煤矿井下随掘地震震源特征及探测性能研究

2022-02-22王保利程建远杨小刚

煤田地质与勘探 2022年1期

王保利，程建远，金丹，杨小刚，杨辉

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

掘进工作面是煤矿生产的两个主要场所之一，在掘进前方地质条件情况不明时，贸然开采易引发安全生产事故。据统计，相当一部分事故发生在掘进工作面，如采空区透水、冒顶、陷落柱突水、煤与瓦斯突出等等。因此针对掘进工作面前方的超前探测，精确查明隐蔽致灾地质因素，对煤矿安全高效生产具有重要作用。

现有针对煤矿井下掘进工作面的超前探测技术主要包括探测地质构造体的瑞雷波法[1]和反射槽波法[2-4]、探测富水异常体的直流电法[5]和瞬变电磁法[6]。这些方法均存在两个问题[2]：一是在数据采集施工时要求停止掘进生产活动，降低采集现场的环境噪声，提高原始数据采集质量，这使得掘进和探测无法同步并行，频繁探测会严重影响生产，特别是在快速掘进时，探测速度无法跟上掘进速度；二是这些技术均属于单次静态探测，无法满足掘进工作面智能化实时动态监测的需求。

为了解决探掘同步问题，满足巷道快速掘进和工作面智能化监测需求，近年来国内很多企业和高校的研究人员围绕N.Taylor 等[7]在2001 年提出的以掘进机为震源的随掘地震超前探测技术展开相关研究与试验。部分作者[8-9]研究了随掘地震的震源特征，认为截割头1 min 内能量输出达到1.62～3.24 MJ，满足地震勘探震源对能量的需求；刘强[10]对随掘地震信号去噪技术进行了研究；部分学者[11-13]研究了随掘地震有效信号干涉提取方法，其中，覃思等成功提取出了来自巷道的反射波。2020 年，中煤科工集团西安研究院有限公司成功研发出随掘地震监测系统，并真正将这项技术应用于煤矿井下实际掘进巷道，成功探测出巷道侧方50 m 的断层和200 m 处的巷道。

综上所述，许多学者已经从随掘地震涉及的方法进行了卓有成效的研究和成功的井下试验，但并未对随掘地震的探测性能进行详细分析。为促进随掘地震的工业性应用，推动掘进工作面的智能化进程，本文将从随掘地震震源特征、波场特征、探测距离和探测精度方面入手，详细分析论述随掘地震的探测性能。

1 掘进机震源特征

国内达到开采机械化水平的煤矿高达94%，掘进机已成为煤矿自动化开采的关键设备，广泛应用于煤矿巷道掘进。最普遍采用的煤巷掘进机是综掘机和掘锚机，这两种掘进机在作业方式以及技术参数等方面存在较大差别。

由于相关技术参数和工艺流程众多，本文仅选取与随掘地震探测性能相关的参数和工艺进行分析研究。

1.1 掘进工作面截割受力

综掘机通常采用锥形截割滚筒，在矩形掘进工作面通过上下左右连续移动的方式扫描，如图1a 所示；而掘锚机采用的是上下扫描的巷道一次成型方式，如图1b 所示。考虑到地震波波长通常在5 m 以上（速度在1 000 m/s 以上，主频通常在200 Hz 以下），大于工作面尺寸，因此,无论是综掘机还是掘锚机，都按照点震源方式进行滚筒整体受力分析，不从截齿角度考虑。综掘机滚筒方式分为纵轴式和横轴式滚筒，而掘锚机为横轴式滚筒，所以本小节针对纵轴式滚筒和横轴式滚动进行分析。实际中，地震波是由掘进机截齿截割煤壁产生的震动和煤体破裂共同作用产生的，由于煤体破裂过程较复杂，本文仅以掘进机截割煤壁作为地震波激发源进行分析。

图1 综掘机和掘锚机作业方式Fig.1 Schematic diagram of operation modes of the fully mechanized excavator and anchor digge

