煤矿井下随采地震探测技术发展综述
2019-07-02程建远王保利王云宏
程建远,覃 思,陆 斌,王保利,王 季,王云宏
“采煤工作面随采地震探测技术专题” 编者按煤矿开采正从自动化向智能化发展,煤矿井下随采地震探测技术通过实时、动态、精细探测回采工作面内断层、陷落柱、薄煤带等静态地质条件以及顶板破碎带、应力集中区、突出危险区等动态灾变信息,为智能工作面地质透明化提供数据支撑。依托国家重点研发计划课题(2018YFC0807804)、中国博士后科学基金(2012M511967)和中国煤炭科工集团科技创新基金(2018XAYZD02)等项目,中煤科工集团西安研究院有限公司持续开展了随采地震探测技术的试验研究工作。本刊设立“采煤工作面随采地震探测技术”专题,从数据采集、软件设计、理论方法等方面集中报道在该领域所取得的科研成果和实践经验,以期促进相关技术的交流与传播。感谢王保利副研究员在专题组稿、撰稿等方面给予的支持与帮助!
煤矿井下随采地震探测技术发展综述
程建远,覃 思,陆 斌,王保利,王 季,王云宏
(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)
煤矿井下地震勘探的炸药震源受火工品管控影响大,且无法实现煤矿开采动力地质灾害的监测预警;随采地震是以采煤机为震源的地震探测新技术。本文回顾了国内外随采地震技术的研究现状,介绍了随采地震的方法原理和独特优势,并开展了一些先导性的试验研究利用。结果表明:采煤机震源具有激发能量强、频带宽、安全绿色经济、可重复等特点,可以作为随采地震探测的被动震源;采煤机震源与炸药震源的地震炮集记录接近,后者单炮信噪比相对较高;随采地震数值模拟、大数据动态处理等关键技术急需协同攻关。尽管随采地震尚处于试验研究阶段,但是它将成为未来透明工作面三维动态地质建模、开采动力地质灾害监测预警等重要手段,代表了今后煤矿智能探测技术的发展方向。
随采地震;可控震源;采煤机震源;随采地震大数据;智能开采
随着煤矿安全高效集约化生产模式的推广和无人化、智能化开采时代的到来,煤矿采煤工作面要求超前查明影响回采的小构造、隐蔽致灾地质因素以及实现工作面地质透明化的需求日趋强烈[1]。煤矿采区三维地震经过几次技术飞跃,已经成为煤矿开采地质条件采前地面探测的首选技术,但是随着开采深度的加大,三维地震的分辨率难以满足要求[2]。近年来,煤矿井下槽波地震勘探技术在采煤工作面内小断层、陷落柱、煤层变薄区等超前探测上取得了显著的成效,并在全国得到应用[3-5]。煤矿井下槽波地震仍以人工打孔、炸药激发的方式施工,按照“一炮三检”和“三人连锁放炮制”要求作业,井下工作量较大[6],而且一些大型煤炭企业实现了综采综掘全部机械化而不再使用炸药;煤矿采煤工作面智能化开采要求能够超前查明影响采煤机摇臂自动调高的“亚米级”的地质变化[7]和在煤矿开采过程中动力地质灾害的监测预警等[8],这些都是目前常规矿井物探方法一次性静态探测所难以解决的难题。
随着随钻地震[9]、槽波地震[10]、微震监测[11]、可控震源独立同步扫描[12]等地震勘探新技术的迅速发展以及大数据、云计算、物联网、人工智能等信息技术的异军突起,2011年笔者提出了煤矿井下随采地震探测技术的构想[13],在中国博士后科学基金、中国煤炭科工集团科研项目等支持下,中煤科工集团西安研究院有限公司物探研发团队持续开展了随采地震探测技术的先导性研究和初步的试验研究工作。本文将从煤矿井下随采地震技术的研究现状、应用基础研究、先导性试验以及关键技术等方面,对随采地震探测技术进行阶段性的回顾、总结与展望。
1 随采地震的研究现状
煤矿井下随采地震探测技术(Seismic While Mining,简称SWM)是指利用采煤机截割煤壁时所诱发的震动作为被动地震震源,实现采煤工作面内部断层、陷落柱、煤层变薄区等静态地质条件精细探测以及顶板破碎带、应力集中区、突出危险区等动态灾变条件监测预警的新技术。
1.1 国外技术研究现状
