袁 亮，張平松,2

(1.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著我國能源供給側結構性改革的不斷推進與持續(xù)變革，煤炭能源保障與供給能力增強。全國煤礦年產(chǎn)120 萬t 以上大型煤礦生產(chǎn)原煤占比超過總量的85%[1]。煤炭企業(yè)發(fā)展由多、小、散、亂逐漸轉變?yōu)榇竺旱V、大集團和大基地。截至2021 年末，全國千萬噸級煤礦數(shù)量達到了72 個。煤炭生產(chǎn)也逐步過渡為以機械化、自動化、信息化與智能化為主的高效作業(yè)方式。至2022 年底，智能化采掘工作面增加到了1 019 個，智能化煤礦也增加到572 處，特別是大型煤礦的掘進機械化程度超過50%[2]。根據(jù)《煤炭工業(yè)“十四五”高質量發(fā)展指導意見》，“十四五”末，掘進機械化程度將要達到75%左右[3]，這對礦井智能化、少人化建設目標提出了更高要求。我國煤炭資源的賦存條件與對煤炭資源的長期旺盛需求，使得煤炭開采逐步向深部化發(fā)展成為必然。深部煤礦特別是超千米深部煤礦建設將以大型煤炭企業(yè)、現(xiàn)代化智能煤礦為主，大資本投入以及對建設周期的要求將使得具有速度優(yōu)勢的大型機械化掘進設備進入礦井建設成為可能[4-5]。TBM 工法具有機械化程度高、施工質量好、掘進速度快、節(jié)省勞動力、安全高效等優(yōu)點，逐漸被煤礦巖巷掘進所接受，其掘進效率一般是傳統(tǒng)鉆爆法的3～10 倍，是綜掘法的2～8 倍[6]。因此，采用圓形斷面封閉式多重復合支護的TBM 工法開展煤礦巖巷掘進施工，將會是大型礦井未來智能化建設與生產(chǎn)的優(yōu)選方法和必然發(fā)展趨勢[7-8]。但由于TBM 對不良地質條件的適應性較差，煤礦復雜地層條件與地質構造會嚴重限制TBM 掘進效率與優(yōu)勢的發(fā)揮。眾多工程實踐表明，在復雜地質環(huán)境和高地應力條件下，煤礦深部TBM 工法施工將會面臨著諸多隱蔽致災因素的威脅和亟待解決的技術難題[9-10]。

安全高效生產(chǎn)是煤礦各項工作開展的第一要務，其中采掘地質保障技術水平的提高與創(chuàng)新是煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎。能夠有效探查隱蔽致災地質因素，開展災害防治，對減少煤礦事故的發(fā)生意義重大[11-13]，因此，煤礦TBM 掘進同樣必須做到：有疑必探，先探后掘，先治后掘。現(xiàn)階段TBM 工法已經(jīng)在“探?掘?護?錨”掘進工序中，實現(xiàn)了掘進、出渣、支護可交叉作業(yè)，同步進行，且施工時對圍巖擾動干擾少，其最大特點是安全、高效。但現(xiàn)有“多地球物理方法綜合探測加鉆探驗證”的超前探測模式難以在TBM 掘進時施工，無法滿足其快速掘進的地質保障需求。區(qū)別于常規(guī)地球物理探測手段，將探測儀器與掘進機械進行一體化設計，開展隨機隨掘探測可實現(xiàn)探掘平行，能夠充分發(fā)揮TBM 的掘進效率優(yōu)勢，是煤礦TBM 掘進發(fā)展首先需要突破的關鍵技術，也是煤礦智能化發(fā)展的重要組成部分[14]。

因此，開展TBM 掘探一體化技術研究，完善其理論技術體系，攻克關鍵技術難題，具有重要的實踐意義和價值。本文在系統(tǒng)梳理TBM 隨掘隨探技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，分析總結了煤礦巖巷掘探一體化技術研究存在的難題，并思考了未來的發(fā)展方向，為推進煤礦巖巷的安全、智能、精準、高效掘進提供參考指導。

1 巖巷TBM 掘探一體化技術研究進展

巖巷前方存在破碎帶、斷層、軟弱巖層及富水區(qū)等不良地質條件時，TBM 掘進時容易出現(xiàn)坍塌、卡機、卡盾、涌水等安全隱患，輕則造成TBM 刀盤損壞、機身故障，重則可能導致安全事故發(fā)生。因此，對TBM快速掘進超前地質預報提出了更高的要求。目前，國內外形成了以TBM 與物探設備相結合的掘探一體化探測模式，促進了TBM 掘進期間的超前地質預報技術的發(fā)展，其中隨掘地震、隨掘電法、隨掘瞬變電磁3 類探測技術是目前主要研究與應用的方法。前期上述方法多獨立使用，隨著TBM 技術快速發(fā)展，超前探測系統(tǒng)形成多技術融合與TBM 形成一體化技術是未來煤礦巖巷掘進的發(fā)展趨勢。