分析坐标系以竖直方向为Z、掘进前方为X、垂直侧帮方向为Y。以掘进工作面为受力点进行受力分析，如图2 所示：纵轴式滚筒在截割工作面时，首先在YZ平面上会产生一个旋转力矩Myz，并在该平面的移动方向产生摆动力F，分解到YZ方向为Fy和Fz；而在XZ方向上看，会受到推进方向的推进力Fx；横轴式滚筒由于其旋转轴为Y，所以在XZ平面上工作面会受到一个旋转力矩Mxz和推进力Fx；在YZ平面上，同样在移动方向上受到摆动力F，分解到YZ方向为Fy和Fz。但当采用的是掘锚机时，由于仅有上下方向的移动，因此，Fz=0。

图2 纵轴式和横轴式掘进机工作面受力分析Fig.2 Stress analysis of the working face of longitudinal axis and transverse axis roadheaders

从以上分析可以看出，不论是哪种滚筒，均受到集中力源和旋转力矩的作用。集中力源可以产生纵波和横波，旋转力可以激发出纯横波，这表明综掘机或者掘锚机都具有激发地震波场的能力。

1.2 掘进机震源能量

掘进机满足了激发地震波的机制，但其激发的地震波能量是否足够大是值得深入研究的。经过上述分析，掘进机震源主要依据的是截割滚筒对工作面施加的作用力，因此震源能量的大小与截割滚筒的输出功率直接相关。考虑到掘进机做功主要转化为热能和动能（即地震波能量），为便于分析，忽略热能，认为掘进机输出能量全部转化为地震波能量。精确计算截割滚筒输出功率需要得到每时刻每个截齿的截割阻力，这点很难做到。实际中常用能耗法[8-9]进行估算，计算公式如下：

式中：L为截割头长度，m；D为截割头直径，m；vh为截割头的牵引速度，m/s；Hw为单位能耗，kWh/m3；N为截割功率，kW。

以中国煤炭科工集团有限公司生产的掘锚一体机JM340D 和综掘机EBZ160TY 为例（参数见表1），按煤或软半煤岩时Hw=0.5～1.0 kWh/m3，2 种掘进机的最小截割功率分别为61、254 kW。

表1 2种掘进机相关技术参数Table 1 Relevant technical parameters of two kinds of roadheaders

通常矿井下反射槽波超前探测时采用的200 g 乳化炸药的爆炸功率约为1.0×105kW，释放总能量为0.23 kW·h，与上述2 种掘进机相差分别约为1 600 倍和400 倍。在不考虑做功效率时，掘进机震源分别需要连续做功16 s 和4 s，才能通过能量叠加达到与200 g炸药持平的能量输出。实际生产中由于噪声的存在，在随掘地震中，信号的质量往往以信噪比进行评价。根据叠加次数和信噪比的关系，要达到1 600 倍和400 倍信噪比的提升，分别需要1 6002次和4002次叠加，也即要求掘进机连续做功162=256 s 和42=16 s。以目前掘进速度最快0.3 m/min，掘进机震源移动距离约为1 m 和0.1 m，都远小于地震波波长，可以将其当作点震源。因此，从震源能量角度看，掘进机震源满足地震超前探测的能量要求。

以上分析也可以看出，相同的时间内，掘进机截割功率越小，产生的振动信号信噪比越低，反之越高。掘锚机由于截割头尺寸较大，单位时间内割煤量较大，有较大的输出功率，因而更适合于随掘地震。

1.3 掘进机震源频率

从掘进机震源的角度分析震源激发频率时，最直接的方式是测量震源截割头附近煤层振动频率，但实际生产中由于安全性问题，无法做到直接测量。由于煤层的振动是由截割头的震动引起，因此，截割头的震动频率可用来分析煤层的振动频率。黄民等[14]测试了AM50 型掘进机截割人工煤壁时的震动，并得到一组三向工作载荷谱（图3），结果显示，Y和Z方向较X方向能量更大，频谱集中分布在250 Hz 以下，峰值频率位于50 Hz 左右。这一频率分布特征与地震波有效频带分布特征一致，由此说明掘进机震源的频率响应特征也符合地震勘探要求。

