張 盛，陳 召，盧 松，楊戰(zhàn)標(biāo)，冀畔俊，賀 飛，魯義強(qiáng)，劉佳偉

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731；4.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司煤炭開(kāi)采利用研究院，河南 平頂山 467099；5.河南平寶煤業(yè)有限公司，河南許昌 461714；6.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采進(jìn)入了以機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化為主的新時(shí)代[1-4]。作為煤礦生產(chǎn)的兩大核心環(huán)節(jié)，綜采智能化發(fā)展迅速，但綜掘水平相對(duì)滯后[5-6]。TBM(Tunnel Boring Machine)作為目前世界上最先進(jìn)的掘進(jìn)設(shè)備，是滿足集約化、現(xiàn)代化、智能化礦井采掘平衡和高效建設(shè)生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，正逐漸被不同地區(qū)的煤礦引進(jìn)，在煤礦巖巷掘進(jìn)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)巨大，得到業(yè)內(nèi)的愈加重視[7]。與傳統(tǒng)隧道TBM 工程相比，煤礦巷道地質(zhì)條件更復(fù)雜，如存在斷層破碎帶、節(jié)理密集區(qū)、起伏不定的煤線、軟弱地層等，可能造成圍巖失穩(wěn)、塌陷等災(zāi)害事故發(fā)生[8]，使得TBM 在煤礦領(lǐng)域的推廣應(yīng)用面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，巷道地質(zhì)的超前探測(cè)能夠?yàn)樯畈棵禾抠Y源的精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用與煤礦智能化建設(shè)實(shí)現(xiàn)透明地質(zhì)提供支持[9-10]。

現(xiàn)有的隧(巷)道超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)主要可分為破壞性和非破壞性兩大類[11]。以超前鉆探為代表的破壞性探測(cè)手段由于鉆孔信息數(shù)量有限、成本高、探測(cè)范圍小、結(jié)果代表性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，不利于TBM 快速掘進(jìn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，以非破壞性方法為基礎(chǔ)的隧(巷)道超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)更適合TBM 掘進(jìn)工程[12]，其中主動(dòng)源地震波超前探測(cè)方法與TBM 掘進(jìn)施工具有良好的匹配性[13-16]。目前國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)TBM 破巖震源超前探測(cè)技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究。Song Ao 等[17]針對(duì)透射波TBM破巖震源超前探測(cè)技術(shù)，聚焦多源地震干涉技術(shù)的研究，為此方法的應(yīng)用推廣做出了貢獻(xiàn)；Zhao Yue 等[18]對(duì)TBM破巖震源探測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，優(yōu)化了布置方案，提高探測(cè)的準(zhǔn)確性；陳磊等[19]提出了基于橢圓展開(kāi)共反射點(diǎn)疊加的隧道地震波超前探測(cè)成像方法，提高了超前探測(cè)圖像的準(zhǔn)確性；許新驥[20]開(kāi)展了TBM 破巖震源數(shù)值正演模擬及處理成像研究，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)解釋的理論體系；張鳳凱[21]著力于互相關(guān)干涉、逆時(shí)偏移成像方法的研究，為TBM 破巖震源探測(cè)數(shù)據(jù)的成像分析提供思路；Liu Bin 等[22]提出了一種基于正則化的分層反演方法，解決了狹窄空間中地震波速度分層層析成像的問(wèn)題；盧松等[23-25]利用基于TBM 破巖震源的HSP 超前探測(cè)技術(shù)在TBM 施工隧道成功預(yù)測(cè)了不良地質(zhì)構(gòu)造，促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

