基于孔間地震細(xì)分動態(tài)探測的透明工作面方法

陸 斌

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基于孔間地震細(xì)分動態(tài)探測的透明工作面方法

陸 斌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

透明工作面是煤礦智能開采的重要組成部分，為智能開采提供工作面的詳細(xì)地質(zhì)構(gòu)造信息，提出一種基于孔間地震密集動態(tài)探測的透明工作面方法，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面的漸進(jìn)式精細(xì)探測。該方法是以采煤機(jī)為震源的隨采地震方法的進(jìn)一步發(fā)展，主要利用平行于切眼的一系列水平孔對工作面進(jìn)行細(xì)分探測，隨著采煤工作的逐漸推進(jìn)，利用孔間地震方法對細(xì)分區(qū)域進(jìn)行精細(xì)成像。與已有的隨采地震方法比較，本方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先，射線覆蓋更加均勻且無盲區(qū)。第二，探測區(qū)域被細(xì)分所以探測精度更高。第三，因為利用地震干涉的“虛”震源方法能得到高信噪比的單炮，可進(jìn)一步提高探測精度。該方法能夠適應(yīng)智能開采透明工作面的目標(biāo)要求，有望成為智能開采的重要組成部分。

透明工作面；孔間地震；智能開采；噪聲成像；隨采地震

隨著人類社會進(jìn)入智能化、自動化時代，礦山的智能化、自動化、無人化開采近年也逐漸成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)[1-3]。要實(shí)現(xiàn)煤礦的智能自動化開采，首先要實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)探測與描述，該目標(biāo)被形象地稱為“透明工作面”?！巴该鞴ぷ髅妗卑ㄏ锏纼?nèi)的煤巖層測量與描述、工作面鉆探[4]和工作面物探等方法。工作面巷道煤巖層描述和工作面鉆探的優(yōu)點(diǎn)是它們的結(jié)果具有很強(qiáng)的直接性和確定性，缺點(diǎn)是揭示的工作面范圍比較有限。工作面物探和前兩種方法相比是一種全工作面探測方法，它的缺點(diǎn)是探測結(jié)果的確定性比較差。3種方法中，工作面物探的研究改進(jìn)空間最大，目前逐漸成為一個研究熱點(diǎn)。

透明工作面的物探方法，除了地面三維地震、工作面電磁波透視、工作面槽波層析成像等傳統(tǒng)地震勘探方法外，利用采煤機(jī)等被動震源的隨采地震方法近年來取得了快速進(jìn)展。不過雖然隨采地震近幾年逐漸成為研究熱點(diǎn)，但利用煤礦井下機(jī)械噪聲作為震源的思想早在1980年就被槽波專家Buchanan提出，主要是利用采煤機(jī)的切割片作為震源[5]。前美國礦山局在20世紀(jì)90年代開展了此類研究，目的是預(yù)測前方煤層的應(yīng)力條件[6-7]。2009年，澳大利亞的 Luo Xun等給出了一個利用采煤機(jī)信號對煤層頂板速度層析成像的實(shí)例，但由于皮帶巷的噪聲太強(qiáng)，他們只對切眼和回風(fēng)巷圍成的三角形區(qū)域做出了圖像[8-9]。國內(nèi)從2010年開始，中國煤炭科工集團(tuán)有限公司開展了隨采地震研究，目前已取得了一些進(jìn)展，同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題：在煤層比較松軟的條件下，采煤機(jī)的地震能量可能不夠；有明顯的射線覆蓋盲區(qū)，只能探測到從切眼到巷道的直線連接區(qū)域；地震射線的交角比較小，反演問題的奇異性比較高，探測結(jié)果的精度不夠[10-14]。

本文提出一種新的隨采地震探測方法，主要利用一系列孔間地震對工作面進(jìn)行逐次細(xì)分探測，很好地克服了傳統(tǒng)隨采地震的上述缺點(diǎn)，有望得到高精度的工作面地質(zhì)構(gòu)造圖像。

1 傳統(tǒng)隨采地震透明工作面方法

傳統(tǒng)隨采地震數(shù)據(jù)采集方法如圖1所示，地震檢波器主要安置在兩邊巷道內(nèi)(考慮到皮帶運(yùn)輸機(jī)的噪聲，實(shí)際上多只用回風(fēng)巷)。采煤機(jī)在采煤作業(yè)時，截割滾筒能連續(xù)擊發(fā)出地震波能量，這些地震波穿過工作面被巷道內(nèi)的地震檢波器接收，根據(jù)地震波的到時或能量的差異就能夠?qū)ι渚€穿過區(qū)域做地震層析成像。圖1中，p1和p2是參考道，用來記錄震源信號，并與其他道做互相關(guān)得到類似脈沖震源的炮集[11]。

