煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述

程建遠(yuǎn)，覃 思，陸 斌，王保利，王 季，王云宏

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“采煤工作面隨采地震探測(cè)技術(shù)專(zhuān)題” 編者按煤礦開(kāi)采正從自動(dòng)化向智能化發(fā)展，煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、精細(xì)探測(cè)回采工作面內(nèi)斷層、陷落柱、薄煤帶等靜態(tài)地質(zhì)條件以及頂板破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)、突出危險(xiǎn)區(qū)等動(dòng)態(tài)災(zāi)變信息，為智能工作面地質(zhì)透明化提供數(shù)據(jù)支撐。依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFC0807804)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2012M511967)和中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金(2018XAYZD02)等項(xiàng)目，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司持續(xù)開(kāi)展了隨采地震探測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)研究工作。本刊設(shè)立“采煤工作面隨采地震探測(cè)技術(shù)”專(zhuān)題，從數(shù)據(jù)采集、軟件設(shè)計(jì)、理論方法等方面集中報(bào)道在該領(lǐng)域所取得的科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的交流與傳播。感謝王保利副研究員在專(zhuān)題組稿、撰稿等方面給予的支持與幫助！

煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述

程建遠(yuǎn)，覃 思，陸 斌，王保利，王 季，王云宏

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下地震勘探的炸藥震源受火工品管控影響大，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警；隨采地震是以采煤機(jī)為震源的地震探測(cè)新技術(shù)。本文回顧了國(guó)內(nèi)外隨采地震技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了隨采地震的方法原理和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并開(kāi)展了一些先導(dǎo)性的試驗(yàn)研究利用。結(jié)果表明：采煤機(jī)震源具有激發(fā)能量強(qiáng)、頻帶寬、安全綠色經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)等特點(diǎn)，可以作為隨采地震探測(cè)的被動(dòng)震源；采煤機(jī)震源與炸藥震源的地震炮集記錄接近，后者單炮信噪比相對(duì)較高；隨采地震數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理等關(guān)鍵技術(shù)急需協(xié)同攻關(guān)。盡管隨采地震尚處于試驗(yàn)研究階段，但是它將成為未來(lái)透明工作面三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模、開(kāi)采動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等重要手段，代表了今后煤礦智能探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

隨采地震；可控震源；采煤機(jī)震源；隨采地震大數(shù)據(jù)；智能開(kāi)采

隨著煤礦安全高效集約化生產(chǎn)模式的推廣和無(wú)人化、智能化開(kāi)采時(shí)代的到來(lái)，煤礦采煤工作面要求超前查明影響回采的小構(gòu)造、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素以及實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)透明化的需求日趨強(qiáng)烈[1]。煤礦采區(qū)三維地震經(jīng)過(guò)幾次技術(shù)飛躍，已經(jīng)成為煤礦開(kāi)采地質(zhì)條件采前地面探測(cè)的首選技術(shù)，但是隨著開(kāi)采深度的加大，三維地震的分辨率難以滿足要求[2]。近年來(lái)，煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)在采煤工作面內(nèi)小斷層、陷落柱、煤層變薄區(qū)等超前探測(cè)上取得了顯著的成效，并在全國(guó)得到應(yīng)用[3-5]。煤礦井下槽波地震仍以人工打孔、炸藥激發(fā)的方式施工，按照“一炮三檢”和“三人連鎖放炮制”要求作業(yè)，井下工作量較大[6]，而且一些大型煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)了綜采綜掘全部機(jī)械化而不再使用炸藥；煤礦采煤工作面智能化開(kāi)采要求能夠超前查明影響采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高的“亞米級(jí)”的地質(zhì)變化[7]和在煤礦開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警等[8]，這些都是目前常規(guī)礦井物探方法一次性靜態(tài)探測(cè)所難以解決的難題。

隨著隨鉆地震[9]、槽波地震[10]、微震監(jiān)測(cè)[11]、可控震源獨(dú)立同步掃描[12]等地震勘探新技術(shù)的迅速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)的異軍突起，2011年筆者提出了煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)的構(gòu)想[13]，在中國(guó)博士后科學(xué)基金、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科研項(xiàng)目等支持下，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司物探研發(fā)團(tuán)隊(duì)持續(xù)開(kāi)展了隨采地震探測(cè)技術(shù)的先導(dǎo)性研究和初步的試驗(yàn)研究工作。本文將從煤礦井下隨采地震技術(shù)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、先導(dǎo)性試驗(yàn)以及關(guān)鍵技術(shù)等方面，對(duì)隨采地震探測(cè)技術(shù)進(jìn)行階段性的回顧、總結(jié)與展望。

