巷道快速智能掘进超前探测技术与发展

张平松,李圣林,邱 实,郭立全,胡雄武

(1.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤矿智能化是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，作为煤矿生产的两大核心环节，掘进与综采系统智能化的发展需求极为迫切[1]。随着我国科研能力的提升，煤炭开采装备、技术等得到了长足发展，综采工作面智能化初见成效;但受制于掘进工作面空间狭小、作业环境恶劣、临时支护困难等问题，相比综采智能化发展现状，综掘水平明显滞后。煤炭开采，掘进先行，2020年，全国煤矿采煤、掘进机械化程度分别为78.5%与60.4%[2]，掘进速度很大程度上无法满足回采生产需要，采掘失衡问题严重，直接制约了煤矿安全、高效、绿色、智能发展。因此，亟需深化理论研究、创新先进工艺、攻克关键技术，推动快速智能化掘进健康发展。

地质保障技术是煤炭智能化安全保障的基础，是实现巷道掘进施工前、中、后地质预判、扰动感知与风险评估的基础数据来源，是一切智能掘进关键技术实施的前提保障[3]。近年来，地球物理超前探测技术在巷道掘进安全保障中发挥着越来越重要的作用。因此，智能化发展要求下的地球物理超前探测理论与体系应适应于掘进快速智能化发展，建设与之相匹配的超前探测体系是掘进快速智能化建设的重要有机组成部分，对提升巷道掘进智能化水平具有重大意义。笔者结合国内外学者已有研究成果，在总结分析我国隧道、井巷领域超前探测技术发展现状的基础上，提出了巷道快速智能掘进模式下超前探测技术的发展趋势与方向。

1 超前探测技术现状

20世纪70年代，为了更加有效地掌握坑道(隧道或矿井巷道等)施工期间掘进工作面前方的地质情况，实现减少或杜绝施工期间地质灾害、保障生产安全的目的，人们开始注重施工过程中超前地质探测理论、技术研究及工程实践工作，经过50多年的发展，逐渐形成了应对各种隐蔽致灾地质因素的优势超前探测方法。2014年，李术才[4]、刘盛东[5]、程久龙[6]等对隧道工程以及矿井巷道工程超前地质预报技术的研究进展进行了总结，本文将不再赘述。

笔者主要总结分析了国内近5 a来坑道地球物理超前探测方法的最新研究进展，整体上依旧是结合不同地质条件进行单一方法或综合方法进行超前探测应用，但探测精度方面有了很大的进步。另外，搭载在掘进施工装备上的随掘超前探测技术系统处于热点研究阶段。

1.1 常规超前探测方法应用

近年来，国内外学者围绕隧道与井巷地球物理超前探测地质构造和含水地质体进行了深入研究，在观测系统创新与高精度反演/成像算法等方面取得了诸多成果。图1为常规超前探测方法研究进展梳理图示。

1.1.1 隧道掘进超前探测研究进展

隧道掘进施工主要分为钻爆法与TBM施工法，对于掘进超前探测而言，2种施工方法的探测环境有很大不同。目前，钻爆法施工隧道超前探测技术取得了较大进展，形成了一批专用的地震方法、电磁法和电阻率法等超前探测地球物理方法、技术与设备;相对于钻爆法，TBM 施工隧道的环境要复杂很多，由于庞大机械装置几乎占据掘进工作面后方几十米内的全部空间，且金属机械结构对电磁波场干扰很大，导致一些在钻爆法施工隧道中可用有效的超前探测技术根本无法适用于TBM施工隧道环境，虽然针对TBM施工环境进行了专用探测技术与设备的研究，但仍还有一系列关键技术问题亟待突破。

(1)钻爆法施工

① 地震方法。对于地震波类超前探测技术，由于特殊的探测空间条件，其观测系统和成像方法与地面地震勘探技术区别较大。在成像技术方面，经过多年的研究，形成了如Kirchhoff 偏移、绕射叠加偏移以及逆时偏移等成像方法，在此基础上，陈磊等[7]基于非标准椭圆方程，构建了隧道空间观测方式椭圆展开方法，实现了掘进工作面前方不良地质的识别和定位，形成了基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像新方法。LI Shucai等[8]将波束形成方法应用于逆时偏移成像过程，提出了一种扫描叠加模式逆时偏移方法及其计算方案。

而在观测系统方面，娄国充[9]、SONG Ao[10]等在TSP，负视速度法，HSP，TRT，TST等传统反射地震法探测模式的基础上，提出了一种具有横向和垂直偏移距的三维定向超前探测模式，试验结果表明该探测模式下超前探测效果得到了提高。