1980年,D. J. Buchanan等提出利用采煤机切割煤壁的震动作为震源以探测煤层中断层的思路,但该研究受试验条件限制未能深入下去[14];1996年,E. C. Westman等尝试以采煤机为震源,研究采煤工作面前方顶板的应力状况,但由于当时无法对采煤机进行实时定位,导致成像质量欠佳而终止研究[15];2001年,N. Taylor等把掘进机作为震源,进行掘进工作面前方地质条件的超前探测,并通过数据处理得到了叠加剖面,但其成像结果未取得后续验证结果[16];2002年,L. Petronio等以隧道掘进机掘进时产生的震动做震源,进行了隧道随掘地震探测,取得了初步的试验效果[17];2006年,F. Poletto等进一步提出了利用隧道掘进机掘进时透过山体的透射波来构建等效反射地震剖面的方法[18];2009年,L. Xun等将采煤机作为震源,预测采煤工作面前方煤层顶板岩石的应力状况,并对一个三角区域内进行了速度层析成像[19];2008年,E. C. Hauser等提出了利用井下采煤机的振动作为地震激发震源、在地面与孔中布设检波器接收地震信号,实现对掘进工作面前方老空区的探测,并开展了试验工作与钻探验证,取得了可喜的效果[20];2009年,K. Andrew采用随采地震层析成像的方法预测矿山压力,其测试结果与理论上矿山压力的分布规律基本相符[21]。近年来,由于西方国家能源政策的转变,德国、英国、法国等陆续关闭了煤矿,以采掘机械为震源进行随采地震研究的报道很少。
1.2 国内技术研究现状
近十年来,国内学者陆续开展了一些被动地震探测技术的研究工作[22-24]。在煤炭地震勘探领域,2008年,唐德林等利用SCHRAMM钻机产生的强大振动作为被动震源,开展了地面随钻地震探测陷落柱的试验,初步证实了随钻地震的可行性[25];2013年,陆斌等对采煤机震源的地震波场、震源特征等进行了理论分析和试验观测,认为采煤机可以作为煤矿井下地震勘探的震源[26];2015年,覃思等以掘进机作为震源,开展了随掘地震反射试验,成功提取了来自巷道的反射波[27];2014—2015年,程久龙等以煤矿井下掘进机作为被动地震震源,开展了随掘地震超前探测理论探讨与数据处理方法研究[28]。2015年,覃思开展了采煤机割煤、地面接收与井下放炮、地面接收的对比试验,得出了采煤机震源的信号与炸药震源信号接近的结论[29];同年,陆斌研究了基于地震干涉的回采工作面随采地震成像方法[30]。
总之,国内外以采煤机或掘进机为震源的相关研究工作偏少,煤矿井下随采地震探测技术是一个处于学科前沿的研究方向。
2 随采地震的基本原理
2.1 随采地震的震源
常规的地震勘探分为数据采集、资料处理和地质解释三个阶段,其中数据采集工作包括地震波的激发、接收和仪器记录,而地震波的激发震源又分为主动震源和被动震源,主动震源是人工自主选用的地震激发震源,如炸药、重锤、电火花、空气枪、可控震源等;而被动震源是人工无法控制的地震震源,它包括自然界存在的各种波动(如风吹草动)、人类生产活动诱发的震动等(如车辆行驶、钻探、采矿机械、岩移变形、水力压裂、矿震、突出、微震)。
煤矿井下采掘活动空间中存在大量的被动地震震源,其中包括:a. 煤矿井下的采煤机、掘进机、刮板运输机、液压支架、破碎机、转载机、皮带、钻机、水泵、风筒等,这些设备在运行过程中将会产生振动,这些振动沿空气、煤壁、煤岩等介质的传播,就会形成不同类型的地震波;b.煤层开采后顶板“三带”与底板“两带”发育过程中,岩石破裂的瞬态过程可以作为地震震源;c.综采放顶煤开采时,液压支架后端顶煤下落冲击底板可以形成稳定的冲击性震源;d.由于应力变化导致的煤炮、岩爆、冲击地压等,可以作为地震震源。
本文重点讨论以采煤机割煤过程诱发的连续振动作为被动震源,开展随采地震探测的原理方法、关键技术等。
2.2 随采地震的方法
随采地震探测技术是一种基于采煤机连续割煤的被动地震探测技术。除了以采煤机的截割震动作为地震激发震源这一特殊性之外,随采地震勘探的方法原理与常规地震勘探是相同的。在地震勘探的震源方面,随采地震与基于可控震源的人工地震勘探有一定的类似之处。地面可控震源在一个激振点(即炮点)上持续振动时间8~16 s;在炮点上激振结束后,相关叠加器便将采集的地下长时连续地震信号与可控震源发出的已知扫描信号进行相关,相关结果成为这一“炮”的记录。随采地震的震源是采煤机长时间“激发”的连续信号,如果能够实时获取采煤机附近的近源子波信号,将回风巷道、运输巷道中实际记录的长时连续地震信号,与同一时段采煤机的近源子波信号相关,就可以利用人工可控震源的相关器原理,对随采地震采集到的信号进行处理,从而得到类似于常规地震的“脉冲”震源记录。