1 隨采地震的研究現(xiàn)狀

煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)(Seismic While Mining，簡(jiǎn)稱(chēng)SWM)是指利用采煤機(jī)截割煤壁時(shí)所誘發(fā)的震動(dòng)作為被動(dòng)地震震源，實(shí)現(xiàn)采煤工作面內(nèi)部斷層、陷落柱、煤層變薄區(qū)等靜態(tài)地質(zhì)條件精細(xì)探測(cè)以及頂板破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)、突出危險(xiǎn)區(qū)等動(dòng)態(tài)災(zāi)變條件監(jiān)測(cè)預(yù)警的新技術(shù)。

1.1 國(guó)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

1980年，D. J. Buchanan等提出利用采煤機(jī)切割煤壁的震動(dòng)作為震源以探測(cè)煤層中斷層的思路，但該研究受試驗(yàn)條件限制未能深入下去[14]；1996年，E. C. Westman等嘗試以采煤機(jī)為震源，研究采煤工作面前方頂板的應(yīng)力狀況，但由于當(dāng)時(shí)無(wú)法對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，導(dǎo)致成像質(zhì)量欠佳而終止研究[15]；2001年，N. Taylor等把掘進(jìn)機(jī)作為震源，進(jìn)行掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)條件的超前探測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到了疊加剖面，但其成像結(jié)果未取得后續(xù)驗(yàn)證結(jié)果[16]；2002年，L. Petronio等以隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)做震源，進(jìn)行了隧道隨掘地震探測(cè)，取得了初步的試驗(yàn)效果[17]；2006年，F(xiàn). Poletto等進(jìn)一步提出了利用隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)透過(guò)山體的透射波來(lái)構(gòu)建等效反射地震剖面的方法[18]；2009年，L. Xun等將采煤機(jī)作為震源，預(yù)測(cè)采煤工作面前方煤層頂板巖石的應(yīng)力狀況，并對(duì)一個(gè)三角區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了速度層析成像[19]；2008年，E. C. Hauser等提出了利用井下采煤機(jī)的振動(dòng)作為地震激發(fā)震源、在地面與孔中布設(shè)檢波器接收地震信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面前方老空區(qū)的探測(cè)，并開(kāi)展了試驗(yàn)工作與鉆探驗(yàn)證，取得了可喜的效果[20]；2009年，K. Andrew采用隨采地震層析成像的方法預(yù)測(cè)礦山壓力，其測(cè)試結(jié)果與理論上礦山壓力的分布規(guī)律基本相符[21]。近年來(lái)，由于西方國(guó)家能源政策的轉(zhuǎn)變，德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等陸續(xù)關(guān)閉了煤礦，以采掘機(jī)械為震源進(jìn)行隨采地震研究的報(bào)道很少。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)研究現(xiàn)狀

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了一些被動(dòng)地震探測(cè)技術(shù)的研究工作[22-24]。在煤炭地震勘探領(lǐng)域，2008年，唐德林等利用SCHRAMM鉆機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)大振動(dòng)作為被動(dòng)震源，開(kāi)展了地面隨鉆地震探測(cè)陷落柱的試驗(yàn)，初步證實(shí)了隨鉆地震的可行性[25]；2013年，陸斌等對(duì)采煤機(jī)震源的地震波場(chǎng)、震源特征等進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)觀測(cè)，認(rèn)為采煤機(jī)可以作為煤礦井下地震勘探的震源[26]；2015年，覃思等以掘進(jìn)機(jī)作為震源，開(kāi)展了隨掘地震反射試驗(yàn)，成功提取了來(lái)自巷道的反射波[27]；2014—2015年，程久龍等以煤礦井下掘進(jìn)機(jī)作為被動(dòng)地震震源，開(kāi)展了隨掘地震超前探測(cè)理論探討與數(shù)據(jù)處理方法研究[28]。2015年，覃思開(kāi)展了采煤機(jī)割煤、地面接收與井下放炮、地面接收的對(duì)比試驗(yàn)，得出了采煤機(jī)震源的信號(hào)與炸藥震源信號(hào)接近的結(jié)論[29]；同年，陸斌研究了基于地震干涉的回采工作面隨采地震成像方法[30]。