② 电阻率法。电阻率超前探测技术的观测方式是探测有效性的关键，目前应用于隧道超前探测的直流电阻率法主要有定点源三极法与聚焦电阻率法，其中，定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰，而聚焦观测方式探测距离过短无法进行三维成像。李术才等[11]针对以上问题，提出了一种基于多同性源阵列电阻率的隧道超前探测新方法。王传武等[12]将地面三维电阻率观测模式引入到隧道超前探测中，提出了基于三维电阻率E-SCAN的隧道超前探测新型观测模式。

在电阻率法成像技术方面，聂利超等[13]为满足隧道三维电阻率超前探测快速化解译与成像的要求，提出了一种基于GPU并行的蚁群算法与最小二乘方法相结合的混合反演算法，提高了隧道三维电阻率反演成像的精度，同时实现了三维电阻率反演的快速化成像。

③ 电磁法。电磁类超前探测技术的探测效果受隧道中金属框架等电磁干扰影响严重，为解决此类问题，孙怀凤等[14]在隧道超前钻孔的基础上，提出了隧道掘进钻孔瞬变电磁超前探测方法，该方法将接收传感器置于钻孔之中，然后沿钻孔不同深度进行测量，形成瞬变电磁响应的深度-时间剖面曲线，进而判定掘进前方是否存在含水构造。张乐文等[15]将中位值滤波、算术平均滤波和滚动平均滤波3种滤波算法用于改善瞬变电磁场强干扰环境下晚期衰减曲线的信噪比，提高了瞬变电磁方法的探测深度。在成像方面，翟明华等[16]为避免瞬变电磁数据成像二次微分运算中由于引入误差的传递与积累造成的假异常现象，以合成孔径雷达相干成像的思想引入瞬变电磁合成孔径成像方法，通过相邻测点对地质体成像的相关性进行了加权相关叠加。

另外，地质雷达是一种常用于隧道短距离超前探测的技术方法，但受现场探测环境、岩溶地质的复杂性以及解译技术制约，导致探地雷达应用难以取得满意的效果，因此，刘宗辉等[17]提出了基于探地雷达属性分析的典型岩溶不良地质识别方法，提高了探地雷达目标的识别精度。

④ 其他方法。除以上技术发展外，针对深埋高地应力条件下岩爆灾害难以预测的问题，邱道宏等[18]结合工程现场实测的主应力数据，采用径向基函数神经网络，反演了计算区域的初始地应力场，并基于TSP 探测结果，对掘进工作面前方长距离范围内的岩爆强度进行了精细预测。

而且，一些新的探测技术也逐渐得到发展。席振铢等[19]依据宇宙射线μ子穿过高密度体物质时能量损失比穿过低密度体物质时大的物理特性，利用μ子低能损成像实现了对充气及充水等低密度空洞的超前探测，为超前探测提供了一种可行的探测方法。林君[20-21]、林婷婷[22]等针对地面磁共振测深方法在隧道超前探测灾害水源中的新应用开展了一系列的研究工作，为隧道磁共振超前探测方法的创新研究做出了重要贡献。

(2)TBM法施工

针对TBM施工隧道环境超前探测技术研究，国内学者做了大量创新性工作。其中，孙怀凤等[23]以隧道掘进机为例模拟了隧道强干扰环境下瞬变电磁超前探测的响应曲线，然后根据电磁场叠加原理，获得了TBM的干扰响应信号，为TBM施工环境超前探测干扰去除提供了可行的思路。刘斌等[24]提出了一套以地球物理超前探测和基于“岩-机关系”预测岩体主要参数的解决方法。采用机器学习的手段挖掘了TBM机械电液参数与主要岩体力学参数的关系，并初步实现了TBM前方岩体单轴抗压强度的预测。胡佳豪等[25]为了克服瞬变电磁法在TBM施工隧道内遇到的困难，尝试提出了一种基于电性源激发、电场分量采集的隧道瞬变电磁超前探测装置形式，研究结果表明该装置形式具有在TBM施工隧道内进行超前探测的能力。

1.1.2 矿井巷道超前探测研究进展

矿井巷道分为煤巷与岩巷，其掘进方法主要包括钻爆法与综掘法，近年来，开始有矿井引进TBM掘进机开展TBM法掘进施工。不同于隧道施工中的钻爆法与TBM施工法掘进超前探测区别较大，在矿井巷道，由于综掘机较TBM掘进机而言，体积较小，而且超前探测施工前会将综掘机远离探测位置10 m之外，所以钻爆法施工巷道中可用有效的超前探测技术往往同样适用于综掘法施工巷道，但也面临着干扰严重的问题，超前探测技术体系需要不断完善与发展。

(1)地震方法。槽波是在煤层中产生与传播的进行煤层构造探测的专用地震波，研究初期主要用于工作面内的构造探测，近年来逐渐被应用于巷道超前探测。王季等[26]针对反射槽波受直达槽波与其他波场干扰严重的问题，提出了基于最小平方反褶积的反射槽波增强算法和基于径向道变换的方法来压制直达槽波与巷道声波。蒋锦朋等[27]研究了煤矿巷道中的槽波TVSP超前探测方法的原理和实现过程。