图1给出了可控震源连续扫描信号在经过相关后获取地下反射记录的示意图,图1 中a为可控震源的子波信号, b、c、d分别为可控震源信号传播到界面R1、R2、R3时的反射地震信号,e是b、c和d三者的叠加信号,f为e与可控震源的已知子波a经过互相关后获得的、来自R1、R2和R3三个地下界面的反射信号。
图1 可控震源工作原理示意图
因此,只要设计合理的随采地震数据采集观测系统,同时接收采煤机被动震源附近的地震子波和远场地震信号,就有可能通过类似于可控震源数据信号处理的手段,经过相关处理获得类似于炸药激发的地震单炮记录,从而把随采地震探测技术转换为常规地震勘探的范畴;在此基础上,开展后续地震资料处理与解释工作,就可以借用常规地震勘探的方法技术和工作流程。
2.3 随采地震的优势
随采地震是一种被动地震探测技术,其突出的优势体现在:①摆脱了井下地震勘探对炸药的依赖;②避免了井下地震勘探需要停止采掘作业的困扰;③可以实现实时动态探测,获取海量数据信息;④采煤机震源具有安全、绿色、低成本、无污染、可重复利用等独特优势。
3 随采地震的试验研究
3.1 采煤机振动信号的特征分析
(a) 激发能量
炸药震源具有频谱丰富、能量较强、一致性好等优势,是最为常用的地震勘探震源。但是,炸药震源激发时90%的能量被燃烧、仅有3%的能量转换为地震波,而且炸药震源激发存在打孔工作量大、环境影响大、安全系数低等缺点。
随采地震的震源是基于采煤机的被动地震震源,采煤机震源为一个连续震动、非人为主观愿望可以直接控制的被动震源。采煤机截割煤壁所诱发的振动可否作为地震勘探的震源,取决于其是否符合地震勘探震源的要求:①激发能量足够强,地震有效波的信噪比高;②震源激发的地震波频率高、频带宽,其自相关信号的主峰突出、旁瓣窄;③震源可以高效激发、重复利用;④震源安全可靠、低成本、绿色环保等。显然,如果采煤机适于作为煤矿井下地震勘探的震源,则其完全满足上述震源的③、④要求。因此,采煤机是否适于作为随采地震的震源,则主要取决于采煤机截割煤壁诱发的地震波能量是否足够强、频带是否足够宽等。
图2给出了某矿井下采煤机割煤过程中在地面接收到的随采地震记录。该试验点上采煤机距离地面接收点的垂直距离约120 m,地表为约5 m厚的风积沙层,其下是46 m厚的松散层,对地震波的吸收衰减较强;基岩面以下为9 m的泥岩层、48 m的砂岩层,目标煤层厚度6.0 m左右。可以看出:图2在0~2.6 min和3.1~5.4 min两个时段,地面检波器接收的信号较强,期间的个别尖脉冲信号为微震事件;在2.6~3.1 min时段为采煤机停歇时间,可以将其视为背景信息。另外,在该矿井下采煤工作面以采煤机割煤为被动震源,从切眼出发沿回风顺槽布设检波器,最大排列长度750 m,能够清晰地接收到采煤机诱发的地震信号。由此不难看出:相对于背景噪声而言,采煤机割煤诱发的振动信号信噪比高,初步说明采煤机作为被动震源的能量是足够的。
图2 井下采煤、地面接收的随采地震记录
K. Andrew等在澳大利亚某矿开展了采煤机震源激发的地震信号频带宽度的测试。采煤机滚筒直径2 m、厚度1 m,在采煤机前刀面有21个截齿(图3);采煤机滚筒以40 rpm转速截割煤岩,相当于滚筒运转速度为40 rpm×2×π×1 m/60 s=4.19 m/s、每秒有40 rpm×21个/60 s=14 个/s的截齿在切割煤块。采煤机在切眼割煤时,沿运输顺槽布设了10个检波器,其与切眼的垂直距离分布在141~317 m,图3是这10个检波器实际记录的采煤机振动信号的能量和频谱(FFT)。可以看到:100 Hz以下信号最强,250~300 Hz的信号较强;检波器距离采煤机越远,高频衰减越大。另外,一个显著特征是频谱峰值周期间隔约9 Hz,估计这与采煤机的运动周期有关。由此可见,采煤机截割煤层诱发的振动信号是一个连续、高频、宽带、强能量的地震信号,符合作为地震勘探震源的充要条件。
