掘进工作面前方煤层底板高程动态预测的试验研究

刘文明，程建远，刘再斌，张泽宇

掘进工作面前方煤层底板高程动态预测的试验研究

刘文明1，程建远1，刘再斌1，张泽宇2

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400)

快速掘进急需构建掘进前方高精度二维地质模型。以沁水煤田某矿区XY-S工作面为例，基于三维地震解释成果，利用巷道掘进过程中煤层底板高程实测信息，动态刷新三维地震平均速度场，更新掘进前方煤层底板高程，最后对掘进前方预测的精度进行统计分析。结果表明：通过不断利用掘进实测煤层底板高程，刷新平均速度场，更新掘进前方煤层底板地质剖面，掘进前方煤层底板剖面与实际揭露剖面之间误差逐渐越小，实测点前方25 m和50 m范围的煤层底板高程最小绝对误差可达0.2 m和0.45 m。若实测点数据密度大、分布均匀，预测精度将会进一步得到提高，可为快速掘进提供高精度煤层底板导航数据。

掘进工作面；平均速度场；逐级透明化；二维地质模型

巷道掘进是煤矿井巷工程中最危险的生产环节之一，在掘进工作面前方存在大量冒顶、突水、瓦斯爆炸等安全隐患，同时高温、高湿、噪声及粉尘等严重危害掘进人员的身体健康和生命安全[1-2]。近年来，回采工作面智能化程度显著提高，但掘进工作面的智能化、无人化程度较低，掘进设备缺乏对机身姿态位置、周围环境、掘进前方地质条件变化的自主感知能力，掘进工作面截割、护顶和锚固等环节无法协同控制作业[3-4]，地质条件复杂性直接制约了掘进智能化技术的发展[5]。构建透明化掘进工作面场景，实现智能化掘进装备的多源信息融合及三维地质、巷道空间信息实时监测、全息感知与场景再现，成为智能化掘进的关键问题[6]。

煤矿开采是一个复杂的系统工程，涉及地质保障、煤炭开采、巷道掘进、主辅运输等诸多子系统[7]，煤矿地质保障系统是煤矿智能化开采的核心技术支撑[8-9]。煤层赋存、构造地质、水文地质及瓦斯地质条件、开采地质条件以及其他地质异常体直接影响巷道掘进和煤层开采安全问题[10]。现有掘进工作面前方隐蔽致灾地质因素探查均是在物探、钻探、掘进“三分离”状态下串行工作的[11]，没有与巷道掘进系统紧密结合。地震勘探技术可探查 3~5m 的断层，对煤层起伏、厚度变化、裂隙密集带、地应力集中区等进行预测，但其精度还需要进一步提高[12]。在巷道超前探测方面，很多学者利用弹性波方法对掘进前方进行了地震波场数值模拟和实际应用[13-15]，通过利用在巷道侧帮和掘进工作面位置布置地震检波器，接收主动源激发的地震波[16-18]，利用反射波振幅变化特征，对掘进巷道前方、底部的构造进行预测[19-20]。程建远等[21]提出以采煤机为主动震源，利用在两巷和顺层钻孔内布置的地震检波器，接收采煤震动信号，对回采前方地质构造进行探测和监测；以“U”型巷道实际控制的煤厚“静态数据”为基础，不断融入回采新揭露的煤厚“动态数据”，对未采区段开展递进式煤厚预测[22]。前人对巷道掘进前方构造超前探测、空洞探测、灾害监测和煤厚预测方面开展了大量的研究工作，但是对于巷道掘进影响较大的煤层起伏变化还没有进行系统的研究。

笔者以三维地震数据为基础，以掘进完成的巷道为试验对象，假设巷道在不同进尺掘进过程中，利用巷道测量的煤层底板高程，重新标定三维地震数据，刷新平均速度场，更新掘进前方煤层底板剖面，最后，利用未掘进处煤层底板高程进行精度对比，研究更新过程中误差变化及存在的问题。

1 地质概况

沁水煤田某矿区XY-S工作面，主采3号煤层底板高程508~582 m，煤层厚度2.60~3.14 m，平均厚度2.78 m，倾角2°~6°，总体为一东高西低的单斜构造形态，以亮煤为主，内生裂隙较为发育。进风和回风巷道主要在3号煤层中掘进，由于煤层厚度变化较小，若能够对掘进前方煤层底板起伏进行高精度预测，则能够为快速掘进提供高精度导航数据。煤层顶底板岩性及特征见表1，煤层伪顶岩性为高岭石泥岩，平均厚度0.2 m；煤层伪底岩性为泥岩，平均厚度0.5 m；伪顶和伪底岩性硬度较差，对机械磨损很小，掘进设备可直接切割，伪顶和伪底厚度可作为评价煤层模型精度参考指标。

表1 XY-S工作面巷道3号煤层顶底板岩性

巷道自西向东掘进，进风巷和回风巷设计长度3 190 m，当前已完成巷道掘进。由于只有0~1 795 m范围为三维地震满覆盖区域，本次以该区域中回风巷道作为试验研究对象，并假设进风巷和回风巷同时掘进，巷道掘进前已具有三维地震解释成果。

