煤矿巷道超前探测多数据融合技术研究进展与分析

邱 实，张平松，胡泽安，李圣林

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

随着煤矿开采向安全、高效和智能化发展，巷道掘进前方地质情况严重制约了煤矿安全高效开采，因而对巷道前方地质情况的探测提出更高的要求。煤矿巷道掘进前方遇到的地质异常体包括：断层破碎带、隐伏构造和陷落柱等[1-3]，这严重阻碍了煤矿的安全高效生产，而巷道超前探测技术是解决此类问题的重要手段，主要的超前探测技术包括反射地震波法、瞬变电磁法、直流电阻率法和地质雷达法等[4-7]，受超前探测技术条件的限制，多利用单一的探测方法获得对前方地质条件的判断认识，对于巷道前方的物探数据单独反演或者使用2种及2种以上方法单独反演进行相互验证[8-11]，这是基本现状，这也导致了在进行单一数据反演时存在多解性、异常范围大等问题，针对这类问题，进行数据融合研究，可以有效解决反演多解性问题，提升对地质条件判断预报的准确率，然而使用煤矿巷道超前探测的不同物性数据（如电阻率和速度）进行多数据间融合的研究文献较少。目前，地球物理多方法之间数据融合具有一定的条件，井下巷道超前探测数据采集装置及数据质量等具有不同差异性。为此，从数据融合原理及数据融合类型入手，结合煤矿现有的巷道超前探测方法技术，重点讨论矿井巷道超前探测数据融合处理应用发展趋势及存在的问题，为今后巷道超前探测多数据融合技术发展提供思路。

1 数据融合基本原理

数据融合是对2种或2种以上的地球物理数据，使用某种约束条件，进行数据反演，使之满足统一的地质模型[12-14]。目前数据融合主要可归纳为2大类：一种以交叉梯度约束为主；另一种为岩石物性约束。以交叉梯度约束为主，讨论地球物理场多数据间的数据融合方法。

1.1 数据融合函数

1.1.1 交叉梯度函数

交叉梯度函数的理论基础[15]：当参与反演的2种地球物理数据梯度变化方向平行或者相反，又或者只有1种数据梯度发生变化时，两者间的交叉梯度值为0；相反，则两者之间的交叉梯度值不为0。

在三维条件下，2个不同物性参数间的交叉梯度函数t（x，y，z）定义为：

式中：m1、m2为不同的地球物理物性参数，如地震波速（m/s）、电阻率（Ω·m）、密度（kg/m3）等；▽为梯度运算符；t为定义2个物性参数之间的交叉梯度值；i、j、k分别为沿x、y、z方向的单位向量；tx为t的x分量；ty为t的y分量；tz为t的z分量。

tx、ty、tz表达式为：

假设模型在二维条件下，沿y方向无变化，则模型其余2个方向，只存在y方向的交叉梯度分量：

1.1.2 数据融合目标函数的构建

参考相关的地球物理数据融合的文献[16-19]，在建立数据融合目标函数时也采用最小平方准则[20]，同时引入模型光滑项与交叉梯度约束项。

采用中心差分法，进行数据的离散化[21]，利用最优化算法，求解最优化值，最后输出最优值。

1.2 数据融合类型

1.2.1 地震与电法数据融合

2003年，Gallado和Meju首次提出利用交叉梯度函数约束速度与电阻率模型，并进行地震数据与电阻率数据之间的数据融合，最终得到的电阻率模型与速度模型具有显著的结构一致性[15，22-24]；薄鹏雷以交叉梯度作为约束条件，同时使用结构化与非结构化网格，进行模型网格划分，实现波阻抗与电阻率的数据融合，验证了算法的有效性[25]；Zhanjie Shi等将三维地震折射波与直流电阻率的数据融合应用杭州临安古城考古遗址，数据融合模型与古城遗址考古发掘相一致，验证了三维地震与直流电阻率法的可行性[26]；数值模拟与实际应用结果证明，地震与直流电法数据融合可以有效改善单一地震方法对低速体成像效果和单一电法方法对高阻成像。