图3 采煤机(a)和检波器与采煤机不同距离的信号频谱(b)(引自K. Andrew[21])
3.2 采煤机震源与炸药震源的对比
随采地震的特殊性在于该技术试图在煤矿井下以采煤机震源代替炸药震源。为了进一步评估随采地震技术处理的剖面与放炮震源的差异,需要对比在相同条件下两种不同震源采集到的数据。为此,开展了某矿井下放炮、地面接收(图4a)与井下采煤(放炮点附近)、地面同一位置接收的对比试验,通过对连续振动信号处理后,取得了可以与井下放炮记录相比拟的随采地震记录(图4b)。对比分析可以看出:无论是在切眼煤层中放炮还是同一位置采煤所获的地震记录,均在地面记录到透射波,波至清晰可辨,能量较强,且续至波的可辨识程度接近。这说明在采煤机附近布设检波器采集源场信号,与远场信号相关,能获得与炸药震源相似的虚拟地震记录;同时可以看到:炸药震源激发的地震记录信噪比明显高于随采地震的单炮记录(这可能与随采地震数据相关时长参数有关)。
图4 井下放炮、地面接收(a)与井下采煤、地面接收的相关记录(b)
3.3 陷落柱的随采地震探测试验
某矿41108采煤工作面回采时切眼遇到陷落柱,急需对未采区域内是否存在隐伏陷落柱进行超前探查,41108工作面倾向宽度204 m、走向长度剩余508 m,煤层平均厚度10.60 m,煤层倾角0°~7°,平均5°,煤质较硬,槽波发育条件良好。为了进行对比测试,该工作面同时采用常规槽波地震透视和随采槽波地震透视两种手段。采用炸药震源进行槽波透视时,综合利用了回风、运输巷道和切眼的“U”型巷道,射线密度较高且均匀;采用随采地震进行槽波透视时,仅仅利用切眼和回风巷道的“L”排列,其射线密度相对稀疏。
为了测试随采地震对工作面内陷落柱的探测效果,试验设计39道接收、道距10 m、回风巷道接收的观测系统(图5a),采样率为0.5 ms,记录时间长度6 h;采煤机前后滚筒中心距离14 m、滚筒直径2.5 m。图5b是试验采集到的长度为5 min的随采地震数据,此时采煤机距离运输巷约82 m、距离回风巷道约122 m,震源能量很强,可以看出采煤机开始工作和停止工作时的数据能量差异非常明显;以第一道作为参考道,将随采地震数据进行互相关,获得图5c所示的随采地震虚拟炮集记录,其中陷落柱与正常道之间的能量差异也较为明显。
图5d为基于随采地震探测的槽波透视成像结果,在工作面前方发现了一个直径22~27 m的隐伏陷落柱,后经井下钻探与回采工作证实。
图 5 陷落柱的随采地震探测示意图
4 随采地震的关键技术
4.1 采煤机震源的地震数值模拟
所谓地震数值模拟就是在假定地下介质结构模型和相应物理参数已知的情况下,模拟研究地震波在地下各种介质中的传播规律,并计算在地面或地下各观测点所应观测到的数字地震记录的一种计算机仿真方法。地震数值模拟是研究复杂地震波场的重要工具,也是研究构造、物性和岩性等各种地质因素与地震波运动学和动力学特征之间关系的一门技术,是认识地震波传播规律和检验各种方法技术应用效果的重要工具。
随采地震是以采煤机震动作为震源超前探测采煤工作面内部的构造、岩性、应力等异常变化的方法,可以实时提供开采前方的煤层地质情况,目前仍处于试验研究阶段,波的传播机理与波场特征等尚不清楚,例如:以采煤机为震源诱发的振动信息,是一个移动震源激发的、连续传播的地震波,其波场成分是以体波还是面波为主在体波类型中,又是纵波还是横波为主如果以横波为主,其优势分量是SH波还是SV波等等。由于煤矿井下随采地震探测技术是一个全新的技术方向,国内外学者研究较少,却又具有很大的发展潜力。对于上述问题的研究,需要通过数值模拟的方法,从理论上厘清其波场传播的机理与特征,为煤矿井下的实证研究和应用研究指明方向。因此,有必要开发适于煤矿井下随采地震三维、三分量数值模拟的软件,并开展不同地质模型的随采地震数值模拟与分析。
4.2 采煤机震源结构及信号特征
炸药震源是一个瞬态的脉冲震源,起爆时间为微秒级、爆燃速度5 000~6 000 m/s、信号记录时间为秒级,在如此短暂的时间内炸药震源就能够向地下发射一个强能量、尖脉冲、宽频带的地震子波。为了逼近炸药震源的激发效果,人工可控震源通过控制激振器的动作、采用长时(如几十秒)升频扫描的方式,最终形成一个频率域宽频带、时间域强能量、尖脉冲的地震子波信号。无论是采用线性扫描还是非线性扫描的方法,可控震源的激震信号都是经过人工编码的、有一定规则的信号序列,因此通过可控震源子波与各检波器接收信号的互相关,可以取得类似于脉冲状炸药震源激发的地震记录。
