随掘地震实时超前探测系统的试验研究
2021-09-10张庆庆余俊辉苏晓云
王 季，覃 思，吴 海，张庆庆，余俊辉，苏晓云
随掘地震实时超前探测系统的试验研究
王 季，覃 思，吴 海，张庆庆，余俊辉，苏晓云
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
煤矿智能化建设要求采用智能化地质探测技术在巷道掘进过程中实时完成掘进前方区域的探测和预报。基于在线式矿井地震监测分站构建的随掘地震实时探测系统能够在巷道掘进的同时，采集以掘进机震动为震源的随掘地震数据，通过光纤网络实时传输至地面服务器的数据库内。随掘地震数据处理软件从数据库中获取当前随掘数据，经过筛选、提取虚拟炮集和偏移成像等步骤对掘进前方和侧前方一定区域进行反射槽波成像。为验证系统性能和探测结果的有效性，在正开展掘进作业的山西榆树坡煤矿5106回风巷内安装随掘地震实时探测系统，对该巷道开展为期数个月的随掘跟踪探测试验，探测系统实时采集随掘地震数据并成像，随着掘进长度的增加，每日的探测结果不断显示5106工作面内存在一条隐伏断层，后期的反射槽波探测和钻探工作验证了该断层的存在。试验结果表明，随掘地震实时探测系统能够在掘进过程中不断利用掘进机激发的地震信号对巷道前方和侧前方区域成像，从而在不影响掘进施工的条件下，实现了巷道侧前方地质异常体的连续跟踪探测和实时监测，达到了智能掘进系统对地质探测能力的要求。
随掘地震；超前探测；智能地质探测；掘进机震源；反射槽波
5G通信、人工智能和大数据等信息技术引入煤矿建设，推动了煤炭开采向智能化发展。2020年山西省颁布的DB14/T 2060— 2020《智能煤矿建设规范》[1]将煤矿信息化划分为3个等级，其中一级提出了掘进工作面监控系统的建设要求。在(晋能源煤计发〔2020〕596号)《山西省煤矿智能化建设评定评分方法》[2]中进一步细化了建设要求，明确提出了须采用智能地质探测技术与装备建设智能掘进系统。
巷道超前物探技术一直以来都是保障煤矿安全开采的重要手段[3]。常用的巷道超前物探技术有直流电法[4]、瞬变电磁法[5]和反射地震法[6-7]等。目前的超前物探方法在开展探测时，都需要暂停掘进作业以减少掘进机等金属体或机械振动为探测数据带来的影响，无法在掘进的同时边掘边探、随掘随探。近年来，中煤科工集团西安研究院有限公司在反射槽波探测技术[8-10]、巷道超前地震探测技术[11]和随采地震探测技术[12]的基础上，开展了随掘地震探测技术的研究工作。该技术以掘进机在掘进作业中切割岩石产生的震动作为震源，利用连续震动波的回波实现超前探测。经过多次实验，覃思等[13]成功从连续地震数据中提取出了来自巷道的反射波。王季等[14]采用YTZ3型自记式地震仪对掘进中的巷道开展了随掘跟踪探测试验，实现了基于随掘地震数据的巷道侧前方断层成像。受到地震仪电池和数据记录方式的限制，施工人员需要定期下井更换地震仪，升井后才能导出数据并进行处理，因此，不能实时进行随掘随探。为了实现实时随掘探测的目的，新研制出了在线式矿井地震监测分站[15]，可长期安装于井下巷道内，实时采集地震数据并通过光纤传输至地面。在此基础上构建的随掘地震实时探测系统，能够实时地从大量地震数据中寻找异常构造的回波信号，动态完成掘进巷道前方与侧前方探测。随掘地震实时探测系统可以在不影响掘进施工的条件下，实时动态地呈现当前掘进头前方异常地质构造的探测结果，这一特点达到了煤矿智能化建设对掘进系统的智能地质探测技术的基本要求。
为了检验随掘地震探测系统对异常构造的探测能力，以及实时数据采集、传输和处理的性能，在华阳集团榆树坡煤矿5106工作面回风巷道的掘进过程中，安装了随掘地震实时探测系统，从巷道进尺为260 m时开始跟踪探测，至进尺510 m时结束。在探测过程中实时采集井下地震数据，通过光纤网络传输至中心机房，实现了掘进过程的实时探测。
1 随掘地震实时探测系统
随掘地震实时探测系统可分为井下的实时数据采集与传输设备和地面的数据库与实时数据处理软件系统2个部分，其构成如图1所示。
图1 随掘地震探测系统构成
1.1 实时地震数据采集与传输设备
随掘地震实时探测系统中负责数据采集的设备为KJ959-F型矿用本安型随掘监测分站。该型监测分站可同时采集6个通道的地震信号，最高采样率为1.95 kHz。与监测分站相配套的有GZC10型矿用单分量拾震器和机械推靠装置。通过推靠装置将拾震器安装在煤壁上2 m深度的孔内，与监测分站通过电缆相连，实现煤层内地震波的采集。
数据传输设备为KTG127型矿用隔爆型光端机和KT105A-J1矿用本安型光纤交换机，传输速率可达100 Mbps。每个监测分站配套一台光端机，将采集到的数据通过铠装光缆和光纤交换机传输至地面服务器上。
1.2 数据库与实时随掘地震数据处理软件系统
随掘地震实时探测系统的地面部分主要由数据库服务器和处理监测工作站组成。数据库服务器上运行数据库和与监测分站的接口程序。接口程序从网络中接收由各个监测分站传输的实时地震数据，并将地震数据实时记录在数据库中。数据库中还记录了观测系统参数、各拾震器的位置和状态、当前掘进机所在位置等信息。