根据三维地震勘探3号煤底板解释成果(图1)，工作面内部及巷道两侧共解释4个陷落柱和5条断层；其中进风巷掘进进尺1 050 m附近解释1条正断层；回风巷掘进进尺42 m附近解释了1条正断层，在巷道处落差变小尖灭；回风巷掘进进尺150 m处北侧解释了1条正断层；工作面陷落柱和断层影响范围和准确程度待验证，导水性不详。

巷道掘进水害影响主要有顶板下石盒子组K8下和上石盒子组K8砂岩裂隙水，局部遇断裂构造或陷落注破碎带可演化成顶板裂隙涌水。巷道推进位置处于向斜低洼处时，可能造成局部积水。底板太原组灰岩水局部层段富水性较强，具有短时间出水量大，水压强的特点，可通过导水断裂对巷道掘进产生一定的威胁。此外，3号煤层裂隙发育，瓦斯可能存在局部富集区，存在煤与瓦斯突出隐患。

图1 XY-S工作面三维地震勘探区3号煤层底板等高线(单位：米)

2 掘进前方煤层底板动态预测试验

回风巷试验研究范围内，实测煤层底板高程20个，测点间距范围50.8~153.2 m，测点分布不均匀，密度较小。以掘进进尺300 m为单元，分别利用0~300、＞300~600、＞600~900、＞900~1 200、＞1 200~ 1 500 m范围内实测点，联合地表钻孔数据与三维地震数据，动态标定煤层底板反射波，刷新平均速度场，更新掘进前方煤层底板剖面。

图2为回风巷的地震剖面，可以看出3号煤层底板反射波能量强、信噪比高，整体呈现出宽缓向斜的形态。图3为回风巷实测煤层底板高程与其对应的反射波双程旅行时0展点图，可以看出两者的起伏趋势基本一致，呈现较强的相关性，但在某些测点处两者变化幅度有差异；图中灰色框中，煤层底板高程值变化幅度明显大于其对应的双程旅行时变化幅度，推测该处上覆地层可能存在速度异常体或地层速度横向较大变化等。图4为回风巷煤层底板高程和其对应的双程旅行时0交会图，两者相关性可达86.61%，相关性较好，表明回风巷上覆地层平均速度变化不大，可采用平均速度法进行时深转换；当煤层上覆地层存在速度异常体或较大的横向速度变化时，两者相关性降低，平均速度变化较大，对时深转换精度影响较大。

图2 XY-S工作面回风巷地震剖面

图3 回风巷煤层底板测量点的高程值与双程旅行时相关关系

图4 回风巷煤层底板测量点的高程与双程旅行时交会图

图5为回风巷不同掘进进尺速度成像。随着实测点不断增多，掘进前方预测的速度场不断刷新变化并逼近真实速度场，但实测点之间速度场仍存在一定误差。

图6为利用不同掘进进尺实测的煤层底板点，刷新平均速度场后，得到的回风巷煤层底板剖面图。由于在巷道进尺约1 780 m处有一地面瓦斯抽采孔，该钻孔完成于三维地震勘探之后巷道掘进之前，从而导致掘进阶段预测的煤层底板精度向掘进方向先是逐渐降低而后提高。图中黑色实线为早期利用常规三维地震解释得到的回风巷煤层底板剖面，煤层底板误差范围为0.2~22.3 m；其他颜色线为巷道进入掘进阶段，不同掘进进尺下预测的回风巷煤层底板剖面；其中掘进600 m后更新的煤层底板误差最大，误差范围为1.87~12.98 m，这是由于图3灰色框中实测点高程突然变大，其变化幅度大于其对应的0变化幅度，该点计算得到的平均速度值突然变小，速度散点内插后在该处形成较大低速区，而实际速度场该低速区范围很小，从而导致其时深转换成果误差较大。若不存在底板高程与其0变化幅度差别较大的情况，随着新增实测点的增多，煤层底板剖面精度将整体提高。

图5 XY-S回风巷不同掘进进尺速度场成像

图6 XY-S工作面回风巷不同掘进进尺动态更新底板剖面

3 掘进前方煤层底板预测精度分析

基于三维地震解释成果开展掘进前方煤层底板动态预测精度，主要受地震数据成像精度、煤层起伏形态、构造发育和平均速度场的影响。其中地震数据成像精度主要受地表障碍物、复杂地表、表浅层地层非均质性、数据采集密度、处理参数等影响；煤层起伏形态、构造发育与煤层沉积环境和构造运动有关；平均速度场主要受实测点数值、分布均匀度、内插方法和上覆地层速度变化有关。随着实测点数量增加和分布趋于均匀，内插得到的平均速度场可不断与真实的平均速度场逼近，提高时深转换的精度。图7为掘进前后，回风巷道掘进前方实测点误差图，表2为对应的误差统计表，巷道未掘进前回风巷验证点误差绝对范围为0.21~22.54 m，平均误差10.48 m，误差波动大；巷道开始掘进后，巷道验证点最大误差降低到12.98 m以下，但利用＞300~600 m范围的实测点更新后，巷道验证点误差出现较小幅度整体变大，由于个别实测点产生速度突变点，造成平均速度场整体变化，将会导致时深转换精度降低。除此之外，随着掘进不断向前推进，通过不断刷新平均速度场，更新煤层底板剖面，掘进前方验证点绝对误差逐渐减小。