图3 掘进机截割人工煤壁时的三向工作载荷谱[14]Fig.3 Three dimensional working load spectrum when cutting artificial coal wall by roadheaders[14]

2 随掘地震波场特征

前一节对掘进机震源特征进行了分析，下面将分别利用理论模拟数据和实际随掘数据对掘进机震源所激发的波场特征进行分析。

2.1 数值模拟波场特征

在前一节中讨论过掘进机截割煤壁时工作面的受力情况，在地震波激发理论中，震源对介质的作用力不同，激发的地震波特征也不相同。为了解随掘地震震源机制对地震波场特征的影响，设计如图4 所示的三维地质模型：模型大小为700 m×400 m×130 m，层数为3 层，中间为煤层，厚度为5 m，各层的介质参数见表2；煤层内300 m 位置有一个倾向90o，走向90o的断层，断距为3 m；网格尺寸为1 m×1 m×1 m，巷道5 m×5 m；接收点在巷道一侧沿X方向等间隔布设28 道，道距为10 m，首道距工作面17 m。

图4 三维地质模型Fig.4 3D geologic model

表2 各层介质参数Table 2 Medium parameters of each layer

采用高阶有限差分进行模拟，选取50～150 Hz 的带通子波，时间采样间隔为0.05 ms。分别模拟炸药震源、纵轴式掘进机和横轴式掘进机震源，模拟这3 种震源产生的地震信号，由布置在巷道的检波器接收信号。模拟记录如图5 所示。

由图5 可知，在直达纵波所在的X分量上，掘进机震源相比于炸药震源激发的波场中横波能量明显强于纵波能量，同时槽波发育也更明显，这表明掘进机由于截割时的旋转力矩产生的剪切作用更容易产生横波波场；不论是哪一种震源，每种波场都可以看到前方断层对应的反射波波场，表明这两种震源都可以用于进行超前探测。

对比图5b 和图5c，两者在三个分量上均无明显差别，表明无论是纵轴式掘进机还是横轴式掘进机，所产生地震波在波场特征上基本是一致的。X分量既有直达纵波，也有直达SV 型横波，还有瑞雷槽波；Y分量仅有Love 槽波，SH 型横波不明显；Z分量有直达SV型横波和瑞雷槽波。这表明如果随掘地震采用槽波进行探测，则Y分量是不错的选择，其波场单一，其他波场的干扰更小。但实际中由于前方断层走向问题，需同时安装X和Y两个水平分量，处理时还需要进行两分量旋转，以提取单一振型的槽波波场；如果采用横波探测，则Z分量更适合一些，这是由于Z分量仅有横波和瑞雷槽波，利用两种波场频谱的差异，简单通过带通滤波即可提取所需要的横波波场。同时不论是哪一种走向的断层，其反射SV 型横波均会在Z分量上被记录，而无需安装双分量检波器，有效降低井下设备数量和地面软件系统的数据量和计算量。

2.2 实际数据波场特征

以上从理论模拟记录的角度分析了炸药震源和两种掘进机震源激发的地震记录的波场特征差异。在实际生产中的地震记录相比于理论模拟记录更加复杂。为了解实际情况下两种震源激发地震波场的特征，在某5 m 煤厚的掘进工作面布设了数据采集系统。具体情况如下：在掘进工作面后方60 m 开始布设19 个三分量地震检波器（巷道走向为X，垂直巷道走向的方向为Y，竖直方向为Z），间距10 m；掘进机型号为EBZ160TY，参数见表1，截割头为纵轴式；炸药震源位置位于首道检波器前方5 m 处，药量200 g；随掘地震记录通过选取第一道作为参考信号，再利用反褶积干涉提取有效信号，连续掘进段时长40 min。最终得到的炸药震源地震记录和随掘地震记录分别如图6 和图7 所示。

在图6 的三分量记录中，X分量和Z分量记录的波场特征非常相似，直达纵波能量很弱，初至起跳不明显；Y分量上直达纵波几乎看不到，但直达Love 型槽波埃里相非常清晰，低频滤波后可看到有明显的直达SH 型横波。与图5a 理论模拟记录相比，实际记录在XZ分量上没有明显的直达SV 型横波，这可能与瑞雷型槽波发育有关。