總之，國(guó)內(nèi)外以采煤機(jī)或掘進(jìn)機(jī)為震源的相關(guān)研究工作偏少，煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)是一個(gè)處于學(xué)科前沿的研究方向。

2 隨采地震的基本原理

2.1 隨采地震的震源

常規(guī)的地震勘探分為數(shù)據(jù)采集、資料處理和地質(zhì)解釋三個(gè)階段，其中數(shù)據(jù)采集工作包括地震波的激發(fā)、接收和儀器記錄，而地震波的激發(fā)震源又分為主動(dòng)震源和被動(dòng)震源，主動(dòng)震源是人工自主選用的地震激發(fā)震源，如炸藥、重錘、電火花、空氣槍、可控震源等；而被動(dòng)震源是人工無(wú)法控制的地震震源，它包括自然界存在的各種波動(dòng)(如風(fēng)吹草動(dòng))、人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)誘發(fā)的震動(dòng)等(如車(chē)輛行駛、鉆探、采礦機(jī)械、巖移變形、水力壓裂、礦震、突出、微震)。

煤礦井下采掘活動(dòng)空間中存在大量的被動(dòng)地震震源，其中包括：a. 煤礦井下的采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶、鉆機(jī)、水泵、風(fēng)筒等，這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)沿空氣、煤壁、煤巖等介質(zhì)的傳播，就會(huì)形成不同類(lèi)型的地震波；b.煤層開(kāi)采后頂板“三帶”與底板“兩帶”發(fā)育過(guò)程中，巖石破裂的瞬態(tài)過(guò)程可以作為地震震源；c.綜采放頂煤開(kāi)采時(shí)，液壓支架后端頂煤下落沖擊底板可以形成穩(wěn)定的沖擊性震源；d.由于應(yīng)力變化導(dǎo)致的煤炮、巖爆、沖擊地壓等，可以作為地震震源。

本文重點(diǎn)討論以采煤機(jī)割煤過(guò)程誘發(fā)的連續(xù)振動(dòng)作為被動(dòng)震源，開(kāi)展隨采地震探測(cè)的原理方法、關(guān)鍵技術(shù)等。

2.2 隨采地震的方法

隨采地震探測(cè)技術(shù)是一種基于采煤機(jī)連續(xù)割煤的被動(dòng)地震探測(cè)技術(shù)。除了以采煤機(jī)的截割震動(dòng)作為地震激發(fā)震源這一特殊性之外，隨采地震勘探的方法原理與常規(guī)地震勘探是相同的。在地震勘探的震源方面，隨采地震與基于可控震源的人工地震勘探有一定的類(lèi)似之處。地面可控震源在一個(gè)激振點(diǎn)(即炮點(diǎn))上持續(xù)振動(dòng)時(shí)間8~16 s；在炮點(diǎn)上激振結(jié)束后，相關(guān)疊加器便將采集的地下長(zhǎng)時(shí)連續(xù)地震信號(hào)與可控震源發(fā)出的已知掃描信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，相關(guān)結(jié)果成為這一“炮”的記錄。隨采地震的震源是采煤機(jī)長(zhǎng)時(shí)間“激發(fā)”的連續(xù)信號(hào)，如果能夠?qū)崟r(shí)獲取采煤機(jī)附近的近源子波信號(hào)，將回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道中實(shí)際記錄的長(zhǎng)時(shí)連續(xù)地震信號(hào)，與同一時(shí)段采煤機(jī)的近源子波信號(hào)相關(guān)，就可以利用人工可控震源的相關(guān)器原理，對(duì)隨采地震采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到類(lèi)似于常規(guī)地震的“脈沖”震源記錄。

圖1給出了可控震源連續(xù)掃描信號(hào)在經(jīng)過(guò)相關(guān)后獲取地下反射記錄的示意圖，圖1 中a為可控震源的子波信號(hào)， b、c、d分別為可控震源信號(hào)傳播到界面R1、R2、R3時(shí)的反射地震信號(hào)，e是b、c和d三者的疊加信號(hào)，f為e與可控震源的已知子波a經(jīng)過(guò)互相關(guān)后獲得的、來(lái)自R1、R2和R3三個(gè)地下界面的反射信號(hào)。