研究發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)是一個持續(xù)移動的震源，因為目前的地震層析成像方法都是基于離散震源的，所以要先對其進(jìn)行離散化。比如，對于一個300 m寬的工作面，可以將采煤機(jī)切割一趟的能量離散化為300個震源，也就是說采煤機(jī)在每個1 m的移動范圍內(nèi)被近似為1炮。這樣就產(chǎn)生一個問題，如果采煤機(jī)行走速度很快，比如30 s/m，那么每炮最多只能積累30 s的截割能量，在煤質(zhì)疏松的條件下，能量可能不夠。實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，在中原地區(qū)的構(gòu)造煤工作面上，隨采地震的能量不足以得到高信噪比的槽波，只有橫波的信噪比能達(dá)到成像要求。這是傳統(tǒng)隨采地震方法的第1個缺點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)隨采地震的數(shù)據(jù)采集方法

考慮到運(yùn)輸巷的強(qiáng)噪聲，地震檢波器只安裝在回風(fēng)巷內(nèi)，通常地震射線只能覆蓋切眼到回風(fēng)巷的三角形區(qū)域，探測盲區(qū)比較明顯。另外，距離切眼比較遠(yuǎn)的檢波器的數(shù)據(jù)信噪比快速下降，高信噪比地震射線覆蓋的區(qū)域進(jìn)一步縮小。這是傳統(tǒng)隨采地震方法的第2個缺點(diǎn)。

從圖1看出，采煤機(jī)處于不同位置時會得到不同的炮集，不過各個炮集的地震射線彼此之間的交角不會很大。最大射線夾角是采煤機(jī)分別在機(jī)頭和機(jī)尾時的射線夾角，檢波器距離切眼越遠(yuǎn)，夾角越小。夾角越小，反問題的奇異性越高，反演結(jié)果的精度越低。

2 孔間地震細(xì)分動態(tài)探測透明工作面方法

本文提出的工作面孔間地震細(xì)分動態(tài)探測，是一系列孔間地震的組合，如圖2所示[15]。

圖2中，每一對深孔(比如孔1–孔2，孔2–孔3，孔3–孔4，以此類推)組成一組孔間地震探測排列。實(shí)際施工時可以隨著開采的推進(jìn)，先做孔1–孔2間的探測，再做孔2–孔3、孔3–孔4間的，隨采逐漸推進(jìn)，既照顧到了細(xì)分區(qū)域精細(xì)探測的要求，也節(jié)省了儀器。另外作為補(bǔ)充，兩邊巷道里也安裝了檢波器，目的是形成更好的射線覆蓋。這些巷道檢波器安裝在深約2 m的孔中，孔口用吸波材料封堵以隔絕巷道內(nèi)的機(jī)械噪聲。

本方法有如下明顯優(yōu)點(diǎn)：

圖2 孔間地震細(xì)分動態(tài)探測檢波器分布

a. 提供了一種將工作面整體探測轉(zhuǎn)化為一系列細(xì)分區(qū)域進(jìn)行精細(xì)探測的方法，探測精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，非常適合解決智能開采的精細(xì)智能探測問題。

b.利用平行于切眼的鉆孔布設(shè)檢波器串，和通常在巷道內(nèi)接收地震信號的隨采地震方法比起來，得到的是檢波器之間的“虛”炮集(見圖3)，“虛”震源距離探測目標(biāo)更近，探測精度更高；另外，“虛”炮點(diǎn)和接收點(diǎn)都固定不變，非常適合探測介質(zhì)的細(xì)微變化。以黑色填充三角形表示虛炮點(diǎn)，實(shí)際上每一組靠近切眼的檢波器都是虛炮點(diǎn)，以孔1–孔2組為例，孔1中的每一個檢波器都是“虛”震源點(diǎn)，孔2中的檢波器為接收點(diǎn)。

c.地震射線的交叉覆蓋更加合理，從圖3的虛炮射線能明顯發(fā)現(xiàn)，地震射線的覆蓋密度和射線夾角都能滿足層析成像的要求。

前面的介紹中提到的“虛”震源、“虛”炮點(diǎn)等概念涉及到一項新技術(shù)——多維反褶積干涉(Multidi-mensional Deconvolution，MDD)，MDD是近年興起的地震干涉方法的一項新成果，適合處理被動震源分布不均勻，用一般地震干涉方法不能處理的情況，是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。

3 多維反褶積干涉(MDD)

地震干涉方法是將機(jī)械噪聲轉(zhuǎn)化為有用地震信號的關(guān)鍵步驟，也直接制約著噪聲成像技術(shù)的發(fā)展。近幾年，地震干涉獲得了快速發(fā)展，除了勘探地震學(xué)方面的應(yīng)用之外，該技術(shù)還被廣泛用于超聲波、太陽地震學(xué)、全球地震學(xué)、海洋聲學(xué)等方面，成為一個研究熱點(diǎn)[16]。干涉算法由互相關(guān)干涉、反褶積干涉等發(fā)展到多維反褶積干涉方法。目前，MDD干涉方法[17]是一個研究前沿，其最大優(yōu)點(diǎn)是對震源的分布具有較好的適應(yīng)性，不需要震源的位置和譜信息，因而大大擴(kuò)展了地震干涉的應(yīng)用范圍[18-19]。MDD干涉已成功應(yīng)用于環(huán)境噪聲成像[20]。