目前，TBM 破巖震源HSP 法(Horizontal Seismic Profiling Method)探測(cè)不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)方法，先后應(yīng)用于多個(gè)TBM 施工項(xiàng)目，取得了良好的成效，但在煤礦巷道的應(yīng)用研究還較為缺乏。煤礦巷道除斷層破碎帶、節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)構(gòu)造以外，煤層識(shí)別也是其核心內(nèi)容。巷道常布置在近水平巖層中，地震波反射法采用反射與散射成像方法，對(duì)近水平的煤層特征的反射成像效果較差；TBM 掘進(jìn)滾刀破煤巖互層過(guò)程，煤體強(qiáng)度較低，破裂引起的震動(dòng)所產(chǎn)生的地震波會(huì)對(duì)后期有效信號(hào)的提取有一定的干擾[26-28]；煤礦巷道空間較小，TBM 掘進(jìn)、支護(hù)、清渣等工序增加了探測(cè)噪聲干擾的程度，不利于有效信號(hào)的提取。因此，筆者在系統(tǒng)梳理TBM 施工煤礦巷道環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了狹小空間檢波器布置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，近水平小傾角煤線識(shí)別，對(duì)原始信號(hào)的處理及有效信號(hào)提取優(yōu)化，通過(guò)互相關(guān)干涉處理有效信號(hào)并進(jìn)行反射與散射聯(lián)合反演成像等一系列研究，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用及反饋，對(duì)于提高HSP 法超前探測(cè)技術(shù)在煤礦TBM 掘進(jìn)巷道的適應(yīng)性提供了支持。

1 TBM 破巖震源超前探測(cè)方法

1.1 探測(cè)原理

TBM 破巖震源超前探測(cè)技術(shù)基于石油測(cè)井中的隨鉆地震探測(cè)技術(shù)SWD(Seismic While Drilling)，結(jié)合TBM 施工環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)后的TSWD(TBM Seismic While Drilling)[29]。該方法利用TBM 刀盤(pán)破巖震動(dòng)作為震源，通過(guò)TBM 刀盤(pán)附近合適位置安裝的先導(dǎo)傳感器來(lái)記錄刀盤(pán)的破巖震動(dòng)狀態(tài)，并在巷道邊墻空間設(shè)置三分量檢波器，收集TBM 破巖震動(dòng)信號(hào)，探測(cè)原理如圖1 所示。刀盤(pán)破巖過(guò)程中能將破巖先導(dǎo)信號(hào)和檢波器的接收的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，獲得能夠解釋的地震記錄，再利用垂直地震剖面VSP(Vertical Seismic Profiling)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行濾波、P 波和S 波拾取、波場(chǎng)分離、偏移成像等工作，最終獲得掘進(jìn)工作面前方一定區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的探測(cè)結(jié)果。

圖1 TBM 破巖震源超前探測(cè)原理Fig.1 Principle of advance detection based on the TSWD with TBM rock-breaking vibration as a seismic source

1.2 探測(cè)系統(tǒng)布置

由于TBM 掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)及護(hù)盾幾乎占據(jù)了掘進(jìn)工作面的全部空間，導(dǎo)致隧(巷)道中地震觀測(cè)系統(tǒng)的布置極為受限，所以觀測(cè)系統(tǒng)通常布置在兩側(cè)邊墻(圖2 中區(qū)域①)，使得觀測(cè)系統(tǒng)可以探測(cè)獲取前方(圖2 中區(qū)域②)一定范圍的地質(zhì)信息。由于掘進(jìn)工作面前方(圖2中區(qū)域②)斷層、破碎帶、軟弱圍巖等不良地質(zhì)是影響TBM 高效安全掘進(jìn)的主要因素，是探測(cè)的重點(diǎn)。L.Petronio 等[29]研究總結(jié)出了一套應(yīng)用廣泛的探測(cè)系統(tǒng)布置方法，如圖2 所示，將檢波器布置在TBM 刀盤(pán)后方10～20 m 范圍內(nèi)、安裝在5～10 m 的鉆孔中，該方法在一些TBM 隧道中開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，能夠獲得掘進(jìn)工作面前方100 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。

圖2 TSWD 超前探測(cè)系統(tǒng)布置Fig.2 Layout of the TSWD advance detection system

2 基于破巖震源的HSP 法煤礦TBM 掘進(jìn)巷道超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)