1.2.2 地震与电磁数据融合

近年来，利用地震与电磁法数据进行数据融合也取得不错效果。Bennington等发展了基于归一化交叉梯度约束的三维天然地震和二维大地电磁的数据融合算法，获得结构相似的地震纵波和电阻率图像[27]；ismailDemiri等则在Gallardo和Meju参数修正量的第2项中加入新的正则化参数，以增强解的稳定性，同时控制交叉梯度项在解中的贡献，结果表明，即使在电阻率边界和速度边界不同的情况下，也会对2种方法的融合产生积极的影响[28]；齐嘉慧等实现基于交叉梯度耦合的大地电磁与地震的数据融合并应用于深部金属矿模型，结果显示，多物探数据融合可以减少反演结果的多解性[29]。数值融合结果证明，进行地震与电磁数据融合，可以消除围岩带来的假异常，提高对异常体边界的恢复程度，改善反演结果。

1.2.3 地震与重力数据融合

交叉梯度约束、岩石物性约束是2种常见的数据融合约束条件。利用交叉梯度作为约束条件融合不同的地球物理数据，该方法对岩石物理关系要求不强，只需要参与数据融合的不同地球物理模型具有相似的结构。陈晓红将交叉梯度函数引入到重力和地震的同步反演中，并首次将信赖域算法加入到重力与地震的同步反演去，加速算法收敛，同时减少利用重力与地震资料反演密度界面时存在的多解性[30]。

在岩石物理关系明确时，使用岩石物性约束要比只进行模型结构约束效果要好。赵杨在反演中，充分利用岩石物性约束，建立起地震与重力反演的框架，并应用于南北地震带的地震与重力数据的数据融合，验证算法可行性[31]。实际应用结果表明，在反演中有效利用速度和密度的关系，进行实测数据的拟合，得到的数据融合结果更优。

1.2.4 地震与地震数据融合

随着勘探精度的提高，不同类型地震波间的数据融合也在不断发展。Ari Tryggvason基于交叉梯度约束实现纵波与横波之间的数据融合，得到的vp/vs（vp为地震纵波；vs为地震横波）比值偏差较小，并明显改善其图像效果[32]；傅磊和刘四新通过在数据融合目标函数中加入P波速度与S波速度的交叉梯度约束项，实现二者数据融合，结果表明二者的数据融合可以有效抑制S波反演中的伪异常[33]。数值模拟结果显示，S波速度和P波速度的数据融合结果比单一反演结果更好。

1.2.5 重力与磁法数据融合

Zhou和Meng在重力和磁法数据的三维数据融合方面做了深入工作，在基于交叉梯度约束重磁数据融合的基础上，又入了深度加权与物性范围约束，实现多约束条件下重力与磁法的数据融合，验证了改算法的可行性[34]；修春晓等开展了基于网格节点稀疏约束的重磁交叉梯度数据融合的研究，利用块体剩余密度和剩余磁化率模型所转化的节点剩余密度和磁化率模型的天然稀疏性特点进行稀疏反演，有效恢复异常体密度且异常体边界清晰[35]。

综上所述可以看出，相同和不同的物性数据都可以通过交叉梯度函数实现二者之间的数据融合，相较于传统的数据融合方法，此方法的应用性更广，同时也可得到更优的反演结果。

2 煤矿巷道超前探测数据融合研究进展

2.1 巷道超前探测技术应用现状

煤矿巷道前方地质条件的探查与预报是安全生产的重要组织部分。综合常用的地震波类、电磁类方法，主要解决前方地质构造等界面问题，以及前方异常区段富含水等安全问题，包括以下几种：