表3为回风巷不同范围掘进前方25 m和50 m的误差统计，可以看出底板高程预测绝对误差随预测距离增大而变大。掘进前方0~25 m范围内，最大绝对误差可控制在1.33 m以内，最小绝对误差可控制在0.2 m；掘进前方0~50 m范围内，最大绝对误差可控制在2.54 m范围内，最小绝对误差可控制在0.45 m。按照一定规则进行采样测量、增加实测数据点密度，可进一步提高掘进前方预测精度。

利用＞300~600 m范围实测点预测前方煤层底板，虽然整体误差最大(图7)，但其掘进前方50 m范围内误差却小于(1 200~1 500) m范围实测点预测结果，推测主要受掘进前方煤层倾角局部变化影响。掘进进尺600 m前方煤层倾角约0.8°，而掘进进尺1 500 m前方煤层倾角约2.4°，且该处煤层趋势与前后实测点处均发生变化，但在地震剖面上该处的0值变化趋势平顺，没有明显趋势变化，所以在该处预测误差较大。

图7 XY-S工作面回风巷不同掘进进尺更新后前方实测点误差值

表2 回风巷掘进前方实测点误差统计表

表3 回风巷掘进前方25 m和50 m的绝对误差

4 结论

a. 利用掘进实测的煤层底板高程，刷新煤层底板平均速度场，更新掘进前方煤层底板剖面，比常规三维地震解释的巷道煤层底板剖面精度高。已掘进巷道工作面位置煤层局部起伏变化对掘进前方整体预测精度影响较大，待掘进区域煤层局部起伏变化对掘进前方小范围预测精度影响较大。随着巷道掘进过程中实测点的增多，可不断提高掘进前方煤层底板预测精度；在掘进前方50 m范围内煤层底板绝对精度最小可达0~0.45 m。

b. 三维地震构造解释成果需开展超前钻探或结合其他探测数据进行验证和综合分析，提高掘进前方构造位置的精度。若掘进前方有断层或陷落柱等构造，三维地震解释成果若与其实际位置、落差等误差较小，则对动态预测没有太大影响，若误差较大，则不适合采用这种动态预测方法。

c.当巷道煤层底板高程与对应的双程旅行时相关性一般或者较差时，说明其上覆地层平均速度横向变化较大，可采用增加标定点方法进行分段预测，如采用定向超前钻探和孔中物探技术每隔100 m探测得到一个煤层底板数据，对该区段速度场进行整体控制，提高预测精度。

d. 由于巷道实测点分布不均、整体偏少，容易造成煤层起伏较大的区域预测误差偏大，可采取固定间距测量，缩小点距，以掘进前方某个范围内可接受的最大绝对误差为判断阈值，不断进行动态更新，逐级满足智能化掘进对于掘进前方煤层底板高程精度要求。

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Experimental study on dynamic prediction of coal seam floor elevation in heading face

LIU Wenming1, CHENG Jianyuan1, LIU Zaibin1, ZHANG Zeyu2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Xinyuan Coal Co. Ltd., Jinzhong 045400, China)

Speedy drivage urgently needs to build a high-precision two-dimensional geological model. Taking the XY-S working face of Qinshui coalfield as an example, based on the results of 3D seismic interpretation, the coal seam floor elevation measured during excavation is used to update in succession the 3D seismic average velocity field and the coal seam floor elevation ahead, thus the prediction accuracy ahead of heading is analyzed statistically. The results show that the error between the predicted coal seam floor profile and the actual exposed profile decreases gradually by constantly making use of the measured coal seam floor elevation, upgrading the average velocity field and mapping the geological section in front of the drivage. The minimum absolute error of floor elevation in the range of 25 m and 50 m ahead of the measured point is as small as 0.2 m and 0.45 m respectively. The prediction accuracy will be further improved if the measured points data become larger in density and evenly distributed, and it can provide high-precision coal seam floor navigation data for speedy drivage .

heading face; average velocity field; successive transparency; 2D geological model

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TD163；P631

A

1001-1986(2021)01-0257-06

2020-09-28；

2020-11-20

天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2019-TD-ZD003)；国家重点研发计划项目(2017YFC0804100)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2018-TD-MS072)

刘文明，1990年生，男，山东临沂人，硕士，助理研究员，从事矿井地质透明化研究工作. E-mail：liuwm0506@126.com

程建远，1966年生，男，陕西乾县人，博士，研究员，博士生导师，从事物探技术与装备研究工作. E-mail：cjy6608@163.com

刘文明，程建远，刘再斌，等. 掘进工作面前方煤层底板高程动态预测的试验研究[J].煤田地质与勘探，2021，49(1)：257–262. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.028

LIU Wenming，CHENG Jianyuan，LIU Zaibin，et al. Experimental study on dynamic prediction of coal seam floor elevation in heading face[J].Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：257–262. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.01.028

(责任编辑 聂爱兰)