1.1 隧道隨掘地震探測技術

隨掘地震探測技術通過布設在掘進工作面后方檢波器接收盾構機破巖產(chǎn)生的震動信號，并通過數(shù)據(jù)處理與成像技術，以實現(xiàn)對隧道前方地質異常體的實時探測。由于TBM 結構復雜、體積較大，其長度經(jīng)過優(yōu)化縮短，依然達到60 m 左右，占據(jù)巖巷大部分空間，使得傳統(tǒng)布設于掘進工作面及側幫的地震超前探測技術由于施工條件限制，難以滿足TBM 工法施工需求。為此開展TBM 隨掘地震掘探一體化探測技術的超前地質預報方法研究，以保障TBM 高效、安全快速掘進是當前關注的熱點與難點。

1.1.1 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨掘地震觀測系統(tǒng)的布置方式影響著不良地質體關鍵信息的有效采集。常規(guī)的巷道地震波超前探測方法以線性觀測系統(tǒng)為主，探測數(shù)據(jù)量少，當掘進前方存在斷層或者破碎帶時，往往與巷道垂直或大傾角相交，這樣掘進工作面前方巖體速度分布無法準確獲得。為解決該問題，張鳳凱[15]通過在掘進方向左右側各布置一條測線來測量TBM 破巖時產(chǎn)生的地震信號，有效提高探測數(shù)據(jù)采集量，針對前方巖體速度分布求取難的問題，采用精度較高的全波形反演來獲取掘進工作面前方巖體速度分布。同時GFZ 公司、海瑞克公司等科研單位設計了ISIS、SSP 等超前探測系統(tǒng)開展TBM 隨掘探查。

1.1.2 地震有效信號提取

為適應TBM 快速掘進，研究人員逐漸關注以TBM 破巖震動為震源的隨掘地震探測技術，與利用TBM 停機期間，間接采用搭載于TBM 上的特殊機械裝置作為激發(fā)震源不同，該技術真正實現(xiàn)了隨掘隨探[16-19]。李術才院士團隊在TBM 隨掘地震探測技術的研究方面取得了顯著成果，主要集中在如何將TBM 破巖震動記錄中能夠用于地震勘探的有效信號提取出來，實現(xiàn)“變噪為源”是隨掘地震技術的首要環(huán)節(jié)，其研究主要包括以下2 部分。

1) 震源產(chǎn)生機制分析

TBM 破巖震源具有隨機、不確定性，現(xiàn)場采集的地震記錄無法直接識別和解釋。為此，進行TBM 破巖震源產(chǎn)生機制研究是十分必要的，也是后續(xù)有效信號提取的基礎。針對TBM 破巖特點，許新驥[18]將工作面進行網(wǎng)格化，并把所有網(wǎng)格點作為震源，采用多個不同頻率、不同振幅的正弦波合成為每個震源點的連續(xù)隨機信號，利用各個網(wǎng)格點上的震源激發(fā)的連續(xù)隨機信號的相互作用模擬了TBM 破巖震源產(chǎn)生機制，為TBM 破巖震源的有效信號提取研究提供了理論基礎。

2) 有效信號提取

噪聲記錄處理最常用的是地震干涉方法，TBM 破巖震動有效信號提取同樣以地震干涉法為核心開展相關研究。許新驥[18]利用互相關法處理TBM 破巖震源地震記錄，實現(xiàn)了地震記錄等效脈沖轉化，在此基礎上采用歸一化的手段處理單道地震記錄，進一步壓制了干擾噪聲影響；為增強地震信號的信噪比，在數(shù)據(jù)處理過程中采用基于接收陣列的波束形成法，有效增強了來自巷道前方的有效反射波信號。張鳳凱[15]在對比常用地震干涉方法效果的基礎上，選用互相關法處理TBM 破巖震源探測數(shù)據(jù)，并采用高階累積量子波估計與波形修正法進一步處理了地震干涉所得的虛源地震記錄，如圖1 所示，得到與主動源探測相一致的地震記錄，實現(xiàn)了TBM 隨掘地震有效信號的提取。

圖1 子波估計和波形修正后的波形對比[15]Fig.1 Comparison of waveform after wavelet estimation and waveform correction[15]

1.1.3 地震成像

1.1.2 節(jié)提取的有效地震信號無法直接反映巷道前方地質體的形狀與空間位置，還需要進一步的成像處理才能實現(xiàn)對地震超前探測資料的精準解釋。

隨掘地震成像與常規(guī)成像方法相似，其核心是如何準確獲取探測區(qū)域的速度分布和選用何種成像方法。針對巷道施工環(huán)境下掘進工作面前方探測區(qū)域內的速度分布情況，宋杰[20]采用基于繞射掃描疊加的速度分析方法獲取了巷道前方探測區(qū)域的速度分布，并在此基礎上利用深度偏移算法進行反射界面成像，獲取巷道前方的反射界面信息。Liu Bin 等[21]對深度偏移成像方法進行改進，采用基于定向加權的等時平面法進行三維地震偏移成像，如圖2 所示。為進一步提高成像精度，張鳳凱[15]采用全波形反演以獲取巷道前方巖體的速度分布，并采用基于波動方程的逆時偏移成像方法對巷道前方反射界面進行成像，獲得了更為準確的反射界面形態(tài)與位置信息。此外，針對TBM 掘進速度快的特點，需要提高TBM 隨掘地震成像速度，以滿足TBM 快速掘進超前地質預報的需求。