在成像方面，WANG Bo等[28]利用Hilbert偏振分析方法，提出了高精度定位掘进前方断层的Hilbert偏振成像方法。HUANG Lanying等[29]提出了一种基于广义S变换时频分析的时频瞬时极化分析方法，实验结果表明该方法比传统时域极化分析方法具有更好的结果。

(2)电阻率法。观测方式的完善与创新同样是矿井巷道电阻率法超前探测技术发展的关键。张金涛等[30]建立了煤巷超前探测灾害性含导水构造双频激电法的解析数学模型，提出了利用所建解析数学模型通过观测的视幅频率数据快速确定灾害性含导水地质构造的厚度及其距掘进工作面距离的方法。刘志民等[31]提出发展了基于双频激电法和电场扫描探测理论的矿用聚焦双频激电法超前探测技术。王敏等[32]为了提高矿井直流电法超前探测精度，通过分析二极装置“U”型观测方式与三极AMN、MNB装置类型下的超前探测效果，建立了一套适用于掘进工作面超前探测的施工方式及数据处理体系。

在数据处理方面，刘洋等[33]利用电阻率三维非结构有限元数值模拟，给出了巷道超前探测的线性预测模型。然后引入Monte Carlo随机化生成大量电阻率任意分布的地下巷道模型，与并行算法相结合，获得了各预测模型的准确度及可靠性的估计，为巷道超前探测准确性和可靠性的定量化描述提供了新思路。

(3)电磁法。近年来，矿井巷道电磁类超前探测技术的发展主要是围绕数据解释精度提高、各类电磁干扰去除进行[34]。程久龙等[35]利用扩散场与波动场间的函数关系，将瞬变电磁法超前探测中瞬变电磁波场转换为拟地震波场，实现波场转换。同时，为了解决波场转换后信号幅值偏弱的问题，利用雷达合成孔径方法对波场转换后的拟地震信号进行相关叠加处理，研究结果表明了方法的效果。在此基础上，CHENG Jiulong等[36]又提出了更高解释精度与分辨率的瞬变电磁2.5维反演方法。李明星等[37]将统计学理论引入矿井瞬变电磁数据分析中，提出了基于标准差标准化算法的资料处理解释方法，实现了异常的聚焦定位解释。研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题，对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。程久龙等[38]采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演，得到了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征。观测方式的创新是瞬变电磁法避免干扰的有效途径，姚伟华等[39]提出了一种在地面布设发射回线，在煤矿井下掘进工作面或工作面水平钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法。范涛等[40]为解决钻孔瞬变电磁法对钻孔径向异常体的准确定位解释难题，提出了异常体象限确定准则。将由垂直分量计算得到的每一个视电阻率视为独立异常体，基于K-means聚类算法对相应的水平分量异常曲线特征值进行二分类，实现全数据集的视电阻率象限自动划分，得出了钻孔瞬变电磁视电阻率立体成像方法。

巷道掘进定量化超前探测理论与技术是掘进超前探测技术研究的重点与趋势，程久龙等[41]为了实现岩层富水性的定量预测，依据阿尔奇公式建立了掘进工作面前方岩层富水性不均匀的数学模型，并采用具有Lévy飞行特征的蝙蝠算法优化BP神经网络(LBA-BP)进行了富水性预测的仿真测试和现场试验。

近年来，在常规井下探地雷达技术的基础上，超宽带探地雷达在煤矿领域得到了快速发展与应用。超宽带是指中心频率至少达到500 MHz，带宽大于1.5 GHz或工作带宽大于或等于中心频率的25%的技术[42]，该技术由于频谱中高频含量丰富，可获得更高的时空分辨率。舒龙勇等[43]探索了钻孔雷达技术在采掘工作面异常地质结构体超前探测中的应用。钻孔雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，达到识别隐蔽目标体的目的。另外，地质雷达可能是煤岩界面分辨最有潜力的仪器装备。彭苏萍等[44]开发出地质雷达仪器装备在探测中悬于空中无需贴近煤壁、与采煤机联动等技术，可实时动态获取5 m以上范围内的煤岩界面信息或判别出采煤机的截割状态(割煤/割岩)，探测精度达到2 cm。超宽带探地雷达技术具有更高的探测精度，李首滨等[45]提出采用输出中心频率为5.3～8.8 GHz、频宽为1.65～4.40 GHz的超宽带雷达技术，测量分辨率达到了4 mm。

(4)其他方法。核磁共振这一新的超前探测技术同样被用于矿井巷道超前探水工作之中，但由于巷道核磁共振超前探测方法与传统的地面核磁共振方法相比，其施工环境和线圈装置都发生了巨大的变化，许多方法技术、理论，包括探测的距离都需要重新做一定的分析。因此，潘剑伟等[46]根据核磁共振超前探测方法的特点，分析讨论了地磁场强度、地磁倾角、地层电阻率、巷道方向、线圈参数等自然和人为控制因素对超前探测距离的影响，总结出了影响规律。

