目標(biāo)聲波探測信號能量的設(shè)置要以實(shí)際礦區(qū)地質(zhì)特征為基礎(chǔ)。此時(shí)閾值函數(shù)從硬到軟的變化就可以通過調(diào)整m 值由最佳目標(biāo)聲波探測信號能量到允許目標(biāo)聲波探測信號能量實(shí)現(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上,將式(6)代入式(5)即可獲得各個(gè)尺度上對應(yīng)的閾值函數(shù),利用得到的結(jié)果作為EMD 去噪的基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對聲波探測信號的過濾。

2 地質(zhì)構(gòu)造探測

在得到去噪后的地質(zhì)聲波探測信號后,就可以根據(jù)其表現(xiàn)出的特征實(shí)現(xiàn)對區(qū)域相應(yīng)構(gòu)成的分析和判斷。

對煤礦井下地質(zhì)進(jìn)行探測所采用的聲學(xué)探測技術(shù)屬于主動聲納技術(shù)的范疇。通過聲納方程可將傳播介質(zhì)、探測目標(biāo)和探測設(shè)備的作用聯(lián)結(jié)在一起,利用聲納方程建立的關(guān)系,能夠?qū)崿F(xiàn)對探測系統(tǒng)性的分析。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的系統(tǒng)模型可以建立不同的聲納方程式,對深地層而言,聲傳播損失和穿透的深度等指標(biāo)就可以建立地層模型后,通過聲納方程進(jìn)行大致估算。設(shè)置聲納方程式為：

式中,SL 為聲源級；Hd為煤礦井下深度(m)；At為透射系數(shù)；α 為信號帶寬內(nèi)煤礦井下的平均聲衰減（dB/B）;RL為待測界面反射強(qiáng)度（dB）；DT 為檢測閾；NL 為信號帶寬內(nèi)平均噪聲譜（dB）。

對煤礦井下地質(zhì)的聲波反射與透射產(chǎn)生影響的介質(zhì)參數(shù)有粒徑、密度、孔隙度、聲速及衰減系數(shù)等。根據(jù)生源級及計(jì)算方程式右邊的各參數(shù),可以求出傳播損失,進(jìn)而估算出穿透地層的深度。

基于此分析在探測煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造時(shí),需要了解聲場特性?？梢詮膽?yīng)用的額角度建立信噪比模型,得出信噪比表達(dá)式,得到信噪比簡化模型,分析條件：

（1）各地層界面平行時(shí),收發(fā)聲基陣的聲軸都垂直于地面,并具有良好的后輻射抑制能力；

（2）在工作頻段內(nèi)聲波對各地層的穿透系數(shù)Ati和反射系數(shù)Ari為常數(shù)；

（3）輻射聲脈沖的幅頻特性如下式所示,其具有線性相應(yīng)特性：

（4）接收濾波器的傳遞函數(shù)具有下式幅頻特性,且具有線性相位特性：

（5）接收聲基陣的聲電轉(zhuǎn)換函數(shù)K(jω)在工作頻段內(nèi)為常數(shù)K0；

（6）不考慮延時(shí)；

（8）噪聲為各向同性、零均值的平穩(wěn)高斯過程。

在上述環(huán)境下,從模型出發(fā)得出的最大信噪比的條件為：

式中,cw為聲速；S 為發(fā)射基陣面積,a 為噪聲系數(shù)；Ak為待測地面反射系數(shù),HD為地層厚度,Ht為第i 層厚度,βi為第i 層吸收系數(shù)。

基于此計(jì)算出做基礎(chǔ)的地層構(gòu)成。將聲波信號中的高頻能量作為各地層的分界,對各個(gè)高頻能量分量之間的聲波進(jìn)行個(gè)性化分析,將其利于已有的巖體特征信號進(jìn)行對比,擬合度越高,則表明其與對應(yīng)的地質(zhì)特征越相似,最后將相似度最高的巖體判定為該地層的巖體構(gòu)成。

3 實(shí)例分析

為了測試本文設(shè)計(jì)地質(zhì)構(gòu)造探測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果,進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用分析。

3.1 礦區(qū)地質(zhì)背景介紹

本文進(jìn)行實(shí)例分析具體的參數(shù)信息如表1 所示。

表1 測試區(qū)域基巖地層構(gòu)成詳細(xì)信息

在此基礎(chǔ)上,對礦區(qū)的覆蓋層狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)其主要構(gòu)成為第四系沉積物,砂粘互生,并伴隨有卵礫層不連續(xù)發(fā)育,下伏地層與之有非密切接觸,且整體厚度變化較大,最厚位置可達(dá)到750m,最薄位置僅為230m。不僅如此,在測試區(qū)域內(nèi)還伴隨有兩條明顯的斷裂,在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下,二者分別呈現(xiàn)出東西發(fā)展趨勢和東南發(fā)展趨勢。以此為基礎(chǔ),采用本文方法對該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測,并分析其探測結(jié)果與實(shí)際構(gòu)成之間的一致性。

3.2 探測結(jié)果與分析

采用三種方法對地質(zhì)構(gòu)造的探測結(jié)果如表2 和表3所示。

表2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造探測結(jié)果

從表2 和表3 中可以看出,本文設(shè)計(jì)的地質(zhì)構(gòu)造探測方法可以實(shí)現(xiàn)對地下巖體構(gòu)成以及成分含量,相關(guān)屬性參數(shù)的獲取,對于實(shí)際的開采工作具有有效的指導(dǎo)價(jià)值。不僅如此,通過觀察表2 中的數(shù)據(jù)可以看出,其最大探測深度為地下53.46m,能夠滿足大多數(shù)礦區(qū)的探測需求,對于各地層信息位置以及厚度信息的探測精確到0.01m,可以為開采工作的開展提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

表3 地質(zhì)構(gòu)成分析結(jié)果

結(jié)束語

隨著礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加,對其的探測和開采力度也逐漸增加。不僅如此,在礦井機(jī)械化程度不斷提高的背景下,如何切實(shí)有效地提高煤礦的安全性成為了備受關(guān)注的問題之一。除開采技術(shù)和開采施工因素外,另一個(gè)影響煤礦井下安全的關(guān)鍵因素就是煤礦本身的地質(zhì)構(gòu)造,一方面其決定著開采施工的方向,另一方面其也直接決定著相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的等級要求。本文提出基于EMD 去噪的煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造聲學(xué)探測技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了對礦區(qū)地下構(gòu)造的準(zhǔn)確分析,也希望為相關(guān)工作的開展帶去幫助。