1）反射地震波法。地震波在传播时，遇到煤岩等波阻抗有差异的界面时会发生反射，地震检波器接收反射回来的信号，形成地震记录。运用地震波动力学和运动学原理，进行地震记录的波形特征分析，进行相关岩石力学参数的计算与异常界面的提取，来推测不良地质体的空间位置与范围。刘盛东等在对地震波场处理时，提出一种反射波动态极化偏移技术，该技术能消除成像时的异常假象，提高分辨率[36]；刘彦杰开展了对长距离多断层破碎带巷道超前探测关键技术的研究，并将该技术应用于依兰矿区，现场应用结果表明，该技术能探明待掘巷道的地质构造情况，为巷道过断层带的施工方案，提供依据[37]，近年来，也有学者开展了随采反射地震勘探的试验[38]，取得了一定的进步。实际应用中，由于井下的空间有限，进行偏移成像的偏移孔径较小，存在无法对异常体方向进行探测的问题。

2）瞬变电磁法。通过在发送回线上供1个电流脉冲方波，产生1个向回线法线方向传播的一次磁场。在一次磁场激励下，探测的介质将产生涡流;在一次场消失后，该涡流有1个过渡的衰减过程，该过程又产生1个衰减的二次磁场向掘进工作面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映前方介质的电性特征。程久龙等在瞬变电磁法数据处理中，引入雷达的合成孔径方法，对巷道前方同一测点不同探测方位的瞬变电磁数据进行合成孔径成像[39]；许颢砾等提出1种地面与井下双源立体探测瞬变电磁方法，解决对局部异常体探测时的信噪比和探测深度较小的问题[40]。在实际探测中，由于巷道内管道、支护锚网等金属干扰存在，实际获取的数据信噪比仍然较差；另一方面，瞬变电磁法对顶底板响应曲线相似，无法对异常源进行准确定位。

3）直流电阻率法。在巷道掘进面后方布置电极，电极间距离相等，分别向巷道底板供电，形成点电源场。在均匀介质中，根据球壳理论，通过测量电极M、N之间的电位差，进一步获得电阻率分布情况。马炳镇等和占文锋等模拟了矿井全空间电流场的分布情况[41-42]，石学峰研究巷道空腔存在条件下，对巷道迎头电流场分布的影响[43]；韩德品等根据老窑不同积水程度下视电阻率的特征，利用统计学法，对掘进工作面结果进行预报[44]；实际探测时，由于电法体积效应的影响，也存在无法对异常体进行准确定位的问题。

4）探地雷达法。通过发射天线向地下发射频带宽、频率高的电磁波，电磁波信号在传播时，经过电磁差异较大的区域会发生透射、反射和折射，携带地层信息的电磁波信号被接收天线接收。宋劲研究了不同的探测参数下雷达信号的处理方法，大大改善了雷达数字信号的处理技术与方法[45]；张开伟等和李东等开展矿井地质雷达超前探测方法及应用的研究，并在某矿区实际应用中，准确预报了巷道前方地质异常体的位置[46-47]。探地雷达具有分辨类高，操作方便等优点，但探测距离较短。

2.2 煤矿超前探测多数据融合研究现状分析

2.2.1 相同物性参数数据融合

对于相同物性参数：一方面，可以将二者看作一个整体，代入反演目标函数中求解。李飞将瞬变电磁正演算子与直流电法正演算子看作一个整体，构成联合正演算子，同时将两者的观测数据作为联合观测数据，以此构建数据融合目标函数，采用非线性的粒子群优化算法，通过多次迭代，求解数据融合目标函数的解。该融合算法形式简单且对初始条件要求不高，具有收敛性强和稳定性好的特点。理论模型试算与实际应用结果表明，数据融合对于等值现象具有一定的抑制作用[48]。另外，李飞等将瞬变电磁响应对数与直流电阻率比值作为数据融合参数，代入数据融合目标函数，采用最小二乘法进行求解，相比较于将二者直接看作一个整体代入反演方程，将两者的比值作为整体代入反演方程，可以更好地解决单一反演时存在的等值现象与瞬变电磁对于高阻体反演时敏感性差的缺点[49]，简单高阻模型瞬变电磁法和直流电法超前探测数据融合效果对比图如图1，图1表明，瞬变电磁法和直流电法超前探测数据融合可很好改善瞬变电磁法反演存在的等值现象，同时克服瞬变电磁法反演时对高阻体敏感性低的问题，提高了对巷道前方地质情况的反演精度。