圖2 偏移結果[21]Fig.2 Migration-imaging results[21]

1.2 隧道隨掘電法探測技術

隨掘電法探測技術是利用TBM 刀盤布設電極實施測量，并在隧道兩側布設供電電極供電，從而構成電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道隨掘電法的數(shù)據(jù)采集。不同于隨掘地震探測，TBM 機械本身的強磁干擾會對隨掘電法探測結果造成嚴重的影響，同時，因TBM 施工工藝造成傳統(tǒng)的直流電法超前探測數(shù)據(jù)觀測方式不滿足現(xiàn)有的探測需求，從而需要在數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)噪聲壓制和成像上進一步深入研究。

1.2.1 電法數(shù)據(jù)采集

TBM 隨掘電法觀測系統(tǒng)主要利用盾構機本身的刀盤作為測量電極以及布設在側幫的電極作為供電電極構成觀測系統(tǒng)，不同的電極排列形成的不同觀測模式影響著電法超前探測距離和數(shù)據(jù)采集的抗干擾能力，故TBM 隨掘電法超前探測的首要任務是采用適合TBM 隧道環(huán)境中的觀測模式。針對TBM 隧道施工環(huán)境，國外最早開始了聚焦電流法研究，通過將刀盤布設探測電極，并向隧道掘進工作面注入探測電流，同時利用護盾上安裝的保護電極向側幫圍巖注入同相同頻的保護電流，起到屏蔽側方干擾，聚焦電流至掘進工作面前方的作用，然后根據(jù)前方視電阻率的變化，推測前方地質情況，其觀測系統(tǒng)如圖3a[22-23]所示。此后，國內研究人員也開始了相關研究，借鑒多同性源陣列觀測方式[24]，劉斌等[25]在BEAM 法的基礎上，提出了一種適用于TBM 復雜環(huán)境下的多同性源觀測模式，即位于工作面邊墻同一圈同性源供電電極系供電(A1?A4)，位于刀盤滾刀開孔處的測量電極系測量(M1?M9)，直至完成所有圈次，即可完成TBM 觀測模式的數(shù)據(jù)采集，該觀測方式在提高抗干擾能力的基礎上又極大地提高了探測距離。圖3b 為TBM 多同性源陣列觀測模式[25]。

圖3 TBM 隨掘電法觀測系統(tǒng)[22-23,25]Fig.3 Observation system of geoelectrics-while-tunneling with TBM [22-23,25]

1.2.2 電法數(shù)據(jù)處理

隨掘電法主要采集探測區(qū)域內的電壓、電流信號，其單位基本在毫伏、毫安級，因此，TBM 的強磁干擾和采集儀器的本底噪聲會對電法觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴重影響。針對采集數(shù)據(jù)存在干擾問題，剪浩杰[26]采用小波變換法將原始采集的電位信號分解成不同頻段且互不重疊的信號，使得不同頻率信號所在的區(qū)間都能包含原始信號的所有頻段，以此實現(xiàn)對原始電位信號的帶通濾波去噪處理，提高了數(shù)據(jù)采集精度。為進一步降低采集儀器的本底噪聲干擾，田明禛[27]提出軟硬件相結合的聯(lián)合去噪方法，即通過小波變換算法實現(xiàn)軟件層面的濾波，并在硬件電路中設計巴特沃斯低通濾波，去除高頻噪聲和復雜噪聲，實現(xiàn)了硬件層面的去噪。

1.2.3 電阻率反演成像

隨掘電法采集的電壓、電流數(shù)據(jù)經(jīng)過1.2.2 節(jié)數(shù)據(jù)處理后仍然無法直觀地反映巷道前方的地質信息，需要進一步的反演成像才能用于地質資料的解釋。此外，為適應TBM 掘進的速度，對隨掘電法反演成像的速度提出了更高的要求。

隨掘電法受限于觀測模式及TBM 的干擾，易造成反演成像多解性，影響異常體定位精度。針對多解性和運算速度問題，王傳武[28]通過在三維電阻率反演中利用已知的地質信息，施加基于松弛變量的不等式約束來壓制反演的多解性；同時為提高運算速度，設計了基于Open-MP 的總體系數(shù)矩陣cholesky 分解與敏感度矩陣求解的并行計算算法，提高了三維反演速度。為了提高對異常的空間定位精度，聶利超[29]通過將觀測數(shù)據(jù)加權函數(shù)與模型深度加權函數(shù)引入到光滑約束最小二乘反演中，改善了反演結果過度集中在淺部的問題，同時提高了對深部異常體的識別和定位精度。劉斌等[30]則采用改進遺傳算法與最小二乘相結合的混合反演成像方法，減少了反演對初始模型的依賴程度，提高了對異常體的三維定位精度，并在實際工程應用中，取得良好的應用效果。