采煤机震源是一个不等周期、断续激发的震源,其激发信号具有能量强、频带宽等特点;采煤机震源具有炸药震源的一些特点,例如以采煤机运行速度6 m/min、滚筒转速40 rpm、滚筒直径2 m、滚筒厚度1 m、滚筒镶有21个截齿、截齿间距31.40 cm来估算,假设随采地震记录的时间采样间隔为0.5 ms,则在一个时间采样间隔0.5 ms之内,采煤机直线运动距离为0.05 mm、滚筒转动周长4.2 mm、约有5个截齿在侧向割煤。按照这一测算结果,通过抽象、概化后可以把采煤机割煤抽象为一个连续脉冲震源的叠加效应,即类似于微差连续放炮或毫秒连续爆破的过程。由于采煤机震源兼具炸药震源与可控震源的特点,其激发的信号一方面是不可控的,因为采煤机运行的速度、截齿的出力以及采煤停歇间隔是不规律的;另一方面,在某一特定煤矿的采煤机械、地质条件、采煤班组等是相对稳定的。从一个较长的时间上看,采煤机震源的活动又是有一定的时空规律可循的。
正是由于采煤机震源信号的复杂性,急需开展利用微积分方法对采煤机的震源特征加以理论描述,利用独立成分分析、多域去噪等数学手段对采煤机信号加以提纯,以及采煤机近场信号动态数传等技术与装备的研发等。
4.3 随采地震大数据的动态处理
为了开展工作面透射槽波层析成像,煤矿井下采煤工作面随采地震探测的观测系统应该将工作面“圈”起来(图6),即在切眼、回风巷道、运输巷道和停采线附近以及停采线与切眼之间的地段,尽可能预先埋设检波器,以实现全息数据采集。假设某工作面走向长度1 000 m、倾向宽度200 m、工作面单刀切割时间2 h,按照20 m一个传感器的密度布置,则需要安装120个检波器;随采地震是采用连续监测模式实现数据采集的,如果按照120道接收、0.5 ms采样,则每天随采地震的数据量为120道×24 h/d× 3 600 s/h×1 000 ms/s×2 p/ms×4 b/p=82.944 Gb/d,折合工作面单刀截割2h的数据量为6.92 Gb、随采地震数据网络传输的速率为960 kb/s。如此海量的数据,无论对于煤矿井下工业环网的数据传输速率,还是后台集控中心的高速计算机运算而言,都具有极大的挑战。
图6 随采地震观测系统示意图
只有广泛汲取大数据、互联网、人工智能和智能开采等领域的最新成果,随采地震的实时数据采集、动态数据处理以及智能地质解释才能走向成熟。
4.4 随采地震与智能开采的协同
随采地震探测技术是以大数据采集、动态化处理和智能化解释为基本特征,该技术的出发点和落脚点是为智能化、无人化开采提供技术支撑的。随采地震探测的目的是实现采煤工作面前方未采区域小断层、陷落柱、煤层厚度等静态地质体的精细探测,为构建采煤工作面动态化、透明化的三维地质模型提供可靠信息,这是不言而喻的;特别需要说明的是:煤矿开采过程中围岩应力不断动态变化,其开采动力地质灾害的超前监测、预警一直是一个技术难题,如顶板错断型冲击地压的防控、顶板异常支承应力变化导致的压架等监测预警。因为采煤活动引发的开采动力地质灾害,只有利用大数据分析、通过实时动态监测预警的方式才能够解决,而这一点正是随采地震探测技术的优势所在,也是现有其它手段所无法比拟的。
今后,如果能够把智能开采工作面“三机”状态监测信息、采煤机实时定位信息以及工作面视频解译信息等,及时提供给随采地震系统,实现随采地震与智能开采信息的互联、互通、互馈,就可以充分发挥随采地震技术在静态地质体精细探测和灾变地质体动态监测两个方面的独特技术优势,为智能开采工作面的地质透明化和灾害预警提供依据,这也是实现智能开采由“记忆截割”向“规划截割”的关键技术。
5 随采地震的发展前景
随采地震探测技术是煤矿井下以采煤机为震源的被动地震探测新技术,该技术目前仍处于试验研究阶段,尚有诸多技术难题需要攻关和突破。