图1 瞬变电磁法反演、直流电法反演及瞬变电磁法和直流电法数据融合结果图[48]Fig.1 Transient electromagnetic method inversion,direct current method inversion and transient electromagnetic method and direct current method data fusion result diagram[48]

另一方面，可以先以某一种方法得到的地球物理模型作为另一种反演方法的初始模型。李貅等以瞬变电磁法获得的电性信息作为初始电性模型，利用有限元法计算核磁共振正演响应，并结合实测数据，采用最小二乘法进行三维核磁共振反演，以此实现二者的数据融合，该法降低了反演过程中核磁共振灵敏度矩阵的病态性及干扰信号的影响[50]；师素珍等在对煤层顶底板岩性识别时，对于煤层与灰岩的识别，采用常规波阻抗反演，利用其波阻抗值的高低进行划分；对于砂泥岩混合体的识别，利用在波阻抗反演中建立起的声波曲线的时深关系，加入高频的自然伽马曲线进行波阻抗反演，实现声波曲线与自然伽马曲线的数据融合，最终达到对煤层顶底板识别。相比较直接高频伽马曲线信息和用小波分解提取的低频成份的融合，数据融合在保留声波曲线的时深关系的基础上，直接用自然伽马曲线值进行波阻抗反演。该方法的优点是：一方面避免声波曲线的低值或高值在与自然伽马曲线高值或低值混合时发生相互抵消，造成岩性信息的缺失；另一方面最大程度的保留自然伽马曲线对泥岩敏感性，使得数据融合的精度高于单一反演[51]。

这2种数据融合方式在一定程度上实现了数据融合，但是仅限于相同的物性数据，极大地限制了应用范围，阻碍其推广使用。

2.2.2 不同物性参数数据融合

不同物性参数间的数据多采用结构约束或岩石物性约束的方式以实现二者间的数据融合。对于没有明确岩石物性关系的2种物性参数间的数据融合，多以结构约束为主。在获取煤层几何参数与岩石物理参数过程中，针对常规地震和地电方法记录的数据在独立反演时，因部分数据不准确，出现两者的反演结果相差较大的问题，M DOBRóKA等提出了1个分层模型，通过层的厚度约束所有的数据，并在数据融合目标函数地求解过程中，采用加权阻尼最小二乘法求解地震和地电参数的线性化方程组；此外，为估计所导出的几何物理层参数和岩石物理层参数的精度和可靠性，还计算了模型协方差矩阵和相关矩阵[52]。模型试算结果显示，数据融合过程中，模型参数间的相关性明显降低了，较单一反演，提高了参数估计的精度。

2.2.3 交叉梯度约束数据融合

相较于将相同物性参数看作整体或将某一方法的结果代入另一种反演算法中，以实现数据间的融合，基于交叉梯度约束的数据融合算法通过约束二者的物性梯度方向一致以使不同模型实现结构相似性即两者的交叉梯度值为0。李飞等在构建数据融合目标函数时，通过留下交叉梯度项中的地震波阻抗模型参数，舍去地震正演项，以此形成单向传递交叉梯度的数据融合算法。此算法只在瞬变电磁反演过程中加入地震波阻抗模型，进行约束，而在地震反演过程中不使用电阻率模型进行约束。针对2种模型网格不匹配的问题，可以采用K-means算法消除波阻抗模型中存在的次要结构变化问题，提高反演程序的稳定[53]。此方法的优点在于，可通过寻求涉及算法物理模型的共有结构特征，建立物理模型参数间的约束关系。地震波阻抗反演和瞬变电磁法反演与二者数据融合的结果对比图如图2。由图2可以看出，数据融合的结果能更好地重构理论模型的形态与电性特征，且从数据拟合残差图中可以看出，该算法的稳定性比单独反演更好。