圖1 可控震源工作原理示意圖

因此，只要設(shè)計(jì)合理的隨采地震數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)接收采煤機(jī)被動(dòng)震源附近的地震子波和遠(yuǎn)場(chǎng)地震信號(hào)，就有可能通過(guò)類(lèi)似于可控震源數(shù)據(jù)信號(hào)處理的手段，經(jīng)過(guò)相關(guān)處理獲得類(lèi)似于炸藥激發(fā)的地震單炮記錄，從而把隨采地震探測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)換為常規(guī)地震勘探的范疇；在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展后續(xù)地震資料處理與解釋工作，就可以借用常規(guī)地震勘探的方法技術(shù)和工作流程。

2.3 隨采地震的優(yōu)勢(shì)

隨采地震是一種被動(dòng)地震探測(cè)技術(shù)，其突出的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①擺脫了井下地震勘探對(duì)炸藥的依賴(lài)；②避免了井下地震勘探需要停止采掘作業(yè)的困擾；③可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)，獲取海量數(shù)據(jù)信息；④采煤機(jī)震源具有安全、綠色、低成本、無(wú)污染、可重復(fù)利用等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

3 隨采地震的試驗(yàn)研究

3.1 采煤機(jī)振動(dòng)信號(hào)的特征分析

(a) 激發(fā)能量

炸藥震源具有頻譜豐富、能量較強(qiáng)、一致性好等優(yōu)勢(shì)，是最為常用的地震勘探震源。但是，炸藥震源激發(fā)時(shí)90%的能量被燃燒、僅有3%的能量轉(zhuǎn)換為地震波，而且炸藥震源激發(fā)存在打孔工作量大、環(huán)境影響大、安全系數(shù)低等缺點(diǎn)。

隨采地震的震源是基于采煤機(jī)的被動(dòng)地震震源，采煤機(jī)震源為一個(gè)連續(xù)震動(dòng)、非人為主觀愿望可以直接控制的被動(dòng)震源。采煤機(jī)截割煤壁所誘發(fā)的振動(dòng)可否作為地震勘探的震源，取決于其是否符合地震勘探震源的要求：①激發(fā)能量足夠強(qiáng)，地震有效波的信噪比高；②震源激發(fā)的地震波頻率高、頻帶寬，其自相關(guān)信號(hào)的主峰突出、旁瓣窄；③震源可以高效激發(fā)、重復(fù)利用；④震源安全可靠、低成本、綠色環(huán)保等。顯然，如果采煤機(jī)適于作為煤礦井下地震勘探的震源，則其完全滿足上述震源的③、④要求。因此，采煤機(jī)是否適于作為隨采地震的震源，則主要取決于采煤機(jī)截割煤壁誘發(fā)的地震波能量是否足夠強(qiáng)、頻帶是否足夠?qū)挼取?/p>

圖2給出了某礦井下采煤機(jī)割煤過(guò)程中在地面接收到的隨采地震記錄。該試驗(yàn)點(diǎn)上采煤機(jī)距離地面接收點(diǎn)的垂直距離約120 m，地表為約5 m厚的風(fēng)積沙層，其下是46 m厚的松散層，對(duì)地震波的吸收衰減較強(qiáng)；基巖面以下為9 m的泥巖層、48 m的砂巖層，目標(biāo)煤層厚度6.0 m左右?？梢钥闯觯簣D2在0~2.6 min和3.1~5.4 min兩個(gè)時(shí)段，地面檢波器接收的信號(hào)較強(qiáng)，期間的個(gè)別尖脈沖信號(hào)為微震事件；在2.6~3.1 min時(shí)段為采煤機(jī)停歇時(shí)間，可以將其視為背景信息。另外，在該礦井下采煤工作面以采煤機(jī)割煤為被動(dòng)震源，從切眼出發(fā)沿回風(fēng)順槽布設(shè)檢波器，最大排列長(zhǎng)度750 m，能夠清晰地接收到采煤機(jī)誘發(fā)的地震信號(hào)。由此不難看出：相對(duì)于背景噪聲而言，采煤機(jī)割煤誘發(fā)的振動(dòng)信號(hào)信噪比高，初步說(shuō)明采煤機(jī)作為被動(dòng)震源的能量是足夠的。