1.3 隨掘瞬變電磁探測技術

隨掘瞬變電磁是利用接地電極向工作面供電，并用布設在掘進工作面上的回線接收前方返回的感應電動勢，并通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理以實現(xiàn)對隧道掘進工作面的隨掘超前探測。瞬變電磁法對巷道前方的良導地質體敏感性強，廣泛用于探測巷道含水構造。但與電法類似，隨掘瞬變電磁超前探測也易受到TBM 的嚴重干擾，需要從實測信號中剔除TBM 干擾源以得到真實反映隧道前方地質條件的感應電動勢曲線，并進行成像處理來解釋前方地質情況。

1.3.1 瞬變電磁數(shù)據(jù)采集

隨掘瞬變電磁法的觀測模式對數(shù)據(jù)的采集精度和抗干擾能力有較大影響。為了最大限度地接收到來自隧道前方的異常響應，胡佳豪等[31-32]基于TBM 感應二次電場的水平分量場值較小、電性源二次場電性分界面法向分量連續(xù)的特點，提出了一種陣列電性源激發(fā)、電場分量采集的TBM 隨掘瞬變電磁超前探測裝置，降低了TBM 對電性源瞬變電磁的二次電場影響，圖4 為其完成的掘進工作面觀測點電場3 個分量衰減曲線。

圖4 隧道工作面上觀測點的電場Ex、Ey、Ez 分量衰減曲線對比[32]Fig.4 Comparison of attenuation curves of Ex,Ey and Ez components of electric field at observation points on tunnel face[32]

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

由于瞬變電磁法是通過接收從巷道前方產(chǎn)生的二次感應渦流場，進而獲取掘進工作面前方探測介質的電阻率信息，因此，會不同程度地受到TBM、異常體的大小、掘進工作面到異常體的距離等因素的影響，故而TBM 隨掘瞬變電磁探測數(shù)據(jù)處理的核心是找到這些因素的影響規(guī)律并予以校正，獲得真實反映巷道前方地質信息的感應場。其中，TBM 是隧道TBM 隨掘瞬變電磁法最嚴重的干擾源，需要從實測信號中剔除TBM 干擾信號，針對此問題，盧緒山[33]通過直接模擬TBM 響應信號，并從實測感應電動勢中減去模擬的TBM 純異常響應電動勢，從而獲得只包含掘進工作面前方異常體的響應，來完成TBM 干擾剔除，模型實驗結果顯示該方法可以有效消除TBM 干擾。與前一種方法不同，孫懷風等[34]通過將純隧道空腔體響應與包含TBM 模型的隧道空腔體響應做差間接獲得了TBM 響應信號，并以此為干擾背景，從實測信號中剔除了TBM 干擾；通過異常體大小、異常體與掘進工作面的距離等干擾源進行分析，認為其主要差別只存在于晚期，可以看作為異常體自身響應差別，同時，認為巷道掘進工作面測得的瞬變電磁響應可以近似看作是隧道空腔、TBM 和純異常響應的疊加。

1.3.3 擬地震成像

目前，TBM 隨掘瞬變電磁數(shù)據(jù)成像算法與常規(guī)隧道成像方法相同，但需要提高成像速度以滿足TBM超前地質預報的需求。為了更好地獲得反映隧道前方不良地質體的電性與構造信息，在1.3.2 節(jié)數(shù)據(jù)去噪處理的基礎上，借鑒地震偏移成像技術，實現(xiàn)瞬變電磁數(shù)據(jù)的擬地震處理。戚志鵬等[35]通過波場變換原理將瞬變電磁數(shù)據(jù)轉換成虛擬波場數(shù)據(jù)，并在建立的虛擬波場速度模型上，采用克希霍夫法進行波場延拓，以實現(xiàn)瞬變電磁虛擬波場偏移成像，理論模型與實測結果表明，該方法能夠有效識別地質災害體的分布情況。圖5 為其完成的隨掘瞬變電磁實測數(shù)據(jù)克希霍夫偏移成像結果。

圖5 實測數(shù)據(jù)及其克希霍夫偏移成像解釋結果[35]Fig.5 Survey data and its Kirchhoff migration imaging results[35]

1.4 煤礦巖巷隨掘電法探測技術

TBM 工法應用于煤礦起步較晚，我國于1999 年首次將TBM 引入王家?guī)X煤礦平硐建設，2014 年在張集煤礦開展開拓巷道掘進。近5 年，不同煤礦生產(chǎn)單位陸續(xù)在十余座礦井引入TBM，進行巖巷掘進。因此，針對煤礦巖巷掘探一體化技術研究相對不足相關研究文獻也不豐富。在煤礦領域的研究依然有很多的技術問題需進一步探索。