在图7 的三分量记录中，3 个分量均可以明显地看到槽波波场，X分量有微弱的纵波波场；Y分量Love 型槽波非常明显，且比XZ分量的瑞雷型槽波的相位连续性更好，波场相对更干净。利用低通滤波压制槽波后显示，在Y分量和Z分量有相位连续的直达横波波场。但2 种横波速度差异明显，Y分量SH 型横波速度约为2 100 m/s，而Z分量的SV 型横波速度约为1 600 m/s，这可能是由煤层各向异性引起的。其次，与图5b 和图5c 的理论模拟记录相比，实际记录波形特征较紊乱，可能是煤体破裂引起的震动所产生的地震波干扰导致。

图5 3 种震源模拟的三分量波场Fig.5 Three component wave fields simulated by three sources

对比图6 和图7，大部分波场特征非常一致，主要差别是炸药震源记录的频谱宽度更宽，可以显示出槽波波场的埃里相部分，而掘进机震源记录的频谱则集中在70 Hz 以下。

图6 炸药震源三分量记录（AGC 参数100 ms）Fig.6 Three component records of the explosive source（AGC parameter 100 ms）

图7 掘进机震源三分量记录（AGC 参数100 ms）Fig.7 Three component records of the roadheader source（AGC parameter 100 ms）

经上分析，可得到与前一节相同的结论，即掘进机震源波场同样适合使用槽波和横波进行超前探测；在进行反射波探测时，同样采用Z分量可以在相同设备量情况下覆盖各种走向的反射面。

3 随掘地震探测性能分析

掘进机震源激发的地震波波场特征显示出，掘进机震源波场特征与炸药震源波场特征基本一致（70 Hz 以下部分），但两者最大的差别在于激发能量的大小，而激发能量最终影响到的是探测距离和探测精度。下面将利用实测数据分析掘进机震源和炸药震源的能量差异，并分析随掘地震增大传播距离和提高精度的策略，最终得到随掘地震的探测性能。

3.1 单次震动传播距离

利用前一节中的实际炸药震源数据计算得到记录随炮检距变化的信噪比：将初至之前1 s 作为背景噪声段，而在初至起跳开始选定其后300 ms 作为有效信号段，噪声段计算平均绝对振幅值An，有效信号段内取最大绝对振幅值As，依据Rsn=20·lg计算信噪比Rsn。

掘进机震源的信噪比计算如下：将掘进前5 s作为背景噪声段，在掘进开始后5 s 作为有效掘进信号，两个时间段分别计算出平均绝对振幅值Anoise和Asignal。

计算结果如图8 所示，对比可得出如下认识：两种震源的信噪比均随着传播距离的增加呈线性降低。这可能是因为槽波占主要能量，所以信号的衰减主要由槽波的柱面扩散产生；炸药震源的信噪比大约是掘进机震源信噪比的8 倍；炸药震源传播200 m 后，信噪比从110 dB 降低到70 dB 左右，掘进机震源则在传播200 m 后信噪比已经基本降低为0 dB，表明其信号能量已经小于噪声能量；不论是掘进机震源还是炸药震源，Y分量信噪比明显好于X分量和Z分量。

图8 炸药震源和掘进机震源信噪比与传播距离曲线Fig.8 Curves of the signal-to-noise ratio and propagation distance of the explosive source and roadheader source

由以上分析的结果，同时考虑到掘进机与首道接收点60 m 距离可知，掘进机震源信号的传播距离在250 m 左右，250 m 后掘进机信号能量将小于背景声能量。

3.2 连续震动传播距离

250 m 的传播距离仅仅是掘进机震动一次得到的结果，实际中掘进机震源是连续、长时间震动的，线性时不变系统的叠加性可使得地震波波场能够进行叠加，有效降低背景噪声，提高信噪比，从而拓展信号的传输距离。

按20 m 地震波长计算，采煤机40 min 内进尺2 m，远小于地震波长，可认为采煤机震源在该段时间内为点震源。从采煤机开始震动起，以分钟为时间单位进行有效信号地震干涉提取，并叠加形成，得到的记录如图9 所示。