表1 中對(duì)比了目前常用的主動(dòng)源地震探測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)，及在煤礦TBM 巷道施工的適用性。根據(jù)表1對(duì)比分析可得，目前常用主動(dòng)源地震探測(cè)方法多利用TBM 停機(jī)時(shí)間探測(cè)，往往難以滿足TBM 快速施工的需求。與之相比，利用TBM 掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)刀具切割巖石所產(chǎn)生的彈性波信號(hào)作為HSP 反射法預(yù)報(bào)激發(fā)信號(hào)[30]。以該技術(shù)為核心的HSP 超前探測(cè)方法結(jié)合了傳統(tǒng)破巖震源探測(cè)方法實(shí)施方便高效的特點(diǎn)，探測(cè)準(zhǔn)確性較高，適合TBM 煤礦巷道快速施工過(guò)程中的超前地質(zhì)探測(cè)。

表1 主動(dòng)源地震波超前探測(cè)方法技術(shù)特點(diǎn)Table 1 Comparative analysis of the technical characteristics of active-source seismic wave-based advance detection methods

由于煤礦巷道施工斷面一般較小，同時(shí)錨網(wǎng)索支護(hù)、通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)輸軌道等都占據(jù)了巷道大部分空間，導(dǎo)致TBM 掘進(jìn)煤礦巖巷工程觀測(cè)系統(tǒng)的布置空間相對(duì)狹小，錨桿鉆機(jī)頻繁施工在巷道小空間范圍產(chǎn)生大量噪聲，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有效信號(hào)的提取影響較大，另外，部分巷道高瓦斯?jié)舛刃枰綔y(cè)設(shè)備達(dá)到防爆安全標(biāo)準(zhǔn)，需識(shí)別與巷道軸向小角度相交煤線的存在對(duì)探測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度提出特殊要求?；谶@些特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適合TBM在煤礦巷道掘進(jìn)地質(zhì)條件的HSP 超前探測(cè)技術(shù)，才能更好地指導(dǎo)TBM 施工。

2.1 探測(cè)設(shè)備改進(jìn)

由于煤礦巷道TBM 掘進(jìn)環(huán)境存在信號(hào)干擾源豐富、濕熱變化大等顯著特點(diǎn)。對(duì)HSP 地質(zhì)預(yù)報(bào)儀的穩(wěn)定性、信號(hào)采集準(zhǔn)確性、預(yù)報(bào)系統(tǒng)布設(shè)、提出更高要求。目前HSP 地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了震動(dòng)信號(hào)多通道無(wú)線傳輸、較強(qiáng)的設(shè)備抗干擾能力、寬頻帶彎扭式檢波器，搭載了TBM 環(huán)境噪聲濾除、有用信號(hào)提取、反射成像等技術(shù)模塊軟件。且針對(duì)煤礦巷道瓦斯含量高的特點(diǎn)，選用搭載了防爆裝置的預(yù)報(bào)儀，符合煤礦巷道使用規(guī)范，探測(cè)設(shè)備在煤礦TBM 掘進(jìn)巷道現(xiàn)場(chǎng)安裝使用情況如圖3 所示。

圖3 HSP 法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備(YHSPT-8 型)Fig.3 Equipment for HSP-based advance geological prediction (YHSPT-8)

2.2 探測(cè)系統(tǒng)布置

1)檢波器布置方法

HSP 法探測(cè)系統(tǒng)檢波器需與基巖接觸并耦合，通常布置在鉆孔內(nèi)并采用黃油或石膏耦合。煤礦巷道相比隧道工程斷面狹小，若采用鉆孔內(nèi)布置檢波器的方法，一方面需要重新打孔增加時(shí)間成本不利于快速掘進(jìn)，另一方面煤礦巷道以錨桿索支護(hù)為主，巷道錨桿索鉆孔較多，檢波器鉆孔布置空間受到較大的局限性。針對(duì)這些特點(diǎn)，煤礦巷道采用夾持式檢波器進(jìn)行探測(cè)系統(tǒng)的布置，利用已安裝好的錨桿進(jìn)行布置，將檢波器與錨桿尾部端頭連接，并進(jìn)行耦合處理，如圖4 所示。