联合反演在解决物探方法多解性问题、提高探测精度等方面具有独特的优势。CHENG Jiulong等[47]利用粒子群优化算法，提出了一种基于瞬变电磁和直流电法的同步非线性联合反演方法，实验结果表明联合反演有助于提高探测资料的解释效果。

1.2 随掘超前探测方法

随掘超前探测指的是在掘进施工的同时同步进行超前探测工程，实现探掘协调作业，达到对掘进前方地质灾害实时预报的目的，更好地保障掘进安全，是未来巷道快递智能掘进超前探测技术研究的重点与趋势。图2为随掘超前探测方法研究进展梳理展示。

图2 随掘物探方法研究进展Fig.2 Research progress of geophysical prospecting while tunneling method

近年来，国内学者针对不同的掘进施工环境对该技术方法体系进行了深入研究，取得了许多重要成果。

1.2.1 隧道随掘超前探测

隧道随掘超前探测技术主要与TBM施工方法进行一体化设计，近年来主要发展了随掘地震与随掘电法2种技术，其中随掘地震还可与钻爆法掘进施工协调作业。

(1)随掘地震。TBM施工机械化程度高、掘进速度快，对超前探测方法的一体化集成和自动化实时探测提出了较高的要求。基于TBM破岩震源的随掘地震技术可分为2种，一种是利用反射波技术，另一种是利用透射波技术。针对反射波TBM破岩震源超前探测技术，许新骥等[48]开展了TBM破岩震源波场特征及正演模拟方法、基于互相关干涉的地震记录重构方法、基于接收阵列的TBM破岩震源地震波束形成方法的理论研究，并系统开展了数值正演模拟及处理成像研究，总结归纳了其偏移成像特征，为现场探测资料的处理解释提供了理论支撑。张凤凯等[49]开展了互相关干涉方法、全波形反演方法、逆时偏移成像方法相关研究，实现了TBM破岩震源探测数据的全波形反演与逆时偏移成像。

另外，针对透射波TBM破岩震源超前探测技术，吴丰收[50]、汪旭[51]等基于多源地震干涉技术开展了系列研究工作，为该方法的实际应用做出了重要贡献。

(2)随掘电法。目前，针对隧道随掘电法超前探测技术，比较成熟的是BEAM系统中的BEAM综合法，该方法使用2个电压源向TBM周围的地质体通电，第1个连接刀盘向地质体中输送探测电流，用于测量前方地质体的视电阻，第2个连接护盾向地质体中输送屏蔽电流，用于屏蔽旁侧地质体的干扰和聚焦探测电流。但在实际施工过程中，护盾与刀盘被主驱动轴承连接在一起，2者之间相互导通且电阻极小，使得探测电流和屏蔽电流之间失去了隔离，2者之间存在相互流通的泄露电流，而泄露电流的存在会影响对探测电流的测量，使得算出的视电阻出现误差，影响地质预报，严重时会导致对地质灾害的漏报。为了避免和消除泄露电流对视电阻计算的影响，高昕星等[52]提出了基于光纤电流传感的BEAM隧道超前地质预报方法，通过在主轴承外缘安装光纤电流传感器，测出分布于主轴承内部的接触电流的大小，消除了它对视电阻测量的影响，提高了BEAM综合法的探测精度。

1.2.2 矿井巷道随掘超前探测

适用于矿井巷道的随掘超前探测技术，目前主要发展了基于综掘机的随掘地震探测技术与基于盾构机的随掘电法探测技术。

(1)随掘地震。基于综掘机的随掘地震探测技术主要利用掘进机截割煤岩层时产生的随机振动作为震源来进行超前探测，其基本原理是利用反射波地震法，该技术应用的核心及难点是掘进机震源信号的脉冲化处理，围绕如何将掘进机连续随机信号处理为可用的、类似炸药信号的拟脉冲信号。2001年，TAYLOR Neil等[53]首次提出了利用掘进机作为震源开展巷道超前探测的想法，借助相关分析技术来进行掘进机信号的脉冲化处理。由于西方国家能源政策的转变以及国内技术发展的滞后，随掘地震技术发展一直处于停滞阶段。国内学者自2014年开始开展了大量的工作。程久龙等[54]提出了以相关函数为核心，辅以低通滤波、极化滤波的随掘地震去噪方法，并在偏移成像研究的基础上，探讨了时间反转聚焦方法的成像效果。相继，覃思等[55]开展了基于相关分析技术的随掘地震反射波超前探测试验研究。然后，在相关分析的基础上，我国研究人员又提出了其他辅助性的处理。LI Shenglin等[56-57]提出了在相关分析前引入最佳维纳滤波反褶积方法来去除掘进机震源多峰值脉冲干扰，提高脉冲化处理效果的思路。刘强等[58]基于相关分析处理后的随掘信号，提出了在随掘信号噪声衰减过程中嵌入L1 范数的约束，然后通过快速迭代算法以达到噪声衰减的目的。