应该看到:我国煤矿已经实现了从普通机械化、综合机械化到自动化的跨越,并开始向智能化迈进,将在2020年建成100个初级智能化示范煤矿,2025年基本实现全部大型煤矿智能化,到2035年全面建成以智慧煤矿为支撑的煤炭工业体系,“无人则安、少人则安、少时则安”的理念深入人心,煤矿少人化、无人化、智能化、智慧化建设成为大势所趋,而煤矿工作面地质透明化是实现上述目标的基础与前提。因此不难预料:随采地震探测技术发挥大数据、云计算、物联网、互联网、人工智能等与地球物理学科的交叉优势,将成为未来透明工作面三维动态地质建模、开采动力地质灾害监测预警等重要手段;随采地震探测技术代表了今后煤矿智能探测、无人化探测的技术发展方向,可为煤矿安全高效绿色智能开采的地质保障提供技术支撑。
致谢:课题组的吴海、胡继武、段建华、张庆庆、金丹、刘强、崔伟雄、王盼参与了文中的部分工作,在此一并致谢!
[1] 王国法,张德生. 煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J]. 中国矿业大学学报,2018,47(3):459–467. WANG Guofa,ZHANG Desheng. Innovation practice and development prospect of intelligent fully mechanized technology for coal mining[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2018,47(3):459–467.
[2] 程建远,聂爱兰,张鹏. 煤炭物探技术的主要进展及发展趋势[J]. 煤田地质与勘探,2016,44(6):136–141. CHENG Jianyuan,NIE Ailan,ZHANG Peng. Outstanding progress and development trend of coal geophysics[J]. Coal Geology & Exploration,2016,44(6):136–141.
[3] 王保利,金丹. 矿井槽波地震数据处理系统GeoCoal软件开发与应用[J]. 煤田地质与勘探,2019,47(1):174–180. WANG Baoli,JIN Dan. Development and application of GeoCoal for in-seam seismic data processing[J]. Coal Geology & Exploration,2019,47(1):174–180.
[4] 程建远,江浩,姬广忠,等. 基于节点式地震仪的煤矿井下槽波地震勘探技术[J]. 煤炭科学技术,2015,43(2):25–28. CHENG Jianyuan,JIANG Hao,JI Guangzhong,et al. Channel wave seismic exploration technology based on node digital seismograph in underground mine[J].Coal Science and Technology,2015,43(2):25–28.
[5] 胡国泽,滕吉文,皮娇龙,等. 井下槽波地震勘探:预防煤矿灾害的一种地球物理方法[J]. 地球物理学进展,2013,28(1):0439–0451.HU Guoze,TENG Jiwen,PI Jiaolong,et al. In-seam seismic exploration techniques:A geophysical method predicting coal mine disaster[J]. Progress in Geophysics,2013,28(1):0439–0451.
[6] 徐明顺,付景刚,武晋文. 低瓦斯矿井爆破后炮烟吹散等待时间的界定[J]. 煤矿爆破,2019,37(1):23–26. XU Mingshun,FU Jinggang,WU Jinwen. Definition of waiting time for fume dispersion after low gas mine blasting[J]. Coal Mine Blasting,2019,37(1):23–26.