圖4 探測(cè)系統(tǒng)-檢波器現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.4 In-situ layout of geophones in the detection system

2)檢波器布置方式

HSP 法探測(cè)系統(tǒng)檢波器布置方式分為直線類和空間類[31]。根據(jù)幾何地震學(xué)原理得到兩種觀測(cè)方式的反射波路徑如圖5 所示。通過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)在相同測(cè)線長(zhǎng)度下，空間觀測(cè)方式(圖5b)對(duì)前方異常體可探測(cè)識(shí)別區(qū)域明顯大于直線觀測(cè)方式(圖5a)，對(duì)同巷道走向小角度相交構(gòu)造的識(shí)別能力也較強(qiáng)。在煤礦巷道地質(zhì)環(huán)境中，經(jīng)常存在與巷道軸線方向有小角度相交的煤線，且瓦斯治理巷道一般也要求與工作面煤層保持一定的距離，有利于對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采。所以在煤礦瓦斯底抽巷等巷道進(jìn)行地質(zhì)超前探測(cè)系統(tǒng)布置時(shí)，選用空間觀測(cè)方式能更好地探測(cè)煤層走向趨勢(shì)，不僅可以防止掘進(jìn)過(guò)程誤揭煤線現(xiàn)象的發(fā)生，而且可以指導(dǎo)巷道掘進(jìn)走向。

圖5 不同觀測(cè)方式反射波路徑Fig.5 Reflected wave paths derived from different observation methods

2.3 探測(cè)數(shù)據(jù)處理及分析

1)數(shù)據(jù)分析原理

HSP 法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)以彈性波理論為基礎(chǔ)，傳播過(guò)程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費(fèi)馬原理[25]。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ? 種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分產(chǎn)生反射，另一部分產(chǎn)生折射并穿過(guò)分界面在另一介質(zhì)中繼續(xù)傳播。反射系數(shù)表示為：

2)數(shù)據(jù)處理

胰腺癌具有較高的患病率，且病情進(jìn)展快速、病灶容易轉(zhuǎn)移，為提高患者預(yù)后質(zhì)量，臨床需早日對(duì)患者的病情進(jìn)行診斷，以便于臨床進(jìn)一步有效治療。隨著現(xiàn)代臨床醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，臨床診斷胰腺癌的準(zhǔn)確率也得到了進(jìn)一步提升，常規(guī)診斷手段主要有CT、MRI、胰膽管造影技術(shù)等，其中臨床比較常見(jiàn)MRI與CT檢查，為臨床診斷胰腺疾病提供了有效手段[1]。本文以80例胰腺癌患者作為觀察對(duì)象，特此對(duì)照觀察了MRI與CT診斷的效果。現(xiàn)做如下報(bào)道。

(1) 時(shí)域分析[24]。刀具剪切巖體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同振幅、相位、沒(méi)有固定排列順序的子波，被不同位置的檢波器采集，根據(jù)子波序列時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算基準(zhǔn)縱波速度(多組數(shù)據(jù)取平均值)，用作時(shí)深轉(zhuǎn)換。

(2) 頻譜分析[25]。對(duì)機(jī)械和圍巖震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和濾波處理，提取有效信號(hào)。

(3) 相關(guān)分析[25]。通道間在同一時(shí)間接收的信號(hào)中子波序列具有相同的排序特征，對(duì)其進(jìn)行互相關(guān)干涉處理，獲取虛擬震源道和反射特征曲線。

(4) 反演成像。采用能量疊加最大化原理，對(duì)特征波形曲線進(jìn)行反射與散射聯(lián)合反演成像，獲取全空間地層反射能量成果圖。

(5) 成果解釋。結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料、特征數(shù)據(jù)庫(kù)和反射特征進(jìn)行地質(zhì)解譯。

數(shù)據(jù)處理分析流程如圖6 所示。

圖6 HSP 法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析流程Fig.6 Data analysis flow chart of HSP-based advance geological prediction