綜合現(xiàn)有文獻分析，目前主要以趙栓峰團隊的巖巷隨掘電法探測為主[36-38]，與隧道隨掘電法相比，煤礦巖巷隨掘電法在數(shù)據(jù)采集裝置和反演成像算法上取得了一定的進步。在數(shù)據(jù)采集上，提出采用以盾構機的刀盤作為激勵和測量電極的移動陣列觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，該裝置由刀盤上的一排刀頭充當測量電極，后方邊墻內的錨桿為接地電極，順序通電，其完成的超前探測系統(tǒng)裝置如圖6 所示；成像上，采用三維電阻率層析成像方法實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的反演成像，同時為提高反演成像速度，引入了虛擬接地電極，并用等效模型代替了原有的保護電極模型；物理模擬與數(shù)值反演試驗結果表明該方法能較好地反映異常體的位置。

圖6 移動陣列電極盾構超前探測系統(tǒng)的布置[38]Fig.6 Arrangement of advanced detection system of moving array electrode for shield tunneling[38]

2 TBM 掘探一體化發(fā)展方向與思考

基于獲取的文獻資料分析，巖巷TBM 掘探一體化技術體系研究與應用取得了長足的進步，但還存在以下問題：(1) TBM 掘探一體化技術體系尚未成熟。目前仍以探測理論研究為主，特別是TBM 隨掘探測全空間觀測系統(tǒng)布設、有效數(shù)據(jù)提取、異常體成像方法等還需要進一步的完善與發(fā)展。(2) TBM 掘、探裝備未實現(xiàn)有機融合，降低了現(xiàn)場施工效率。目前TBM 掘進與探測設備相對獨立，主要以在同一施工環(huán)境集中使用為主，未完全實現(xiàn)掘進裝備與探測設備一體化耦合，造成TBM 掘探設備整裝程度不高，極大限制了TBM 掘進探測綜合效率。(3) TBM 掘探一體化智能綜合控制平臺開發(fā)相對滯后。以掘進地質條件判識為目標，亟需完善施工過程中的智能化綜合管控平臺，協(xié)同“掘進?探測?處理?反饋”機制，提升整套系統(tǒng)一體化管控水平。(4) TBM 掘探一體化理念需不斷深入。掘探一體化重在解決多環(huán)節(jié)任務“打包”，以掘為主，探在其中。由過去單次施工的“長探長掘”，到掘探一體化的“常探常掘”，體現(xiàn)在隨掘而探，大數(shù)據(jù)覆蓋，多頻次疊加，從而提升對前方地質條件的預報精度，提高地質保障智能化水平。針對以上4 類問題，本文給出了相應的思考和認識。

2.1 掘探一體化超前探測體系構建

掘探一體化超前探測體系主體包含觀測系統(tǒng)布置、有效信號提取、數(shù)據(jù)成像表達及其地質解釋預報內容。其中最主要的是解決好地震、電磁、紅外等探測方法與TBM 機械的耦合問題，且在復雜的背景場條件下獲得有效的震動、地電、溫度場等數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)進行單一或融合利用，對前方地質條件進行成像、解釋與預測。觀測單元的安裝、信號的采集控制、異常條件表達與預警等需要利用控制平臺進行觀察與監(jiān)控，才能實現(xiàn)掘探一體化體系功能。圖7 為TBM 隨掘地震掘探一體化體系示意。

圖7 TBM 隨掘地震掘探一體化體系Fig.7 Integrated tunneling and detection system of TBM with seismic while tunneling

2.1.1 觀測系統(tǒng)

1) 隨掘地震觀測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的巷道地震超前探測觀測主要在巷道左(右)側幫、頂板和掘進工作面布設測線構成二維、三維觀測系統(tǒng)，主要測量大傾角斷層構造，當不良地質體的走向與測線呈小傾角或平行時，觀測效果會大打折扣甚至無效，因而，針對TBM 破巖掘進的地震隨掘探測，需要利用左右側幫及頂板等全空間條件布設三分量檢波器，實現(xiàn)巷道三維空間全方位多波多分量探測，有效降低不良地質體漏報率。

2) 隨掘電法觀測系統(tǒng)

隨掘電法主要以刀盤作為測量或供電電極構成電法觀測系統(tǒng)，受限于TBM 施工空間狹小，如何使供電電極發(fā)射的電流更多地流向前方，同時從側方接收返回的攜帶地質信息的電位信息，并克服TBM 帶來的干擾是未來研究的重點。在聚焦觀測基礎上，結合不同的陣列式供電電極和測量電極構成的觀測系統(tǒng)，在克服TBM 本身干擾的同時，可以有效提高探測距離。