圖2 井下采煤、地面接收的隨采地震記錄

K. Andrew等在澳大利亞某礦開(kāi)展了采煤機(jī)震源激發(fā)的地震信號(hào)頻帶寬度的測(cè)試。采煤機(jī)滾筒直徑2 m、厚度1 m，在采煤機(jī)前刀面有21個(gè)截齒(圖3)；采煤機(jī)滾筒以40 rpm轉(zhuǎn)速截割煤巖，相當(dāng)于滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)速度為40 rpm×2×π×1 m/60 s=4.19 m/s、每秒有40 rpm×21個(gè)/60 s=14 個(gè)/s的截齒在切割煤塊。采煤機(jī)在切眼割煤時(shí)，沿運(yùn)輸順槽布設(shè)了10個(gè)檢波器，其與切眼的垂直距離分布在141~317 m，圖3是這10個(gè)檢波器實(shí)際記錄的采煤機(jī)振動(dòng)信號(hào)的能量和頻譜(FFT)。可以看到：100 Hz以下信號(hào)最強(qiáng)，250~300 Hz的信號(hào)較強(qiáng)；檢波器距離采煤機(jī)越遠(yuǎn)，高頻衰減越大。另外，一個(gè)顯著特征是頻譜峰值周期間隔約9 Hz，估計(jì)這與采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)周期有關(guān)。由此可見(jiàn)，采煤機(jī)截割煤層誘發(fā)的振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)連續(xù)、高頻、寬帶、強(qiáng)能量的地震信號(hào)，符合作為地震勘探震源的充要條件。

圖3 采煤機(jī)(a)和檢波器與采煤機(jī)不同距離的信號(hào)頻譜(b)(引自K. Andrew[21])

3.2 采煤機(jī)震源與炸藥震源的對(duì)比

隨采地震的特殊性在于該技術(shù)試圖在煤礦井下以采煤機(jī)震源代替炸藥震源。為了進(jìn)一步評(píng)估隨采地震技術(shù)處理的剖面與放炮震源的差異，需要對(duì)比在相同條件下兩種不同震源采集到的數(shù)據(jù)。為此，開(kāi)展了某礦井下放炮、地面接收(圖4a)與井下采煤(放炮點(diǎn)附近)、地面同一位置接收的對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)連續(xù)振動(dòng)信號(hào)處理后，取得了可以與井下放炮記錄相比擬的隨采地震記錄(圖4b)。對(duì)比分析可以看出：無(wú)論是在切眼煤層中放炮還是同一位置采煤所獲的地震記錄，均在地面記錄到透射波，波至清晰可辨，能量較強(qiáng)，且續(xù)至波的可辨識(shí)程度接近。這說(shuō)明在采煤機(jī)附近布設(shè)檢波器采集源場(chǎng)信號(hào)，與遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)相關(guān)，能獲得與炸藥震源相似的虛擬地震記錄；同時(shí)可以看到：炸藥震源激發(fā)的地震記錄信噪比明顯高于隨采地震的單炮記錄(這可能與隨采地震數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)長(zhǎng)參數(shù)有關(guān))。

圖4 井下放炮、地面接收(a)與井下采煤、地面接收的相關(guān)記錄(b)

3.3 陷落柱的隨采地震探測(cè)試驗(yàn)

某礦41108采煤工作面回采時(shí)切眼遇到陷落柱，急需對(duì)未采區(qū)域內(nèi)是否存在隱伏陷落柱進(jìn)行超前探查，41108工作面傾向?qū)挾?04 m、走向長(zhǎng)度剩余508 m，煤層平均厚度10.60 m，煤層傾角0°~7°，平均5°，煤質(zhì)較硬，槽波發(fā)育條件良好。為了進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，該工作面同時(shí)采用常規(guī)槽波地震透視和隨采槽波地震透視兩種手段。采用炸藥震源進(jìn)行槽波透視時(shí)，綜合利用了回風(fēng)、運(yùn)輸巷道和切眼的“U”型巷道，射線密度較高且均勻；采用隨采地震進(jìn)行槽波透視時(shí)，僅僅利用切眼和回風(fēng)巷道的“L”排列，其射線密度相對(duì)稀疏。

為了測(cè)試隨采地震對(duì)工作面內(nèi)陷落柱的探測(cè)效果，試驗(yàn)設(shè)計(jì)39道接收、道距10 m、回風(fēng)巷道接收的觀測(cè)系統(tǒng)(圖5a)，采樣率為0.5 ms，記錄時(shí)間長(zhǎng)度6 h；采煤機(jī)前后滾筒中心距離14 m、滾筒直徑2.5 m。圖5b是試驗(yàn)采集到的長(zhǎng)度為5 min的隨采地震數(shù)據(jù)，此時(shí)采煤機(jī)距離運(yùn)輸巷約82 m、距離回風(fēng)巷道約122 m，震源能量很強(qiáng)，可以看出采煤機(jī)開(kāi)始工作和停止工作時(shí)的數(shù)據(jù)能量差異非常明顯；以第一道作為參考道，將隨采地震數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)，獲得圖5c所示的隨采地震虛擬炮集記錄，其中陷落柱與正常道之間的能量差異也較為明顯。