3 HSP 法在首山一礦底抽巷的應(yīng)用

3.1 工程概況

河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦己15-17 一采區(qū)煤層下伏巖層瓦斯抽采巷道，采用“平寶號(hào)”TBM(?4.33 m)進(jìn)行掘進(jìn)。巷道布置如圖7a 所示。巷道直徑約4.33 m，地面高程 +151～+187.8 m，埋深約850 m，巷道所在層位主要位于石炭系太原組上部灰?guī)r段，平均厚度26 m，距離己15-17 煤層底板30 m 左右，巷道腰線附近存在一條煤線，巷道圍巖分布如圖7b 所示。根據(jù)TBM 已掘進(jìn)里程揭露結(jié)果表明，灰?guī)r層中存在連續(xù)軟弱夾矸，局部區(qū)域有煤線侵入，部分區(qū)域受斷層構(gòu)造影響裂隙較發(fā)育。目前TBM 施工至己15-17-12150 機(jī)抽巷開(kāi)口處，巷道地質(zhì)條件變差，為防止出現(xiàn)卡機(jī)事故，亟需進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，指導(dǎo)TBM 施工。

圖7 TBM 掘進(jìn)巷道布置平面圖Fig.7 Layout plan of roadway excavation using a TBM

3.2 雙護(hù)盾TBM 探測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化布置

根據(jù)HSP 地震波超前探測(cè)技術(shù)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，考慮煤礦巷道斷面較小、空間狹窄的特點(diǎn)，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)布置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通常設(shè)計(jì)破巖震動(dòng)源與其最近的檢波接收器之間的距離在10～20 m，由于“平寶號(hào)”TBM 為實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑采用了雙護(hù)盾外加主梁式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且在主梁后方搭載了2 臺(tái)液壓錨桿鉆機(jī)，導(dǎo)致刀盤(pán)至錨桿鉆機(jī)約12 m 范圍內(nèi)無(wú)法布置檢波器。充分考慮現(xiàn)場(chǎng)空間后，利用錨桿鉆機(jī)與司機(jī)控制室之間的工作平臺(tái)區(qū)域進(jìn)行檢波器布置，設(shè)計(jì)最優(yōu)距離為15 m。檢波器之間的偏移量通常在1～5 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間設(shè)計(jì)偏移量為3 m。采樣率通常為0.25～0.6 s，有助于預(yù)測(cè)掘進(jìn)工作面前方50～150 m 的地質(zhì)條件，一般需探測(cè)掘進(jìn)工作面前方100 m 范圍，設(shè)計(jì)采樣率為0.51 s。采用多個(gè)單分量檢波器，以巷道軸向方向縱波為主；檢波器采用速度型，主頻38 Hz，采樣頻率是62.5 μs?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)布置情況如圖8 所示。

圖8 12150 機(jī)抽巷道超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)布置Fig.8 Layout of the advance geological detection system in the No.12150 machine pumping roadway

3.3 探測(cè)結(jié)果分析

“平寶號(hào)”TBM 掘進(jìn)期間對(duì)巷道掘進(jìn)工作面前方進(jìn)行了超前地質(zhì)探測(cè)，采用空間陣列式數(shù)據(jù)采集，并對(duì)提取的有效信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)干涉處理，最后通過(guò)反射波提取、疊加，開(kāi)展反射與散射聯(lián)合反演成像?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)锍碳s為100 m(里程K1+473-K1+578)，探測(cè)結(jié)果如圖9-圖12 所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理過(guò)程Fig.9 Data processing process

數(shù)據(jù)處理步驟為：通過(guò)分析傅里葉變換后的機(jī)械震動(dòng)和圍巖震動(dòng)信號(hào)頻譜特征，如主頻范圍、相位特征、F-K域分布特征等，進(jìn)行差異濾波，最大程度上獲取有效信號(hào)。各個(gè)檢波器(1-6 號(hào)，對(duì)應(yīng)0-5 號(hào)通道)同時(shí)接收到多組震動(dòng)信號(hào)(圖9a 中①-③)，其內(nèi)部子波序列對(duì)存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行互相關(guān)干涉處理，獲取一個(gè)虛擬震源信號(hào)(圖9b)，通過(guò)這個(gè)虛擬震源的波場(chǎng)信號(hào)再進(jìn)行三維聚焦成像。數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖9 所示。