3) 隨掘瞬變電磁觀測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的瞬變電磁主要利用掘進工作面及巷道兩幫布設二維線性或三維空間測點進行一次場激發(fā)和二次場的接收，而以TBM 掘進的施工巷道占據(jù)了大部分巷道空間，壓縮了測點布設的空間。為適應TBM 施工巷道環(huán)境，在設計觀測系統(tǒng)時可以借鑒隧道多點陣列式探測模式，以刀孔為測點位置布設陣列式采集系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)采集的通道數(shù)，而且能夠增強抗噪能力。此外，考慮到TBM 對電場水平分量的影響較小，采用電性源激發(fā)、水平電場分量接收的隨掘瞬變電磁超前探測觀測系統(tǒng)具有重要意義。

2.1.2 有效信號提取

1) 隨掘地震

針對以TBM 破巖震動為震源的地震探測新模式，如何有效識別破巖震源信號特征，從巷道復雜噪聲中提取出有效地震記錄和壓制干擾噪聲是后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎。

(1) TBM 破巖震源與信號特征

以TBM 刀盤破巖震動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的炸藥或錘擊震源采集到的地震信號是一種隨機、連續(xù)噪聲記錄，無法直接利用。開展TBM 破巖震源及其信號特征分析可以為后續(xù)提取地震有效信號奠定基礎，進一步實現(xiàn) “變噪為源”。

TBM 破巖震源及其信號特征分析的重點是揭示TBM 破巖震源數(shù)據(jù)的時頻特征，并分析構建出震源函數(shù)。刀盤上的滾刀切割巖石具有隨機性、相互干擾性，造成其震源機制及其信號特征的復雜性。通過對TBM 不同工作狀態(tài)下的破巖震動數(shù)據(jù)進行時頻域特征分析，結合TBM 機械施工力源特征與震源信號激發(fā)機制分析，構建出震源函數(shù)；并獲取TBM 掘進期間切割不同巖石的時頻域特征，匯聚頻譜，構建數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和成像解釋提供支撐。

(2) 提取有效信號

在TBM 破巖震源與信號特征分析的基礎上提取有效信號，得到用于反演、成像的虛源地震記錄，是隨掘地震數(shù)據(jù)處理的首要目標。

目前針對隨掘地震信號的處理多以互相關等常規(guī)地震干涉技術為主，其在一定程度上可以有效地將TBM 產(chǎn)生的隨機信號恢復到類脈沖化的震源信號，但隨掘震源影響導致的多峰值脈沖等干擾仍然存在，需要進一步針對TBM 破巖震源信號干擾特征進行針對性的處理。為此，開展以常規(guī)地震干涉技術為基礎結合最佳維納濾波、小波分析等的多技術聯(lián)合的處理算法研究，得到可直接用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理、成像解釋的有效地震信號。另外，地震干涉技術在“變噪為源”的過程中，同時改變了地震信號準確的振幅與相位信息，會影響后續(xù)成像的準確性，如何校正或消除該影響同樣需要更進一步的研究。

2) 隨掘電法

隨掘電法主要是通過供電電極向掘進工作面前方供電，并采集掘進工作面探測區(qū)域返回的電位信號。其有效數(shù)據(jù)提取的核心是降低本底噪聲干擾，提高采集電位信號的信噪比。

考慮到礦井防爆性要求，電法采集設備的功率相對較小，且采集的電位信息基本在毫伏級，儀器的本底噪聲會對采集的電位數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大干擾，故需要降低采集儀器本身的本底噪聲對采集數(shù)據(jù)的影響，提高采集數(shù)據(jù)的信噪比。針對此問題，在數(shù)據(jù)處理時采用以小波變換為基礎的復合濾波處理算法，壓制背景噪聲干擾，同時在采集電路設計時考慮到硬件的本底噪聲，并采用低通濾波等處理手段，降低采集儀器本底噪聲的干擾，實現(xiàn)有效信號的提取。

3) 隨掘瞬變電磁

瞬變電磁法是一種感應類電磁法，受金屬干擾影響較大，而TBM 本身作為一個強金屬干擾源，如何從實測信號中剔除TBM 干擾信號是隨掘瞬變電磁數(shù)據(jù)處理的核心。

剔除TBM 干擾信號的重點在于如何獲取TBM在巷道中的響應曲線：(1) 可以通過直接模擬TBM 施工巷道環(huán)境下的TBM 響應信號，再從實測信號中減去純TBM 信號；(2) 間接利用不包含TBM 的純巷道空腔響應與包含TBM 時巷道的實測響應信號的差值，得到純TBM 的響應曲線，然后從實測信號中運算消除。

2.1.3 高精度成像

1) 地震高精度成像

隨掘地震高精度成像的前提是充分利用巷道全方位立體空間和多波多分量的地震波場信息，在地震有效記錄提取的基礎上，進一步開展高精度的成像研究，提高對巷道反射界面的形狀和范圍的探測精度。