圖5d為基于隨采地震探測(cè)的槽波透視成像結(jié)果，在工作面前方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑22~27 m的隱伏陷落柱，后經(jīng)井下鉆探與回采工作證實(shí)。

圖 5 陷落柱的隨采地震探測(cè)示意圖

4 隨采地震的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采煤機(jī)震源的地震數(shù)值模擬

所謂地震數(shù)值模擬就是在假定地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和相應(yīng)物理參數(shù)已知的情況下，模擬研究地震波在地下各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律，并計(jì)算在地面或地下各觀測(cè)點(diǎn)所應(yīng)觀測(cè)到的數(shù)字地震記錄的一種計(jì)算機(jī)仿真方法。地震數(shù)值模擬是研究復(fù)雜地震波場(chǎng)的重要工具，也是研究構(gòu)造、物性和巖性等各種地質(zhì)因素與地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征之間關(guān)系的一門(mén)技術(shù)，是認(rèn)識(shí)地震波傳播規(guī)律和檢驗(yàn)各種方法技術(shù)應(yīng)用效果的重要工具。

隨采地震是以采煤機(jī)震動(dòng)作為震源超前探測(cè)采煤工作面內(nèi)部的構(gòu)造、巖性、應(yīng)力等異常變化的方法，可以實(shí)時(shí)提供開(kāi)采前方的煤層地質(zhì)情況，目前仍處于試驗(yàn)研究階段，波的傳播機(jī)理與波場(chǎng)特征等尚不清楚，例如：以采煤機(jī)為震源誘發(fā)的振動(dòng)信息，是一個(gè)移動(dòng)震源激發(fā)的、連續(xù)傳播的地震波，其波場(chǎng)成分是以體波還是面波為主在體波類(lèi)型中，又是縱波還是橫波為主如果以橫波為主，其優(yōu)勢(shì)分量是SH波還是SV波等等。由于煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)是一個(gè)全新的技術(shù)方向，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較少，卻又具有很大的發(fā)展?jié)摿?。?duì)于上述問(wèn)題的研究，需要通過(guò)數(shù)值模擬的方法，從理論上厘清其波場(chǎng)傳播的機(jī)理與特征，為煤礦井下的實(shí)證研究和應(yīng)用研究指明方向。因此，有必要開(kāi)發(fā)適于煤礦井下隨采地震三維、三分量數(shù)值模擬的軟件，并開(kāi)展不同地質(zhì)模型的隨采地震數(shù)值模擬與分析。

4.2 采煤機(jī)震源結(jié)構(gòu)及信號(hào)特征

炸藥震源是一個(gè)瞬態(tài)的脈沖震源，起爆時(shí)間為微秒級(jí)、爆燃速度5 000~6 000 m/s、信號(hào)記錄時(shí)間為秒級(jí)，在如此短暫的時(shí)間內(nèi)炸藥震源就能夠向地下發(fā)射一個(gè)強(qiáng)能量、尖脈沖、寬頻帶的地震子波。為了逼近炸藥震源的激發(fā)效果，人工可控震源通過(guò)控制激振器的動(dòng)作、采用長(zhǎng)時(shí)(如幾十秒)升頻掃描的方式，最終形成一個(gè)頻率域?qū)掝l帶、時(shí)間域強(qiáng)能量、尖脈沖的地震子波信號(hào)。無(wú)論是采用線性掃描還是非線性掃描的方法，可控震源的激震信號(hào)都是經(jīng)過(guò)人工編碼的、有一定規(guī)則的信號(hào)序列，因此通過(guò)可控震源子波與各檢波器接收信號(hào)的互相關(guān)，可以取得類(lèi)似于脈沖狀炸藥震源激發(fā)的地震記錄。