2)成果成像分析

在傳統(tǒng)的地震反演中，主要利用地震波的反射信息來(lái)推斷地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和屬性，而散射反演則是通過(guò)利用地震波的散射信息來(lái)獲取地下介質(zhì)的微觀特征和非均勻性。反射與散射聯(lián)合反演技術(shù)將反射和散射數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，通過(guò)綜合利用2 種數(shù)據(jù)的信息來(lái)超前探測(cè)結(jié)果成像的精度和分辨率。對(duì)于煤礦巷道來(lái)說(shuō)，圍巖多為層狀巖體，反射和散射聯(lián)合反演技術(shù)對(duì)不同巖層間出現(xiàn)斷層和巖性變化導(dǎo)致的地震波反射、折射路徑改變捕捉靈敏程度較高，有利于對(duì)煤層和巖層的識(shí)別。

圖10、圖11 為己15-17-12150 機(jī)抽巷道K1+473-K1+578 段超前地質(zhì)預(yù)測(cè)反演分析成像結(jié)果。橫軸左端表示探測(cè)里程的起點(diǎn)，垂直軸代表探測(cè)的高度。反演結(jié)果圖像中的紅、綠、藍(lán)條紋表示巖體反射能量的變化，色譜是能譜量值做過(guò)歸一化處理后的結(jié)果。藍(lán)色條紋代表能量低，表明巖體強(qiáng)度高且結(jié)構(gòu)完整；紅色、綠色能量較高表明巖體強(qiáng)度較低且結(jié)構(gòu)破碎。能量條分布較少的區(qū)域巖體均勻致密，對(duì)應(yīng)波速曲線上的高波速區(qū)；能量條密集且差異較大的區(qū)域表示構(gòu)造復(fù)雜、裂隙發(fā)育，說(shuō)明巖體的均勻性差，存在的破碎區(qū)域?qū)е履芰糠植嫉倪B續(xù)性較差，對(duì)應(yīng)波速曲線上的低波速區(qū)。從反演分析成像結(jié)果圖像來(lái)看，K1+495-K1+501、K1+537-K1+565 里程段存在能量反射異常區(qū)域，推測(cè)存在地質(zhì)異常體。

圖10 K1+473-K1+578 里程探測(cè)反演分析成果(XOY 面切片Z 方向0 m)Fig.10 Inversion analysis results for the detection of the K1+473-K1+578 mileage (XOY slice,Z direction,0 m)

圖11 K1+473-K1+578 里程探測(cè)反演分析成果(3D)Fig.11 Inversion analysis results for the detection of the K1+473-K1+578 mileage segment (3D)

3)層速度分析

地震波在巖土體中傳播時(shí)，傳播速度會(huì)受到巖土體的組成成分、密度、彈性模量及巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，導(dǎo)致巷道內(nèi)斷層及破碎帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)體與周邊完整地質(zhì)體的波速存在較大差異。通過(guò)觀察波速在不同巖層分布上的變化，可以大致推斷巷道前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)和位置。層速度分布如圖12 所示。

圖12 層速度分布Fig.12 Interval velocity distribution

4)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果解釋

根據(jù)探測(cè)分析結(jié)果(圖10-圖12)，并結(jié)合地質(zhì)資料，可以歸納出己15-17-12150 機(jī)抽巷道掘進(jìn)工作面前方100 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)情況大致可分為以下幾段，見(jiàn)表2，并繪制巷道掘進(jìn)地質(zhì)概況預(yù)測(cè)剖面如圖13 所示。

表2 地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果分析匯總Table 2 Summary of geological prediction results