随掘地震数据处理与监测软件运行在工作站上，实时地从数据库中取得当前数据和参数，进行随掘地震数据的处理和成像，并通过软件界面实时显示巷道掘进前方和侧前方一定区域的地质异常情况。随掘地震实时数据处理的流程如图2所示，可分为数据获取、数据选择与评价[16]、虚拟炮集提取[17-18]、筛选与去噪[19]、偏移成像[20]等多个步骤。
图2 随掘地震数据处理流程
① 数据获取 根据时间片段的长度设置定时器，定时从数据库中获取当前时间片段内新产生的多道随掘地震数据。
② 数据选择与评价 对采集到的数据进行分析，根据其平均振幅的大小判断掘进机的当前状态是否正常，如果未开机或空转则丢弃当前数据。
③ 提取虚拟炮集 以距掘进机最近的地震道为参考，采用地震干涉算法将一段时间的连续地震数据转化为虚拟炮集。
④ 筛选与去噪 以直达波的信噪比为依据，评估虚拟炮集的数据质量，丢弃因掘进机未能有效切割或受其他随机噪声影响而产生的低信噪比虚拟单炮记录，并对筛选的单炮记录进行滤波和去噪。
⑤ 偏移成像 每产生一个合格的单炮记录之后进行一次偏移成像，按照掘进进尺为每炮记录设置不同权重，采用绕射偏移算法实现掘进机前方和侧前方探测区域的成像。
2 榆树坡煤矿5106回风巷随掘实时监测试验
华阳集团榆树坡煤矿位于山西省宁武县，5106工作面主采5号煤层，煤层平均厚度14.8 m，厚度稳定，位于太原组下部，顶板为泥岩，底板为砂质泥岩，煤层内含多层泥岩夹矸。5106回风巷采用机掘方式，计划掘进970 m。地面三维地震勘探成果显示工作面内存在一条断层。为在掘进中跟踪断层对巷道的影响，验证随掘地震实时监测系统的有效性，在5106回风巷内安装了随掘地震实时探测系统，如图3所示。
图3 5106回风巷随掘地震实时探测系统布置
受到巷道内钻场影响，在5106回风巷煤壁上共布置20个钻孔，孔深3 m，孔内安装分量拾震器，道间距10 m，跨钻场检波点道间距20 m，全部测线长度230 m。使用4套监测分站与光端机采集和传输数据，从巷道至井下配电室的光纤交换机共铺设铠装光缆约2 000 m。
监测分站的采样频率为4 kHz，对于20道数据而言，每秒钟将产生375 kB的数据，考虑到损耗和其他数据传输，需要5 Mbps以上带宽的网络才能及时传输数据。榆树坡矿主干网络为100 Mbps光纤网络，随掘系统通过光交换机直接接入主干网络，因此，带宽能够满足要求。
5106回风巷的随掘地震实时探测工作从10月中旬持续至12月上旬，期间巷道总进尺为250 m，正常掘进作业的日进尺为5～8 m。监测期间开展了2 次防治水工程施工，施工期间停止了掘进作业，随掘采集也相应中断。总计有效掘进57 d，共记录1.2 TB的地震数据。
3 随掘实时监测试验分析
连续采集的地震数据基本为噪声信号，其中不仅包含了掘进机切割煤壁的震动，还包含带式输送机、风筒、水泵等机械设备产生的震动噪声以及电路和其他电气设备产生的电噪声。图4是10月11日14时至15时采集到的井下地震数据，15时以后停止掘进。图中数据既含有掘进作业产生的噪声信号，也含有岩石破裂而产生的脉冲信号。为了从连续数据中寻找有效地震信号，需要对其进行脉冲化处理，提取虚拟炮集。
图4 原始随掘地震数据
由于掘进的日进尺较小，可忽略掘进机在一段时间内的位置变化，认为这段时间内震源在同一个点上。选取时间片段的长度为20 min，参考道为距离掘进机最近的20道，采用地震干涉算法[16]对多个时间片段进行脉冲化。图5是10月11日数据脉冲化的结果。可以看出，经过脉冲化后随掘地震数据被转化为虚拟单炮地震记录，炮点位置为掘进机所在位置。在虚拟单炮记录中，能够直接识别出由掘进机产生的直达槽波，根据到时计算出直达槽波的速度为1 100 m/s，与本煤层槽波Airy相速度一致。在图5中直达槽波之后大约100 ms处，存在一组与直达槽波近似平行的波列。该波列虽然振幅明显弱于直达波，但是道间一致性较强，能够较容易地识别。依据这组波列的到时和1 100 m/s的槽波速度判断，此组波列是来自于掘进头侧前方煤层内某点的反射槽波。图6是利用槽波绕射偏移算法由图5的虚拟单炮记录获得的成像结果，从成像结果中异常区内一点绘制与炮点(掘进机位置)和各检波点的连线，再根据直达槽波速度可求出各道对应的时距曲线，如图5中下面一条曲线所示。
图5 10月11日随掘虚拟单炮记录
由于仅有一炮的虚拟炮集，导致成像结果中巷道的侧方和侧前方存在一条呈弧线的异常区，表明在异常区内存在断层或其他异常构造形成的反射面。需要注意的是，并不是全部弧形异常区都是断层，而是其中某一段可能是一条断层的某一部分，因此，不能通过单炮成像结果判断断层形态，需要叠加多炮结果综合成像。对于随掘数据而言，需要跟踪较长的一段掘进距离，从而等效为多炮记录，在此基础上的成像结果才可作为判断断层的依据。
图6 10月11日随掘数据成像结果