(2)随掘电法。矿井巷道随掘电法超前探测技术与隧道一致，同样是结合TBM施工进行探测，ZHAO Shuanfeng等[59]针对该方法进行了系列实验研究，提出了一种基于三维电阻层析成像方法的盾构机超前探测实时监测系统，为盾构机在巷道掘进过程中实现随掘超前探测提供了技术参考。

1.3 现有技术方法

经过多年的发展，坑道掘进超前灾害隐患的探测精度和预测准确度大大提高，在探测分辨率、抗干扰能力、探测距离、有效观测模式、先进反演/偏移成像理论、数据解译方法、定量探水理论以及岩体参数预测等方面都取得了进一步的突破。另外，围绕随掘超前探测技术进行了深入研究，取得了许多成果。

虽然掘进灾害隐患超前探测技术研究取得了显著的成效，但坑道探测空间有限、物探方法多解性等“老难”问题并没有得到根本性解决;随掘超前探测技术虽然被广泛关注，但目前仍处于初步研究阶段，还无法全面有效地指导掘进生产。而且，随着信息技术的深度融合和掘进机械化水平的进一步提高，快速智能掘进模式对超前探测技术提出了更高的要求。尤其是在煤炭开采向深部发展、隧道建设向西部山区和岩溶地区开拓背景下，将面临越来越复杂化的地质问题，现有的技术方法需不断提升其安全保障能力。

2 巷道快速智能掘进超前探测技术发展面临的关键问题

2.1 快速掘进条件下超前探测地质问题极具复杂性

巷道掘进过程中，煤与瓦斯突出、突水等灾害严重威胁着掘进生产安全和矿工的人身安全。煤与瓦斯突出大多发生在煤体破碎的“构造煤”中，煤体破坏程度越严重，突出危险性越大。突水灾害主要涉及老空水与底板承压水，由于地层结构的多样性，矿井水体分布的非均质性、流动性特征，矿井突水灾害源预测的难度较大[44]。

常规掘进条件下，在综合地球物理方法加钻探的超前探测模式下，灾害隐患的探测精度和预测准确度能够在较大程度上满足安全生产需要，但快速掘进条件下要求探测与预报实时程度高，探测时间短，常规探测模式无法正常使用。在不能满足常规超前探测工序、时间等需求的情况下，为保障施工安全，必须转变探测模式。也就是说，在保证相同探测效果下，快速掘进模式会使超前地质问题变得更加复杂。

另外，我国煤矿开采深度以平均10～25 m/a的速度快速向深部延伸，与浅部开采相比，深部煤岩体处于高地应力、高瓦斯、高温、高渗透压以及较强时间效应的恶劣环境中，煤与瓦斯突出、冲击地压、突水等动力灾害问题更加严重，并且有多重灾害耦合发生的趋势，深部煤矿开采将面临更为复杂的地质问题。图3对复杂超前地质问题进行了梳理展示。

图3 快速掘进模式超前地质问题Fig.3 Advance geological problems of fast tunneling mode

所以，快速掘进条件下超前地质问题变得极度复杂化，亟需研发相匹配的超前探测技术体系，对于全面提升煤矿巷道掘进生产力，确保巷道安全、高效、绿色、智能掘进具有极其重要的意义。

2.2 快速智能掘进超前探测技术选择局限性

实现快速掘进，需要提高单次掘进效率以及缩短掘进轮次间隔时间。目前，在“探-掘-护-锚”掘进工序中，超前探测多采用地球物理方法加钻探验证的模式进行，如果地球物理探测工作时间较长或探测疑似异常较多，就会导致超前探测效率的降低，进而影响掘进进度。所以，为提高掘进超前探测效率，需要从缩短探测施工时间与提高探测精度入手。

目前，能够满足巷道掘进快速超前探测需求的技术主要为随掘探测技术以及超长钻孔孔中探测技术等。其中，随掘超前探测技术主要有基于综掘机的随掘地震技术、基于TBM盾构机的随掘地震与随掘电法技术;孔中探测主要为孔中瞬变电磁技术。而其他大部分常规探测技术会因时效性问题将不适用于快速超前探测模式。另外，综掘机以及TBM盾构机巨大的电磁干扰也限制了电磁类方法随机随掘的研究发展。