圖3 孔間地震細(xì)分動態(tài)探測的波場分布

圖4 孔間地震的MDD波場關(guān)系

將式(2)、式(3)代入式(1)，得

式(5)中，

對式(5)的積分進(jìn)行離散化，得

在頻率域，褶積關(guān)系變?yōu)橄喑耍?/p>

利用加權(quán)最小平方法解此方程組[17]，就能得到需要的Green函數(shù)了，這樣得到的Green函數(shù)和簡單的互相關(guān)干涉相比，不會產(chǎn)生假同相軸或相位混疊現(xiàn)象。

4 有效信號提取的數(shù)值模擬研究

假設(shè)切眼寬帶為300 m，切眼到第1個孔的距離為300 m，第1和第2個孔間的距離為300 m，波速2 000 m/s，采煤機(jī)的機(jī)械噪聲長度為100 000個采樣點(diǎn)，震源函數(shù)用隨機(jī)噪聲代替。切眼的采煤機(jī)震源被離散為31個，每個孔內(nèi)的檢波器也設(shè)為31個。

圖5 互相關(guān)干涉的“虛”炮集

圖6 MDD干涉的“虛”炮集

得到孔間檢波器對之間的Green函數(shù)后，利用層析成像算法就能非常容易地得到孔間的地質(zhì)構(gòu)造圖像。對于實(shí)際采集的數(shù)據(jù)，信噪比的高低往往決定了最終成像結(jié)果的精度。所幸的是，“虛”震源方法天然具有能量疊加、提高信噪比的優(yōu)勢。采煤機(jī)每切一刀都能得到一次虛炮集，把切了許多刀的虛炮集進(jìn)行疊加，就能有效提高信噪比。以此數(shù)值模擬的模型為例，在采煤切眼推進(jìn)到第1個孔之前的300 m范圍內(nèi)，所有的采煤激發(fā)能量都可以被積累起來形成高信噪比炮集。高信噪比炮集為高精度成像結(jié)果提供了資料保證。

5 結(jié)論

a.利用孔間地震對工作面進(jìn)行細(xì)分動態(tài)探測，能夠近距離精確探測，非常適應(yīng)智能開采對透明工作面的要求。

b.孔間地震細(xì)分隨采地震探測與傳統(tǒng)的全工作面隨采地震探測相比，探測范圍更全面，反演問題的適定性更強(qiáng)，探測精度更高。

c.多維反褶積干涉是本方法的關(guān)鍵核心技術(shù)，高質(zhì)量Green函數(shù)的提取完全依靠此技術(shù)。

d.進(jìn)一步的研究工作主要在煤巖介質(zhì)的有限頻率層析成像方面，最終形成一套高精度的透明工作面方法。

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Method of transparent working face based on dynamic detection of cross hole seismic subdivision

LU Bin

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

Transparent working surface is an important part of intelligent coal mining. It provides detailed geological structure information of working face for intelligent coal mining. This paper proposes a working surface exploration method based on segmented and dynamic cross-hole seismic, which can realize progressive fine detection of coal working face. The method is a new development with seismic while mining, which is using the coal cutter as seismic source. The main idea is to image the working face segmented by deploying some detectors in a series of horizontal holes parallel to the long wall. The method performs fine imaging on the subdivided area. Compared with the existing seismic while mining, this method has obvious advantages. Firstly, the ray coverage is more uniform without blind zone. Secondly, the detection area is subdivided, so the detection accuracy is higher. The “virtual” source method, seismic interferometry, can be used to obtain shot gathers with high SNR, which can further improve the detection accuracy. The study believes that this method can adapt to the target requirements of transparent working face, and it is expected to become an important part of intelligent mining.

transparent working face; cross-hole seismic; intelligent mining; noise imaging; seismic while mining

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804); Guizhou Science and Technology Major Projects([2018]3003-1)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD02)

陸斌，1973年生，男，甘肅榆中人，博士，副研究員，從事煤礦井下地震勘探方面的研究工作. E-mail：lubin2000@163.com

陸斌. 基于孔間地震細(xì)分動態(tài)探測的透明工作面方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：10–14.

LU Bin. Method of transparent working face based on dynamic detection of cross hole seismic subdivision[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：10–14.

1001-1986(2019)03-0010-05

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.002

2018-12-30

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804)；貴州省科技重大專項項目([2018]3003-1)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2018XAYZD02)

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)