图7是由10月16日、10月22日、10月29日、11月7日、11月23日、12月3日的随掘数据得到的虚拟炮集和实时成像结果。这几日的累计掘尺分别为276、301、316、376、424、500 m。可以看出，虚拟炮集上反射槽波一直存在，随着掘进距离的增加，有效的虚拟炮数不断增加，成像结果的画弧现象不断减弱，异常区逐渐集中在一段区域内。
从12月3日随掘数据得到的综合成像结果可以看出，经过多日连续监测形成了多炮数据，由多炮数据产生的成像结果减少了画弧现象，所形成的异常区域为一个线状条带，与反射槽波探测中断层的表现一致，因此解释此区域存在一条与巷道接近平行的断层CF1，如图中黑色线条所示。
图7 掘进过程中多日的虚拟炮集及实时成像结果
为了对比随掘地震探测与反射槽波探测效果，在5106回风巷掘进至580 m处时，在巷道内又开展了一次反射槽波探测，共铺设测线570 m，安装检波器58道，设置炮点51个，道间距10 m，炮间距10 m。震源采用0.3 kg的炸药在孔深为3 m的炮孔中激发。图8是采集的槽波数据，图9是反射槽波探测的观察系统布置及根据反射槽波方法得到的成像结果。由槽波数据中直达波到时分析得到槽波Airy相速度为1 100 m/s，与随掘数据中求得的速度一致。在数据中能够识别出2个反射波列，如图8中箭头所示，分别对应成像结果中的2处条带状异常。较强异常区的位置与5106运输巷一致，认为数据中的反射波来自于运输巷。另一个在距离回风巷较近的位置存在一个较弱的异常区。对比图7中12月3日随掘地震成像结果，其中CF1断层与此异常区的位置和走向基本一致。因此，无论是炸药震源还是掘进机震源，都能够在CF1断层处产生反射槽波，采用随掘地震数据能够实现巷道侧前方断层成像。在5106回风巷掘进的过程中，矿方分别在累计进尺277 m和560 m处（图9中紫色线）向工作面内打探放水孔，在深度约50 m处均揭露岩石，经多角度验证为断层，而所有已掘的5106回风巷并未直接揭露断层。
图8 5106回风巷反射槽波数据
图9 5106回风巷反射槽波成像结果
4 结论
a. 通过在华阳集团榆树坡煤矿5106回风巷掘进过程中跟踪开展随掘地震的连续监测试验，对随掘地震数据实时采集、传输、存储和处理的软硬件系统进行了测试，结果表明该系统能够满足随掘实时探测的需要，在掘进过程中不断利用掘进机震源的地震信号对巷道前方和侧前方区域成像，实现断层等地质异常体的连续跟踪探测。
b. 从多日数据的成像结果可以看出，跟踪掘进距离较短时产生的画弧现象较为严重，可能导致断层位置的判断偏差；随着跟踪距离的累积，画弧现象减弱，断层成像效果得到改善。
c. 榆树坡煤矿5106回风巷的平均日进尺不足10 m，为1～2个成像网格，因此，在处理上将一天的随掘数据脉冲化为1～2炮的虚拟单炮记录，成像结果一天更新1～2次。随着智能掘进技术的进步，日进程量将进一步提升，随掘成像结果的更新频率也将相应提高，从而更好地体现随掘监测系统的实时性。
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Experimental study on advanced real time detection system of seismic-while-excavating
WANG Ji, QIN Si, WU Hai, ZHANG Qingqing, YU Junhui, SU Xiaoyun
(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)
The construction of intelligent loal mine requires the employment of the intelligent geological exploration technology to detect and predict front area in the process of roadway tunneling. The real time detection system of seismic while excavating is constructed on the basis of on-line seismic monitoring stations. The acquired seismic data is inspired by vibration of the tunneling machine, and is transmitted on optical fiber network to the database server located on the ground. The processing software acquires current seismic data from the database, through the steps of screening, pulsing and migration, imaging the front and