因此，进一步发展和完善随掘探测以及超长钻孔孔内探测技术理论与体系是未来快速掘进模式下重要的发展方向，与其相匹配的高精度探测方法及数据解译算法也是研究的重点。

另外，巷道掘进智能化发展下，要求超前探测技术具备与智能掘进技术相配合的能力，满足“智能化”的要求。

3 巷道快速智能掘进超前探测关键技术发展思考

在未来巷道快速智能掘进过程中，超前探测保障体系需要进一步提高地球物理勘探精度，发展与完善联合反演、随掘探测、随钻感知、超长钻孔孔中探测等关键技术及其配套高精度探测方法及数据解译算法，融合5G通讯、大数据、云平台等现代智能技术，重点提高巷道超前地质透明化程度，构建快速智能掘进综合地质保障平台。图4对快速智能掘进地质保障体系进行了说明。

图4 快速智能掘进地质保障体系Fig.4 Geological guarantee system of fast intelligent tunneling

3.1 快速超前探测技术基础性研究

将探测仪器与掘进机械进行一体化设计，开展随掘探测是保障巷道快速掘进最有效的方式之一，可实现探掘平行、灾害精确治理，能够充分发挥掘进机械的生产效率，是未来一段时期内巷道快速智能化掘进发展最急需的保障技术。目前，巷道快速智能掘进发展主要以悬臂式掘进机及其改进机械以及盾构掘进机为基础机械，悬臂式掘进机主要用于煤巷，盾构掘进机主要用于岩巷。基于此，适用于巷道快速超前探测的技术体系可发展为两种，一种是应用于煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的技术体系;另外一种是应用于岩巷的TBM震源随掘地震技术与BEAM随掘电法联合的技术体系。

以上2种探测体系所应用的基础超前探测技术都是近年来新发展的技术，理论与方法体系还不够完善，还需进行大量的基础性研究工作。

3.1.1 适用于煤巷的快速超前探测关键技术

(1)掘进机震源随掘地震技术。基于掘进机震源的随掘地震技术，解决了以炸药震源为主的传统矿井震波类勘探存在的很多局限性问题，可在掘进施工过程中同步、实时连续监测，同时也符合安全绿色经济的理念。由于其特殊的震源特征，该技术研究的核心及难点是掘进机震源信号的脉冲化处理。近年来，笔者所在团队在掘进机震源信号的脉冲化处理方面进行了一系列的基础研究工作。相对于常规炸药震源爆炸仅仅持续短暂时间来讲，掘进机在施工过程中会保持一段长时间的连续工作，相当于一个连续震源。而且截割头与煤岩层每一次接触切割会持续一段时间，所以每一次的地震波激发都会有一定的延续时间;另外，由于掘进机的工作状态(截割头的磨损程度、压力、转速等)是随机变化的，所以，掘进机震源信号与炸药等常规震源产生的脉冲信号不同，是具有一定延续时间的连续变频信号(图5，6)。

图5 掘进机震源原始单道波形信号Fig.5 Original single trace waveform signal of roadheader seismic source

图6 随掘地震技术组成Fig.6 Technical composition of the seismic while tunneling

互相关干涉是目前掘进机震源信号脉冲化处理最常用的方法，但从结果分辨率来看，脉冲化算法还需要进行进一步的研究。

(1)

式(1)为笔者团队在互相关干涉基础上提出的复合干涉处理算法，该算法将互相关与最佳维纳滤波约束下的脉冲反褶积有效结合起来，可以提高脉冲化处理分辨率，算法鲁棒性更高。

(2)高精度地震探测方法及精细成像技术。使用掘进机震源随掘地震技术，除了原始信号的脉冲化处理外，为提高探测精度，还需发展高精度地震探测方法及其精细成像技术。解决探测空间局限以及全空间效应影响等问题，是巷道地震超前探测技术向高精度探测发展的重要方向。

常规线性探测方式下地震数据有限，充分利用巷道顶、底板、侧帮等空间条件，开展全空间三维立体探测研究，在局限的探测空间内，最大限度的获取空间地震数据，是提高探测精度的有效途径。在全空间效应影响下，地震波场极其复杂，只利用单一类型波进行无方向性的成像难以满足高精度地震超前探测的需求。实际探测中至少采用三分量地震记录，接收全波场信息，按照波的类型和激发、接收与成像点的3者关系，根据地质条件提取不同波型，进行多波成像，相互补充与验证，提高成像的可靠性和成像精度。

槽波超前探测在小构造超前探测方面具有一定的优势，需要进一步发展和完善槽波超前探测理论和方法。数据接收方面，同样采用三分量接收，理想情况下，采用煤层三分量和顶板三分量同时接收，形成槽波、体波六分量记录，作为槽波、体波联合勘探的基础数据[60]。

另外，开展地震超前探测精细成像技术研究也是提高勘探精度的重要方式。充分利用三维立体空间探测数据以及多波多分量波场信息，进一步完善与发展体波与槽波单一、联合探测背景下的绕射叠加、极化、散射、地震干涉等偏移成像技术体系。