圖13 12150 機(jī)抽巷K1+473-K1+578 里程地質(zhì)概況預(yù)測(cè)剖面圖Fig.13 Profile showing the geological setting prediction of the K1+473-K1+578 mileage in the No.12150 high-pumping roadway

3.4 開(kāi)挖揭露巖體與超前探測(cè)對(duì)比

TBM 施工過(guò)程中，對(duì)開(kāi)挖結(jié)果進(jìn)行跟蹤調(diào)查，探測(cè)結(jié)果反演分析與開(kāi)挖巖體揭露情況對(duì)比如圖14 所示。在掘進(jìn)工作面前方22～28 m(里程K1+495-K1+501)巷道幫部有煤線侵入，煤線起伏較大，巷道幫部存在輕微破碎區(qū)(圖14a)；在掘進(jìn)工作面前方64～70 m(里程K1+537-K1+543)揭露巖體較破碎，頂板局部巖體坍塌或掉塊，需要用錨網(wǎng)加固(圖14b)；在掘進(jìn)工作面前方75～83 m(里程K1+548-K1+556)揭露斷層破碎帶，圍巖完整性差，TBM 換步過(guò)程撐靴接觸區(qū)域空腔化嚴(yán)重，左右撐靴伸出行程差異化較大，TBM 推進(jìn)緩慢(圖14c)；在掘進(jìn)工作面前方88～92 m(里程K1+561-K1+565)揭露巖體相對(duì)破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板存在掉塊塌陷，自穩(wěn)能力差(圖14d)。對(duì)比探測(cè)結(jié)果與開(kāi)挖揭露情況可知，兩者吻合度較高。因此，HSP 超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)能夠較好地識(shí)別出地質(zhì)異常體。

圖14 探測(cè)結(jié)果反演分析與開(kāi)挖巖體揭露情況對(duì)比Fig.14 Comparison between the inversion analysis of detection results and the results revealed by excavated rock masses

4 結(jié)論

a.煤礦巷道TBM 掘進(jìn)環(huán)境存在噪聲復(fù)雜多變、信號(hào)干擾源多、含有瓦斯氣體等顯著特點(diǎn)。采用防爆硬件一體化設(shè)計(jì)的HSP 探測(cè)儀器，基于TBM 破巖震源超前探測(cè)技術(shù)原理、探測(cè)系統(tǒng)布置及數(shù)據(jù)分析方法，提出了一種適合TBM 掘進(jìn)煤礦巷道的HSP 超前地質(zhì)探測(cè)新方法，通過(guò)在煤礦TBM 掘進(jìn)巷道的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的可行性，可以有效提高超前地質(zhì)探測(cè)的效率。

b.針對(duì)煤礦巷道斷面較小、空間狹窄、雙護(hù)盾TBM 主梁結(jié)構(gòu)等因素對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)布置的影響，優(yōu)化了雙護(hù)盾TBM 巷道狹小空間檢波器陣列式布置方法及參數(shù)，采用夾持式檢波器布置在錨桿尾部的檢測(cè)方式，得到震源與首檢波器間最優(yōu)距離為15 m，通過(guò)構(gòu)建的空間型觀測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了與巷道小角度斜交煤線的識(shí)別，預(yù)測(cè)了巖層中煤線的走勢(shì)，有效避免了掘進(jìn)過(guò)程誤揭煤層現(xiàn)象的發(fā)生。

c.通過(guò)分析傅里葉變換的頻譜特征進(jìn)行差異濾波，最大程度上獲取有效信號(hào)，并通過(guò)互相關(guān)干涉處理獲取虛擬震源道和反射特征曲線，對(duì)特征曲線進(jìn)行反射與散射聯(lián)合反演成像，獲取地層的三維空間反射能量圖譜，能夠有效地識(shí)別出TBM 掘進(jìn)巖巷工作面前方100 m范圍內(nèi)不良地質(zhì)體，探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖揭露情況高度契合。

符號(hào)注釋：

R12為反射系數(shù)；Z1、Z2分別為介質(zhì)1 和介質(zhì)2 的波阻抗。