[7] 田成金. 煤炭智能化开采模式和关键技术研究[J]. 工矿自动化,2016,42(11):28–32. TIAN Chengjin. Research of intelligentized coal mining mode and key technologies[J]. Industry and Mine Automation,2016,42(11):28–32.
[8] 袁亮. 煤炭精准开采科学构想[J]. 煤炭学报,2017,42(1):1–7. YUAN Liang. Scientific conception of precision coal mining[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(1):1–7.
[9] 周小慧,宋桂桥,张卫华,等. 随钻地震技术及其新进展[J]. 石油物探,2016,55(6):913–923. ZHOU Xiaohui,SONG Gui qiao,ZHANG Weihua,et al. Current research progress of seismic while drilling technology[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(6):913–923.
[10] 乔勇虎,滕吉文,皮娇龙. 含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析[J]. 地球物理学报,2018,61(12):4976– 4987. QIAO Yonghu,TENG Jiwen,PI Jiaolong. Rayleigh channel wave field and dispersion of coal seams with small faults[J]. Chinese Journal of Geophysics,2018,61(12):4976–4987.
[11] 王悦,于水,王苏健,等. 微震监测技术在煤矿底板突水预警中的应用[J]. 煤炭科学技术,2018,46(8):68–73.WANG Yue,YU Shui,WANG Sujian,et al. Application of microseismic monitoring technology in water inrush warning of coal mine floor[J]. Coal Science and Technology,2018,46(8):68–73.
[12] 汪恩华,赵邦六,王喜双,等. 中国石油可控震源高效地震采集技术应用与展望[J]. 中国石油勘探,2013,18(5):24–34 WANG Enhua,ZHAO Bangliu,WANG Xishuang,et al. Application and outlook of vibroseis acquisition techniques with high efficiency of CNPC[J]. China Petroleum Exploration,2013,18(5):24–34.
[13] LU B,CHENG J,HU J,et al. Seismic features of vibration induced by mining machines and feasibility to be seismic sources[C]//2011 Xi’an International Conference on Fine Geological Exploration and Groundwater & Gas Hazards Control in Coal Mines. 2011:76–85.
[14] BUCHANAN D J,MASON I M,DAVIS R. The coal cutter as a seismic source in channel wave exploration[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1980(4):318–320.
[15] WESTMAN E C,HARAMY K Y,ROCK A D. Seismic tomography for longwall stress analysis[J]. Rock Mechanics Tools and Techniques,1996:397–403.
[16] TAYLOR N,MERRIAM J,GENDZWILL D,et al. The mining machine as a seismic source for in-seam reflection mapping[C]//Proc. 71st SEG Annual. Meeting,Expanded Abstract. San Antonio,TX,2001:1365–1368.
[17] PETRONIO L,POLETTO F. Seismic-while-drilling by using tunnel boring machine noise[J]. Geophysics,2002,67(6):1798–1809.
[18] POLETTO F,PETRONIO L. Seismic interferometry with a TBM source of transmitted and reflected waves[J]. Geophysics,2006,71(4):SI85–SI93.
[19] XUN L,ANDREW K,MATT VAN DE W. Tomographic Imaging of rock conditions ahead of mining using the shearer as a seismic source:A feasibility study[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2009,47(11):3671–3678.
[20] HAUSER E C,HOWELL M,WOLFE P. Locating abandoned mines using the active mining operation as the seismic energy source-demonstration of a new method[R]. http://www. doc88.com/p-366148339936.html.
[21] ANDREW K,XUN L. Methodology for tomographic imaging ahead of mining using the shearer as a seismic source[J]. Geophysics,2009,74(2):1–8.
[22] 徐佩芬,李世豪,杜建国,等. 微动探测:地层分层和隐伏断裂构造探测的新方法[J]. 岩石学报,2013,29(5):1841–1845.XU Peifeng,LI Shihao,DU Jianguo,et al. Microtremor survey method:A new geophysical method for dividing strata and detecting the buried fault structures[J]. Acta Petrologica Sinica,2013,29(5):1841–1845.
[23] 史鸿祥,李辉,郑多明,等. 基于随钻地震测井的地震导向钻井技术:以塔里木油田哈拉哈塘区块缝洞型储集体为例[J]. 石油勘探与开发,2016,43(4):662–668. SHI Hongxiang,LI Hui,ZHENG Duoming,et al. Seismic guided drilling technique based on seismic while drilling(SWD):A case study of fracture-cave reservoirs of Halahatang block,Tarim oilfield,NW China[J]. Petroleum Exploration and Development,2016,43(4):662–668.