(3)超长钻孔孔中瞬变电磁技术。孔中瞬变电磁、地孔瞬变电磁等新兴技术，可以从根本上避免巷道中电磁干扰信号、锚网、掘进机等干扰影响，进而提高探测精度，是发展高精度瞬变电磁法探测技术的重要研究方向之一。而且，随着我国煤矿井下智能化定向钻探技术的发展，推动顺煤层定向钻孔实现了深度从“1 000 m”跨越到“3 000 m”，“十三五”期间，我国学者提出并创建的3 000 m近水平超长孔钻进理论与技术体系，成功在神东保德煤矿完成了最大顺煤层孔深3 353 m的贯通定向钻孔[61]。定向钻孔技术的成功发展为孔中瞬变电磁技术应用与创新提供了基础条件，孔中瞬变电磁可利用掘进工作面前方500～3 000 m 长度定向钻孔开展超长距离水害的随钻超前探测工作，有效保障巷道高效快速掘进(图7)。

图7 孔中瞬变电磁超前探测示意Fig.7 Schematic diagram of transient electromagnetic advanced detection in hole

由于孔中瞬变电磁技术与常规矿井瞬变电磁技术不同，其装置属于二维工作装置，随收发距改变数据特征差异较大，对资料的处理解释带来了很大困难[62]，常规资料解释方法已经难以满足工程需要。所以，未来需要重点研究有无异常情况下孔中瞬变电磁信号的数据特征，然后，在此基础上开展数据处理解释的研究。

数据处理解释的研究方向可分为2类：一类是根据数据特征直接进行地质解释，另外一类是高精度的反演方法。目前，瞬变电磁波场转换、合成孔径雷达技术以及全程全空间视电阻率反演是常规矿井瞬变电磁数据处理成像的研究热点，未来可结合孔中瞬变电磁数据特征利用以上新技术开展研究工作。而且，在数据处理过程中加入机器学习、滤波算法等也为提高孔中瞬变电磁解释精度和探测分辨率提供了有效的解决途径。

瞬变电磁场中的电性各向异性问题研究以及基于瞬变电磁数据的岩层富水性定量预测同样可以为提高孔中瞬变电磁法探测精度做出重大贡献，可以在巷道快速智能掘进中发挥重要的作用。而且，随着超长钻孔深度的增加，电磁感应类探测装备的随钻适用性以及井下特殊的安全性要求也是重要的研究方向。

3.1.2 适用于岩巷的快速超前探测关键技术

(1)TBM震源随掘地震技术。目前发展出的基于TBM破岩震源的随掘地震技术主要应用于隧道掘进中，煤矿岩巷TBM震源随掘地震技术的研究可借鉴该方面的基础工作(图8)。

与掘进机震源随掘地震技术类似，其原始信号的脉冲化即重构处理是方法研究的重点，在目前已有的研究中，互相关干涉为最主要的技术，解决该技术分辨率不足的问题，创新鲁棒性更高的算法是未来重要的发展方向。另外，完善理论与方法体系，发展全空间三维立体探测、多波多分量方法、全波形反演、极化、散射、地震干涉等偏移成像技术也是该技术未来的研究重点与趋势。

(2)BEAM随掘电法技术。岩巷中的随掘电法技术研究主要围绕BEAM综合法展开，该系统随TBM掘进在线监测掘进前方地层视电阻率的变化，能够实现实时在线的超前地质探测(图9)。

图9 BEAM综合法超前探测系统Fig.9 BEAM synthesis method advanced detection system

但由于该技术属于聚焦电流探测的一种，其技术与理论体系还不完善，还有许多基础工作需要研究。目前，探测距离过短是制约该方法的关键问题。

另外，数据解释过程中可以结合数据本身进行分析，不再局限于常规电阻率成像结果的研究。而且，建立巷道掘进前方含水异常体实时动态监测系统以及发展巷道掘进定量化超前探测理论与技术也是该技术研究的重点。

3.2 联合反演成像

巷道超前探测中，掘进前方断层构造、富水区等地质异常会引起多种地球物理场的响应特征，集成应用多种方法开展综合超前探测可以提高地质判识和解释精度，而且，该思路是目前解决物探方法多解性的惟一有效途径。

应用多种物探方法开展多源数据融合交互解释，可以分为2种层级，第1层级是进行多物探结果之间的交叉验证，更高层级是开展多源异构数据之间的联合反演。联合反演在解决物探方法多解性问题、提高探测精度等方面较交叉验证有了更进一步的提升，是通过地质体的岩石物性和几何参数之间的相互关系共同反演得到同一地质-地球物理模型，是在数据级别上进行的处理，具有更高的优势。因此，进一步发展和完善巷道超前探测多源数据联合反演理论和方法是一个很重要的发展方向。

充分利用高精度物探方法获得的多源数据，完善巷道超前探测联合反演技术体系，主要方向为基于相同物性参数的联合反演和基于不同物性参数的联合反演。对应2种巷道快速超前探测技术体系，重点发展煤巷中的地震体波-槽波/地震-瞬变电磁联合反演以及岩巷中的地震-电法联合反演技术。