采煤機(jī)震源是一個(gè)不等周期、斷續(xù)激發(fā)的震源，其激發(fā)信號(hào)具有能量強(qiáng)、頻帶寬等特點(diǎn)；采煤機(jī)震源具有炸藥震源的一些特點(diǎn)，例如以采煤機(jī)運(yùn)行速度6 m/min、滾筒轉(zhuǎn)速40 rpm、滾筒直徑2 m、滾筒厚度1 m、滾筒鑲有21個(gè)截齒、截齒間距31.40 cm來(lái)估算，假設(shè)隨采地震記錄的時(shí)間采樣間隔為0.5 ms，則在一個(gè)時(shí)間采樣間隔0.5 ms之內(nèi)，采煤機(jī)直線運(yùn)動(dòng)距離為0.05 mm、滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)周長(zhǎng)4.2 mm、約有5個(gè)截齒在側(cè)向割煤。按照這一測(cè)算結(jié)果，通過(guò)抽象、概化后可以把采煤機(jī)割煤抽象為一個(gè)連續(xù)脈沖震源的疊加效應(yīng)，即類(lèi)似于微差連續(xù)放炮或毫秒連續(xù)爆破的過(guò)程。由于采煤機(jī)震源兼具炸藥震源與可控震源的特點(diǎn)，其激發(fā)的信號(hào)一方面是不可控的，因?yàn)椴擅簷C(jī)運(yùn)行的速度、截齒的出力以及采煤停歇間隔是不規(guī)律的；另一方面，在某一特定煤礦的采煤機(jī)械、地質(zhì)條件、采煤班組等是相對(duì)穩(wěn)定的。從一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間上看，采煤機(jī)震源的活動(dòng)又是有一定的時(shí)空規(guī)律可循的。

正是由于采煤機(jī)震源信號(hào)的復(fù)雜性，急需開(kāi)展利用微積分方法對(duì)采煤機(jī)的震源特征加以理論描述，利用獨(dú)立成分分析、多域去噪等數(shù)學(xué)手段對(duì)采煤機(jī)信號(hào)加以提純，以及采煤機(jī)近場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)數(shù)傳等技術(shù)與裝備的研發(fā)等。

4.3 隨采地震大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理

為了開(kāi)展工作面透射槽波層析成像，煤礦井下采煤工作面隨采地震探測(cè)的觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該將工作面“圈”起來(lái)(圖6)，即在切眼、回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道和停采線附近以及停采線與切眼之間的地段，盡可能預(yù)先埋設(shè)檢波器，以實(shí)現(xiàn)全息數(shù)據(jù)采集。假設(shè)某工作面走向長(zhǎng)度1 000 m、傾向?qū)挾?00 m、工作面單刀切割時(shí)間2 h，按照20 m一個(gè)傳感器的密度布置，則需要安裝120個(gè)檢波器；隨采地震是采用連續(xù)監(jiān)測(cè)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的，如果按照120道接收、0.5 ms采樣，則每天隨采地震的數(shù)據(jù)量為120道×24 h/d× 3 600 s/h×1 000 ms/s×2 p/ms×4 b/p=82.944 Gb/d，折合工作面單刀截割2h的數(shù)據(jù)量為6.92 Gb、隨采地震數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾蕿?60 kb/s。如此海量的數(shù)據(jù)，無(wú)論對(duì)于煤礦井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，還是后臺(tái)集控中心的高速計(jì)算機(jī)運(yùn)算而言，都具有極大的挑戰(zhàn)。

圖6 隨采地震觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

只有廣泛汲取大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和智能開(kāi)采等領(lǐng)域的最新成果，隨采地震的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理以及智能地質(zhì)解釋才能走向成熟。

4.4 隨采地震與智能開(kāi)采的協(xié)同

隨采地震探測(cè)技術(shù)是以大數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)化處理和智能化解釋為基本特征，該技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)是為智能化、無(wú)人化開(kāi)采提供技術(shù)支撐的。隨采地震探測(cè)的目的是實(shí)現(xiàn)采煤工作面前方未采區(qū)域小斷層、陷落柱、煤層厚度等靜態(tài)地質(zhì)體的精細(xì)探測(cè)，為構(gòu)建采煤工作面動(dòng)態(tài)化、透明化的三維地質(zhì)模型提供可靠信息，這是不言而喻的；特別需要說(shuō)明的是：煤礦開(kāi)采過(guò)程中圍巖應(yīng)力不斷動(dòng)態(tài)變化，其開(kāi)采動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的超前監(jiān)測(cè)、預(yù)警一直是一個(gè)技術(shù)難題，如頂板錯(cuò)斷型沖擊地壓的防控、頂板異常支承應(yīng)力變化導(dǎo)致的壓架等監(jiān)測(cè)預(yù)警。因?yàn)椴擅夯顒?dòng)引發(fā)的開(kāi)采動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害，只有利用大數(shù)據(jù)分析、通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的方式才能夠解決，而這一點(diǎn)正是隨采地震探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，也是現(xiàn)有其它手段所無(wú)法比擬的。