图2 波阻抗反演、瞬变电磁法反演及波阻抗和瞬变电磁法数据融合结果图[53]Fig.2 Wave impedance inversion,transient electromagnetic method inversion and wave impedance and transient electromagnetic method data fusion results[53]

基于交叉梯度约束的数据融合弱化以往对参与数据融合的数据物性要求，只要求参与数据融合的数据间有相似的结构特征，更易实现相同或不同物性数据间的数据融合，达到真正的数据融合。

3 巷道超前多数据探测发展

随着煤矿开采深度不断加大，巷道开挖的难度也在不断加大，巷道安全掘进对探测精度提出更高的要求。围绕地球物理数据融合方法及数据融合类型、煤矿巷道超前探测技术发展，目前煤矿物探数据融合方式，通过分析煤矿现有探测技术的文献，认为今后煤矿物探数据融合方法发展迫在眉睫。

1）向多维多方法数据融合发展。针对巷道前方地质情况预报，现阶段多采用单一方法处理所采数据，然后进行成果的相互验证，并给出成果解释，只是将不同数据体放在一起表达，并未实现真正的数据融合处理，同时对巷道有限的空间内所采集的数据有限，而利用不同地球物理数据间的相互约束，进行多维多方法的数据融合可以使用更多物性数据从不同角度来分析地质结构，从而提高解释精度。未来围绕多维多方法数据融合，进一步探究超前探测多维多方法数据融合理论与成像算法。

2）向交叉梯度约束发展。地球物理数据间的数据融合主要通过交叉梯度约束与岩石物性约束实现。以岩石物性作为约束条件，要求2种不同的物性参数具有较强的岩性关系，如速度与密度，而以交叉梯度作为约束条件，只需要参与数据融合的2种物性模型，具有结构上的相似性即两者的交叉梯度值为0，交叉梯度约束在数据融合中具有精度高、稳定性好和易实现的优势。目前矿井超前探测多数据融合的文献较少，应该以交叉梯度约束为中心，开展相同物性和不同物性间的数据融合，进一步研究非线性数据融合，与此同时，加强非震类与非震类、地震类与非震类、地震类与地震类间的同步数据融合算法的研究。

3）向动态智能探测发展。现阶段，煤矿巷道超前探测技术多采用现场探测和地面处理与解释的方式，一定程度上制约着巷道掘进速度且不能对巷道前方地质情况进行实时预警。未来由单一、多方法现场探测向现场数据处理方向发展，随着掘进、回采工作面的生产条件利用不同激发源、主被动条件和多数据交互处理，最终达到多方法数据间的数据融合，不断提升数据交互能力，由此获得前方地质条件多数据单一属性联合解释的结果，不仅提升勘探的准确率，而且还可以提高掘进速度。

4）向三维可视化发展。针对煤矿安全高效开采对隐蔽致灾地质因素动态智能探测的要求，开展基于多维多方法数据构建巷道前方地质异常体的三维可视化模型研究，整体提升煤矿隐蔽致灾地质因素动态智能探测。

5）向大数据化发展。随着煤矿开采向智能化、信息透明化和实时处理发展，借助井下通信光缆实时传输井下数据，必将有海量数据需要处理，而传统的数据处理技术无法满足对海量数据处理，所以需借助大数据平台，进行井下数据的实时、快速处理，并实时向用户发送井下地质信息。

4 结语

煤矿巷道超前探测与预报精度是掘进工作面安全生产的重要参数，做好巷道超前探测多数据融合方法研究与应用实现至关重要。目前对于不同物性参数间的数据融合，还仅仅是建立起模型约束，并没有进行反演的相互约束，对于数据融合的模型也需要进行特殊处理，未来还需要进行数据间反演的相互约束，对于数据融合的模型，采取公共模型的网格，直接进行计算，减少计算量，便于程序实现。

随着技术发展，相关仪器设备的开发，全空间、多参数、多数据的融合算法更加智能化，探测结果的解释更精细化。与掘进机械之间硬软件一体化，实施随掘超前探测，进行短距离、高精度、全时段超前预报，为现场安全生产提供技术保障。