side area of roadway head by reflected in-seam wave. In order to verify the performance and effectiveness of this system, we installed the real time detection system in the 5106 air return roadway of the Yushupo Coal Mine, and took a tracking detection test for several months. The detection system collected real-time seismic data, imaging in real time while excavating. With the increasing of the tunneling length, daily detection results show that there is a hidden fault existing in working face 5106. The fault has been verified by later drilling and detection of reflected in-seam wave. That means this real time detection system has the ability to image the area in front and side of the roadway by seismic signal generated from the road-header. Therefore, the detection system realized the continuous tracking and real time monitoring of abnormal structures in front of roadway side without affecting the process of roadway tunneling. It meets the requirement of geological detection ability for an intelligent tunneling system.
seismic-while-excavating; advanced detection; intelligent geological exploration; road-header vibration; reflected in-seam wave
P631
A
1001-1986(2021)04-0001-07
2021-04-25；
2021-06-04
国家重点研发计划课题(2018YFC0807804)；国家自然科学基金面上项目(41974209)
王季，1977年生，男，陕西西安人，博士，研究员，硕士生导师，研究方向为井下物探技术. E-mail：wangji@cctegxian.com
“煤矿隐蔽致灾地质因素动态智能探测技术”专题 编者按 我国煤炭资源赋存地质条件差、隐蔽致灾地质因素多，迫切需要超前精细查明隐蔽地质异常体的分布状况，保障煤炭安全高效开采。当前，煤矿采区地质勘探、地面三维地震勘探、矿井物探在探测精度、深度与可靠性及时效性方面均不能完全满足煤矿生产的需求，亟需开展煤矿隐蔽致灾地质因素地球物理响应机理的研究，研发地面高精度勘探与井下动态智能探测的新技术与新装备，形成煤矿隐蔽致灾地质因素快速、精细、动态、智能探测技术体系。为了配合煤炭行业在隐蔽致灾地质因素探查的战略需求，交流分享我国在煤炭地质及矿井物探方面取得的最新科技成果，邀请中煤科工集团西安研究院有限公司王季研究员担任客座主编，依托国家重点研发计划项目(2018YFC0807800)，开展“煤矿隐蔽致灾地质因素动态智能探测技术”专题策划，本期专题优选8篇稿件刊登，以期促进煤矿企业地质灾害防治的技术进步。
王季，覃思，吴海，等. 随掘地震实时超前探测系统的试验研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：1–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.001
WANG Ji，QIN Si，WU Hai，et al. Experimental study on advanced real time detection system of seismic- while-excavating[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：1–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.001
(责任编辑 聂爱兰)