今后，如果能夠把智能開(kāi)采工作面“三機(jī)”狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息、采煤機(jī)實(shí)時(shí)定位信息以及工作面視頻解譯信息等，及時(shí)提供給隨采地震系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨采地震與智能開(kāi)采信息的互聯(lián)、互通、互饋，就可以充分發(fā)揮隨采地震技術(shù)在靜態(tài)地質(zhì)體精細(xì)探測(cè)和災(zāi)變地質(zhì)體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為智能開(kāi)采工作面的地質(zhì)透明化和災(zāi)害預(yù)警提供依據(jù)，這也是實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采由“記憶截割”向“規(guī)劃截割”的關(guān)鍵技術(shù)。

5 隨采地震的發(fā)展前景

隨采地震探測(cè)技術(shù)是煤礦井下以采煤機(jī)為震源的被動(dòng)地震探測(cè)新技術(shù)，該技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)研究階段，尚有諸多技術(shù)難題需要攻關(guān)和突破。

應(yīng)該看到：我國(guó)煤礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從普通機(jī)械化、綜合機(jī)械化到自動(dòng)化的跨越，并開(kāi)始向智能化邁進(jìn)，將在2020年建成100個(gè)初級(jí)智能化示范煤礦，2025年基本實(shí)現(xiàn)全部大型煤礦智能化，到2035年全面建成以智慧煤礦為支撐的煤炭工業(yè)體系，“無(wú)人則安、少人則安、少時(shí)則安”的理念深入人心，煤礦少人化、無(wú)人化、智能化、智慧化建設(shè)成為大勢(shì)所趨，而煤礦工作面地質(zhì)透明化是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)與前提。因此不難預(yù)料：隨采地震探測(cè)技術(shù)發(fā)揮大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等與地球物理學(xué)科的交叉優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)透明工作面三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模、開(kāi)采動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等重要手段；隨采地震探測(cè)技術(shù)代表了今后煤礦智能探測(cè)、無(wú)人化探測(cè)的技術(shù)發(fā)展方向，可為煤礦安全高效綠色智能開(kāi)采的地質(zhì)保障提供技術(shù)支撐。

致謝：課題組的吳海、胡繼武、段建華、張慶慶、金丹、劉強(qiáng)、崔偉雄、王盼參與了文中的部分工作，在此一并致謝！

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The development of seismic-while-mining detection technology in underground coal mines

CHENG Jianyuan, QIN Si, LU Bin, WANG Baoli, WANG Ji, WANG Yunhong

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The explosive source of underground seismic exploration in coal mines is greatly affected by the control of pyrotechnics and cannot realize the monitoring and early warning of dynamic geological disasters in coal mining. Seismic-while-mining(SWM) is a new technique based on shearer as a seismic source underground. The paper reviewed the research status of SWM technique at home and abroad, introduced the SWM’s principle and its unique advantages. According to some pilot experiments of SWM, the results show that the shearer can be used as a seismic source because it has the character of strong excitation energy, wide frequency band, safety, green economy and repeatability, etc. The records of the shearer source and the explosive source are similar to each other, but the latter has higher S/N over the former. There is an urgent need of cooperation research in the key technologies such as seismic numerical simulation and big data dynamic processing. Although SWM is still in the experimental research stage, it will become an important means such as three-dimensional dynamic geological modeling for transparent working face, monitoring and warning of mining dynamic geological disaster, etc. This technology represents the development direction of intelligent detection technology of coal mine in the future.

seismic-while-mining(SWM); vibroseis; shearer source; big data of SWM; smart mining

China Postdoctoral Science Foudation(2012M511967)；National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)

程建遠(yuǎn)，1966年生，男，陜西乾縣人，博士生導(dǎo)師，研究員，從事物探技術(shù)與裝備研究工作. E-mail：cjy6608@163.com

程建遠(yuǎn)，覃思，陸斌，等. 煤礦井下隨采地震探測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述[J].煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：1–9.

CHENG Jianyuan，QIN Si，LU Bin，et al. The development of seismic-while-mining detection technology in underground coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：1–9.

1001-1986(2019)03-0001-09

P631；TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.001

2019-01-25

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2012M511967)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目([2018]3003-1)

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)