[24] 李丽、彭文涛、李刚,等. 可作为新振源的列车振动及实验研究[J]. 地球物理学报,2004,47(4):680–684. LI Li,PENG Wentao,LI Gang,et al. Vibration induced by trains:A new seismic source and relative test[J]. Chinese Journal of Geophysics,2004,47(4):680–684.
[25] 唐德林,马文琪,胡宗正,等. 被动震源进行地震勘探的可行性研究[J]. 中国煤炭地质,2008,20(2):46–48. TANG Delin,MA Wenqi,HU Zongzheng,et al. Feasibility study of seismic prospecting carried out through passive sources[J]. Coal Geology of China,2008,20(2):46–48.
[26] 陆斌,程建远,胡继武,等. 采煤机震源有效信号提取及初步应用[J]. 煤炭学报,2013,38(12):2202–2207. LU Bin,CHENG Jianyuan,HU JiWu,et al. Shearer source signal extraction and preliminary application[J]. Journal of China Coal Society,2013,38(12):2202–2207.
[27] 覃思,程建远. 煤矿井下随采地震反射波勘探试验研究[J]. 煤炭科学技术,2015,43(1):116–119. QIN Si,CHENG Jianyuan. Experimental study on seismic while mining for underground coal mine reflection survey[J]. Coal Science and Technology,2015,43(1):116–119.
[28] 程久龙,谢晨,孙晓云,等. 随掘地震超前探测理论与方法初探[C]//中国地球科学联合学术年会,2015:1765–1766.
[29] 覃思,程建远,胡继武,等. 煤矿采空区及巷道的井地联合地震超前勘探[J]. 煤炭学报,2015,40(3):636–639. QIN Si,CHENG Jianyuan,HU Jiwu,et al. Coal-seam-ground seismic for advance detection of goaf and roadway[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(3):636–639.
[30] 陆斌. 基于噪声地震干涉的煤矿工作面随采成像方法[J]. 煤田地质与勘探,2016,44(6):142–147. LU Bin. A Seismic interferometry-based seismic imaging while mining in coal working face[J]. Coal Geology & Exploration,2016,44(6):142–147.
The development of seismic-while-mining detection technology in underground coal mines
CHENG Jianyuan, QIN Si, LU Bin, WANG Baoli, WANG Ji, WANG Yunhong
(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)
The explosive source of underground seismic exploration in coal mines is greatly affected by the control of pyrotechnics and cannot realize the monitoring and early warning of dynamic geological disasters in coal mining. Seismic-while-mining(SWM) is a new technique based on shearer as a seismic source underground. The paper reviewed the research status of SWM technique at home and abroad, introduced the SWM’s principle and its unique advantages. According to some pilot experiments of SWM, the results show that the shearer can be used as a seismic source because it has the character of strong excitation energy, wide frequency band, safety, green economy and repeatability, etc. The records of the shearer source and the explosive source are similar to each other, but the latter has higher S/N over the former. There is an urgent need of cooperation research in the key technologies such as seismic numerical simulation and big data dynamic processing. Although SWM is still in the experimental research stage, it will become an important means such as three-dimensional dynamic geological modeling for transparent working face, monitoring and warning of mining dynamic geological disaster, etc. This technology represents the development direction of intelligent detection technology of coal mine in the future.
seismic-while-mining(SWM); vibroseis; shearer source; big data of SWM; smart mining
China Postdoctoral Science Foudation(2012M511967);National Key R&D Program of China(2018YFC0807804);Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)
程建远,1966年生,男,陕西乾县人,博士生导师,研究员,从事物探技术与装备研究工作. E-mail:cjy6608@163.com
程建远,覃思,陆斌,等. 煤矿井下随采地震探测技术发展综述[J].煤田地质与勘探,2019,47(3):1–9.
CHENG Jianyuan,QIN Si,LU Bin,et al. The development of seismic-while-mining detection technology in underground coal mines[J]. Coal Geology & Exploration,2019,47(3):1–9.
1001-1986(2019)03-0001-09
P631;TD713
A
10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.001
2019-01-25
中国博士后科学基金项目(2012M511967);国家重点研发计划课题(2018YFC0807804);贵州省科技重大专项项目([2018]3003-1)
(责任编辑 聂爱兰)