常規(guī)的巷道偏移算法主要利用橢球繞射偏移法進行巷道反射界面二維、三維成像。該方法利用炮點和檢波點作為橢球焦點，二維平面網(wǎng)格、三維空間網(wǎng)格同一到時的振幅集中到橢球等時面上，這也造成了該方法在偏移成像時具有空間對稱性，無法確定異常體產(chǎn)狀，同時在進行三維偏移時，計算效率偏低。針對此問題，一方面，在原有偏移算法基礎上，深入開展三分量極化偏移等方法研究，另一方面，在常規(guī)逆時偏移方法基礎上，進一步發(fā)展基于反演理論的最小二乘逆時偏移成像方法與彈性波全波形反演方法研究，提高巷道前方反射界面的成像精度；此外，為提高成像計算效率，開展MPI(Message Passing Interface)、OpenMP(Open Multi-Processing)等多核多線程并行計算方法研究，通過合理構建隨掘地震成像并行程序架構，解決成像程序運行過程中的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)之間的依賴。

2) 電法高精度成像

巷道三維電法超前探測成像技術主要通過布設在巷道掘進工作面及側幫的三維電法觀測系統(tǒng)，采集巷道前方空間電位信息，然后進行數(shù)據(jù)處理與反演計算。所以，進行電法高精度成像，需要準確獲取巷道全方位、三維空間電位信息。

為了充分利用TBM 施工隧道空間，采用同性源陣列式隨掘電法超前探測系統(tǒng)，獲取更多的三維空間電位數(shù)據(jù)，不僅提高了探測距離，而且保留了傳統(tǒng)聚焦觀測抗干擾能力強的優(yōu)勢。此外，針對三維反演成像過程中靈敏度矩陣計算時間過長、內存占用過大等問題，在選擇反演成像算法時，優(yōu)先選擇不完全計算或不計算靈敏度矩陣的反演算法，以提高程序運行效率，節(jié)約存儲空間。

3) 瞬變電磁高精度成像

隨掘瞬變電磁成像與常規(guī)隧道瞬變電磁成像方法一致。基于虛擬波場理論，將瞬變電磁數(shù)據(jù)處理成擬地震數(shù)據(jù)并進一步進行偏移成像是瞬變電磁數(shù)據(jù)高精度成像方法的又一進步，其成像方法的核心在于波場反變換。波場反變換是由瞬變電磁擴散場求取波場的過程，是不適定問題，需要可靠的數(shù)值求解方法，采用預條件共軛梯度法可以很好地實現(xiàn)波場反變換計算。此外，借鑒地震逆時偏移思想，開展瞬變電磁逆時偏移成像方法的研究，進一步拓展瞬變電磁場的內涵，為瞬變電磁數(shù)據(jù)的高精度成像理論提供理論支撐。

2.2 掘探一體化裝備技術研發(fā)

巖巷TBM 掘探一體化設備研發(fā)不僅需要提高TBM 掘進設備和探測設備的一體化兼容能力，還需要加強TBM 掘進設備和物探探測設備的有機結合，構建以TBM 為中心的“機?井下?地面”一體綜合管理控制系統(tǒng)，以提升掘探一體施工效率。

(1) 提高物探設備與TBM 一體化兼容性。TBM掘進設備與物探設備一體化不是簡單地將物探探測設備加載到TBM 上，而是有機融合成一個系統(tǒng)。探測設備與TBM 系統(tǒng)之間的兼容性、掘進部件與探測傳感器之間的相互干擾等問題，都需要構建一個兼容性更大的平臺，以解決TBM 掘探一體化設備的整機智能性。

(2) 研發(fā)多源數(shù)據(jù)一體化采儲系統(tǒng)裝備。常規(guī)的超前探測需要針對不同的探測任務更換對應的探測設備，不同設備切換極大地降低了現(xiàn)場探測效率，故研發(fā)多源數(shù)據(jù)一體化采集儲存系統(tǒng)裝備，使得一臺儀器可以同時采集多種不同類型的感知參數(shù)，可提高TBM掘探一體化的效率。

(3) 開發(fā)多參數(shù)融合?大數(shù)據(jù)疊加處理技術。隨掘隨探感知參數(shù)多，動態(tài)數(shù)據(jù)量大，有效利用地質地球物理大數(shù)據(jù)，特別是對掘進工作面前方多頻次探測數(shù)據(jù)的疊加處理，融合高精度判識至關重要，開發(fā)相應的數(shù)據(jù)處理與診斷技術是掘探一體化裝備技術的重要組成部分。

2.3 智能控制系統(tǒng)開發(fā)