将图9 中取第20 道（据工作面250 m）进行分析（图10），横轴为叠加时间，可以看出叠加时间越长，提取记录中噪声明显越弱。利用振幅绝对值最大值和400～500 ms 之间的绝对值平均振幅值计算信噪比，得到信噪比随叠加时间的变化曲线如图11 所示。50 Hz 以上信噪比从1 min 的18 dB 开始，按函数随着叠加时间t的增加而增加，叠加时间为40 min 时信噪比达到34 dB，提升为原来的近1.9 倍；50 Hz 以下信噪比从24 dB 开始，同样按形式递增，40 min 时达到40 dB，提升至1.7 倍。

图9 不同叠加时间得到的地震干涉炮集Fig.9 Seismic interference shot sets obtained at different stacking times

利用图10 最右边40 min 干涉记录，可分别计算出50 Hz 以下和50 Hz 以上的信噪比随传播距离变化的变化曲线（图12）。可看出50 Hz 以下，200 m 内从45 dB 衰减到30 dB，而50 Hz 以上则从68 Hz 衰减到30 dB 左右。

图10 不同叠加时间地震干涉得到的记录Fig.10 Records obtained by seismic interference at different stacking times

由此根据图11 和图12，可按衰减速度大致计算出1 min 记录中50 Hz 以下的传播距离，以及50 Hz以上传播距离分别为570 m 和345 m（包括第20 道距工作面250 m 距离），经过40 min 连续震动能量叠加后传播距离分别为780 m 和430 m。

图11 信噪比随叠加时间变化曲线Fig.11 Variation curves of the signal-to-noise ratio with stacking time

图12 地震干涉炮集的信噪比随传播距离变化曲线Fig.12 Variation curve of the signal-to-noise ratio of the seismic interference shot set with propagation distance

50 Hz 通常是矿井地震勘探中20 m 下煤层中槽波和体波的频率分界，50 Hz 以上槽波占优势，50 Hz以下体波占优势。所以可以认为：随掘地震掘进机震源信号体波传播距离可达到780 m，槽波传播距离可达到430 m。超前探测时考虑到反射系数（小于0.4），随掘地震超前探测距离：槽波172 m，体波312 m，体波探测距是槽波的2 倍左右。

上述分析仅是估算，可供参考，实际应用时探测距离受煤岩物性、掘进机信号、反射介质物性、反射角度以及掘进速度等影响。

3.3 探测准确率

前面通过数据分析讨论，得出了随掘地震超前探测的距离。实际应用时除了探测距离，探测准确率也是关键参数之一。探测准确率通常受成像剖面信噪比影响，假象会降低探测准确率，造成误报漏报等。随掘地震的探测目标是掘进巷道工作面前方的隐蔽地质体，这种地质构造在空间上是静止不动的，因而,对地质体的成像具有叠加性。常规的地震超前探测属于一次性探测。而在随掘地震中，按312 m 探测距离，每掘进2 m 等同于常规一次照明，则在连续监测过程中可以照明16 次，通过叠加可使成像信噪比提高4 倍；同时震源分布在目标体前方312 m 范围内，分布范围更宽，可有效提高地质体的成像精度。这也说明随掘地震在探测准确率方面优于常规一次性地震探测。

图13 为在某掘进工作面进行的随掘地震探测成像结果，跟踪探测10 d，跟踪时间段内掘进进尺105 m，共计获取炮集24 个，经多次叠加成像获得掘进工作面前方的构造成像结果。图13a 为单次叠加，图13b 为10 天内所有24 个炮集叠加成像结果。对比发现：单次成像时工作面前方与巷道呈70°角、断距32 m 的断层（三维地震解释）的成像呈弧状，无法有效识别出断层走向。但通过连续跟踪探测10 天后得到的图13b显示出，断层走向可被准确识别，与三维解释结果有很好的一致性；同时该断层左侧仍存在很多较小断层，这些断层在掘进过程中被揭露。该次实验表明，跟踪探测对异常构造具有更好的成像精度，能更准确地刻画断层等构造的空间形态。