基于交叉梯度约束的联合反演弱化了以往对参与数据的物性要求，只要求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联合反演。以应用于煤巷的随掘地震与孔中瞬变电磁超前探测数据为例，构建联合反演目标函数为

(2)

如图10所示的地震与瞬变电磁联合反演应用案例中，使用基于交叉梯度约束的联合反演方法，融合了地震记录与瞬变电磁视电阻率数据，反演后的反射波同相轴(图中色彩线束)在纵横向上均具有更高的分辨率，断层构造能得到更精细的解释。

以上联合反演为巷道空间下的小尺度反演，所需时间较少，且对于探测分辨率有较大的提升，可以满足巷道快速智能探测要求。

3.3 大数据综合利用

随着巷道快速智能掘进深度发展，其地质保障所需基础数据量级及类型均呈爆炸式增长，利用大数据技术针对钻探、物探、化探等多源海量数据进行集成分析与数据价值挖掘，实现动态诊断与辅助决策，成为巷道掘进快速智能化的关键。

以高分辨率三维地震勘探为核心、井上下一体化、掘前掘中多手段配合的地质保障技术体系可以为掘进超前探测提供海量的基础数据，构建综掘工作面探测信息大数据分析平台，进行多源地质数据的融合交互，实现综掘工作面前方地质体的精准探测;充分利用含水异常体实时动态监测系统、随掘探测等系统提供的实时监测数据，创新数据智能解释技术，开发探测结果实时处理、动态成像等技术，提高探测时效性;通过异常判识精度与速度双重突破，促进掘进快速智能发展。

5G是第5代移动通讯系统的简称，具有超高数据速率、超低延时和超大规模接入等特点，是巷道快速智能掘进过程中数据信息高效互联互通的优势辅助技术。随着5G技术生态的逐渐成熟，必将实现信息技术、探测技术、传感器技术、智能装备等技术的深度融合，丰富综合超前探测理论实践体系，促使实时动态电法监测系统、随掘探测系统等技术实现跨越式发展[63]。图11为探测信息大数据利用的架构展示。

图11 探测信息大数据利用架构Fig.11 Exploration information big data utilization architecture

3.4 透明化地质条件构建

在推进巷道快速智能掘进建设中，首先需要解决地质条件的透明化问题，以确保掘进条件的可视、可预和可控[64]。构建高精度三维巷道地质地球物理模型，动态展示随掘巷道三维空间地质条件，进行安全生产环境判识，可以为实现掘进机智能截割、智能导航、智能协同控制、远程智能测控提供精准地质支持，是巷道快速智能掘进地质保障系统发展的主要攻关内容。

高精度三维巷道地质地球物理模型构建，主要包含2个部分：其一是掘进前期静态地质模型构建，其二是掘进过程中动态模型修正。

静态地质模型通过采用“空—天—地—井—孔”全方位立体化的探测模式，获得巷道范围内地下岩层岩性分布、三维地质构造形态等多参量的三维数据，同时融合巷道建设的基础地质信息等多域大数据，对钻孔、地层、物性等各类参数重建，获得多元素三维数据体，构建其静态参数模型。重点是反映原始地层条件、地质构造发育形态、地下水空间分布范围等多元信息。

动态模型修正是获取掘进过程中实时地质地球物理参数，通过进一步加强多介质、多相、多态、多维、多源数据的有机融合，进行多参数联合反演，完成对实时地质信息的监控和动态预测。然后对静态地质模型参数注入和改造，反演地质及灾害源条件的变化状态，实现对巷道前方地质条件的透明化(图12)，为多灾源预测提供关键指标参数支撑。

图12 巷道掘进地质地球物理模型Fig.12 Geological and geophysical model of roadway tunneling

4 结 语

虽然巷道掘进灾害隐患超前探测技术研究取得了显著的成效，但巷道探测空间有限、物探方法多解性等技术难题并没有得到根本性的解决。而且，随着信息技术的深度融合和掘进机械化水平的进一步提高，快速智能掘进模式会对超前探测技术提出更高的要求。尤其是煤炭开采向深部发展，面临着越来越复杂化的地质问题，现有的技术方法还难以形成有效的安全保障，因此，还需进一步完善和发展超前探测理论体系，构建基于透明地质模型的随掘超前探测保障与云地质诊断平台是重要研究方向。

煤矿安全地质保障体系构建已不是一个单一的专业问题，它涉及多领域、多学科的交叉，在未来巷道快速智能掘进过程中，超前探测保障体系需要产学研用技术协同，进一步提高地质地球物理勘探精度，完善与发展联合反演、随掘探测、随钻感知等关键技术，提升技术与装备的结合程度，融合5G通讯、大数据、云平台等智能技术，重点提高巷道超前地质透明化水平，高效高精度预报掘进空间存在的地质异常体，助推矿井的智慧化高质量发展建设。