當前，TBM 巖巷掘進與探測設備系統(tǒng)相對獨立，缺乏協(xié)調整個巷道施工期間的掘進與探測管理的智能控制系統(tǒng)平臺。TBM 掘探一體化包括掘進、探測、狀態(tài)顯示、信息反饋、指控發(fā)布等多個部分，以往多采取分散式管理，各工種之間的通信消耗時間增加，效率難以有效提高，為此構建以TBM 掘進刀盤感知為基礎的TBM 智能化控制系統(tǒng)，輔以隨掘探測超前預報，綜合多元信息融合、慣性導航、遠程視頻監(jiān)控技術、物聯(lián)網(wǎng)等技術，實時掌握掘進設備的狀態(tài)和巷道前方地質情況，及時調整掘進機的姿態(tài)。此外，智能控制系統(tǒng)平臺借助AI 智能輔助決策技術，輔助給出決策建議，實現(xiàn)掘進參數(shù)優(yōu)化選取與智能支護，同時結合礦井5G 網(wǎng)絡實現(xiàn)掘進方向與設備狀態(tài)遠程控制。圖8 為TBM 智能化控制系統(tǒng)示意。

圖8 TBM 智能化控制系統(tǒng)Fig.8 TBM intelligent control system

2.4 掘探一體化實踐體系研究

目前，應用于煤礦巖巷TBM 掘探一體化探測的工程案例很少。借鑒于隧道巖巷TBM 掘探一體化探測技術，基于現(xiàn)有文獻分析認為，煤礦巖巷TBM 掘探一體化工程應用中還需要提高對TBM 掘探一體化認知，強化一體化管理與發(fā)展等方面研究。

(1) TBM 掘探一體化實施理念。目前TBM 掘探一體化在工程應用中還停留在掘、探分離階段，即TBM 掘進與超前探測是由各自獨立完成，兩者之間的一體化協(xié)同程度不高。從TBM 鉆機研發(fā)、操控平臺開發(fā)、工程現(xiàn)場應用，到相關科研院所，都要不斷提高認識，加大科技投入，持續(xù)推動TBM 掘進與探測一體化聚力發(fā)展。

(2) TBM 掘探一體化數(shù)據(jù)管理。當前TBM 掘探一體化仍以長距離、低頻次探測為主，而TBM 快速掘進對近距離超前探測精度提出了更高要求。因此，需要開展高頻次、短距離、多覆蓋的隨掘探測，重點要解決前方50 m 以內的地質問題，通過工程實踐進一步掌握掘進地質條件的信號特征，確立信號背景場、異常場并入庫管理，實現(xiàn)異常體信息智能識別，其中，研發(fā)TBM 掘探一體化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是關鍵。

(3) TBM 掘探一體化發(fā)展方向。未來TBM 掘進與探測設備的自動化、智能化水平不斷提高，需超前研究掘進地質條件透明化的適配性，與TBM 裝備融合搭載，實現(xiàn)掘進前方地質異常信息數(shù)據(jù)實時掌控，軟件處理實時化、可視化、智能化，實現(xiàn)近距離地質條件高精度分辨，遠距離地質條件高效率預報，動態(tài)交互更替，隨掘隨測隨報，少人無人超前操控，突顯一體化成效。

3 結語

隨著煤礦機械化、智能化程度不斷提高，TBM 巷道施工將會成為未來現(xiàn)代化大型礦井的發(fā)展趨勢。基于透明地質保障體系架構，積極利用好裝備和探測技術優(yōu)勢，可以有效獲得對前方地質條件的預測判斷效果。其中裝備開發(fā)、控制平臺、方法融合與成像是關鍵，由過去單方法、單次探測，向多方法、融合隨掘隨探轉變，重點是把TBM 巖巷掘進過程中“低頻次、長距離、高精度”的需求轉變成“高頻次、短距離、多覆蓋、高精準”，實現(xiàn)安全、精準、智能掘進，進一步提升巷道掘進的工作效率及成效，向TBM 掘探一體智能化發(fā)展。

具體來說，面對煤炭工業(yè)高質量發(fā)展要求，就要完善TBM 掘探一體化技術體系，實現(xiàn)超前感知、超前預報、超前控制的實時決策。在現(xiàn)有隧道TBM 隨掘探測的基礎上，對觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)有效提取和地質異常成像等方向進行優(yōu)化與創(chuàng)新，促進TBM 及配套技術裝備的升級，發(fā)展和完善適合煤礦巖巷TBM 隨掘探測一體化技術。同時，需要進一步提高裝備的耦合程度，實現(xiàn)TBM、探測設備、傳感器等有機結合，提升TBM 裝備的自動化，信息化、智能化水平；需要研發(fā)TBM 智能化控制及大數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)平臺，為TBM施工提供最佳掘進參數(shù)和超前地質預報智能決策依據(jù)，提高TBM 施工掘探一體化水平；需要在室內強化1∶1 模型推演以及工程實踐跟蹤探測體系研究，對煤礦巷道施工等條件的背景數(shù)據(jù)及典型地質異常響應特征進行有效掌控，不斷提升成像方法、地質地球物理大數(shù)據(jù)的效能。通過TBM 掘探一體化技術體系的建立，對前方地質模型的精準重建實現(xiàn)實時地質導航，為礦井地質條件透明化及智慧礦山建設作出貢獻。