基于掘進(jìn)機(jī)隨掘震源的巷道側(cè)前方斷層成像技術(shù)

王 季，覃 思，陸 斌，吳 海，趙朋朋

（中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

巷道掘進(jìn)是最易發(fā)生煤礦安全事故的工序之一，其中隱伏在煤層及其圍巖內(nèi)的地質(zhì)異常體，如小斷層、采空區(qū)、陷落柱活化、煤與瓦斯局部應(yīng)力集中等，是誘發(fā)災(zāi)害事故的主要因素［1］。 目前，針對掘進(jìn)巷道側(cè)幫與前方地質(zhì)異常體的物探方法主要有：瞬變電磁法［2］、直流電法［3］、反射震波法［4-6］、反射槽波法［7-8］等。 但是目前巷道的物探方法均需要在停止掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的條件下開展探測施工，有的甚至要求掘進(jìn)機(jī)回退一定距離以減少對探測結(jié)果的影響。 這就造成了探測作業(yè)和采掘作業(yè)的不協(xié)調(diào)，即“探采失調(diào)”問題，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率。 當(dāng)前，我國礦井正向著智能化、無人化開采階段邁進(jìn)，需要在不間斷掘進(jìn)作業(yè)的條件下，實(shí)時(shí)完成巷道前方和側(cè)幫地質(zhì)異常體的探測［9］。 對地震類探測方法而言，這就要求不能再使用炸藥作為震源，而是將掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中切割巖石產(chǎn)生的震動(dòng)作為震源，利用連續(xù)的震動(dòng)波遭遇地質(zhì)異常體時(shí)產(chǎn)生的回波實(shí)現(xiàn)巷道前方和側(cè)幫探測，在正常掘進(jìn)的同時(shí)隨掘隨探，保障煤礦巷道的安全快速掘進(jìn)［10］。

利用掘進(jìn)機(jī)隨掘震源的地震勘探在國外開展的較早，2001 年，TAYLOR 等［11］就曾經(jīng)以掘進(jìn)機(jī)隨掘震源開展了掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)條件的超前探測；2002 年，PETRONIO 等［12］以隧道掘進(jìn)機(jī)震動(dòng)為隨掘震源，進(jìn)行了隧道隨掘地震探測試驗(yàn)并取得了初步效果。 在國內(nèi)，2015 年，覃思等［13-14］開展了井下掘進(jìn)機(jī)隨掘震源的反射試驗(yàn)，成功提取了來自巷道的反射波。 程久龍等［15］對掘進(jìn)機(jī)震源的震源特征、數(shù)據(jù)處理方法等方面開展了深入的理論研究，與傳統(tǒng)炸藥震源相比，以掘進(jìn)機(jī)震動(dòng)為隨掘震源的地震探測需要在巷道掘進(jìn)的過程中長時(shí)間連續(xù)采集，采集到的隨掘地震信號具有數(shù)據(jù)量巨大、震源能量低、干擾強(qiáng)、信噪比低的特點(diǎn)，因此采用隨掘地震信號對巷道掘進(jìn)面前方斷層等地質(zhì)異常體成像具有較高的技術(shù)難度。

筆者結(jié)合實(shí)際開展的井下隨掘探測試驗(yàn)，采用選定片段長度和參考道、數(shù)據(jù)評價(jià)與篩選、脈沖化、濾波與去噪、偏移成像等5 個(gè)階段逐步完成了基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘巷道側(cè)前方斷層的成像和探測。

1 隨掘震源波反射波成像原理

掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)的截割頭切割巖石，產(chǎn)生以S 波為主的地震波［15］，此地震波具有一定周期性，其周期與截割頭轉(zhuǎn)速有關(guān)。 另一方面，由于截割頭的作用使巖石產(chǎn)生破裂和垮落，產(chǎn)生以P 波為主的地震波，此地震波的隨機(jī)性強(qiáng)，震源表現(xiàn)為隨機(jī)出現(xiàn)的多個(gè)脈沖信號。 每1 個(gè)脈沖信號可以看作是1 次少量炸藥激發(fā)的彈性波震源。 彈性波在離開震源向外傳播的過程中，由于煤層的傳導(dǎo)作用形成槽波，具有頻散等槽波的基本性質(zhì)。

互相關(guān)干涉是將連續(xù)震源信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號的有效方法。 雖然槽波為頻散波，但互相關(guān)干涉同樣適應(yīng)于頻散波。 這是由于不同頻率正弦波的正交性，不同頻率波組的互相關(guān)為零，只有相同頻率的波組互相關(guān)不為零［16］。 因此某一道槽波在頻率ω上諧波分量表示為

其中：x為傳播距離；t為傳播時(shí)長；k是波數(shù)；w（k）為震源子波的頻譜。 而與參考道的地震信號r（x0，t0，w）求互相關(guān)函數(shù)γ（x，t，w）為

其中：f與f*、w與w*為共軛復(fù)數(shù)。 可以看出，互相關(guān)函數(shù)是1 個(gè)特殊的地震信號，它的子波是震源子波的自相關(guān)函數(shù)，而傳播距離為參考道與地震道之間的距離x-x0，傳播時(shí)長為從參考道到地震道的傳播時(shí)間t-t0。 由于隨掘震源的子波為弱周期信號與隨機(jī)脈沖信號的疊加，其自相關(guān)函數(shù)近似于脈沖信號。 因此通過互相關(guān)可以將連續(xù)的隨掘地震數(shù)據(jù)脈沖化為虛擬的單炮記錄，其虛擬炮點(diǎn)位于參考道所在的點(diǎn)上。

隨掘地震波在煤層內(nèi)傳播的過程中，在遭遇斷層等地質(zhì)異常體后產(chǎn)生反射波，反射波沿煤層向回傳播，被安裝在煤層中的檢波器接收，因此檢波器接收到的既有隨掘地震波的直達(dá)波又有反射波，如圖1 所示。

圖1 隨掘反射波示意Fig.1 Diagram of reflection waves while drilling

反射波的傳播距離xr為震源點(diǎn)到反射點(diǎn)的距離xr1與反射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離xr2的和。 如果忽略反射過程造成的子波變化，則根據(jù)式（2）可知，接收點(diǎn)處的反射波與參考道直達(dá)波的互相關(guān)函數(shù)為

式中：tr為反射波的傳播時(shí)間。

由此可知，反射波互相關(guān)函數(shù)的子波與直達(dá)波的相同，都是震源子波的自相關(guān)函數(shù)。 互相關(guān)形成的虛擬單炮記錄，炮點(diǎn)仍位于參考點(diǎn)上，而傳播距離為xr-x0，傳播時(shí)間為tr-t0。

對于直達(dá)波和反射波，如果在互相關(guān)后得到的虛擬單炮記錄前面補(bǔ)零，將t0補(bǔ)回單炮記錄中，則補(bǔ)零后單炮記錄的震源點(diǎn)為實(shí)際的掘進(jìn)機(jī)位置，且直達(dá)波與反射波的傳播距離和時(shí)延都是相對于實(shí)際震源點(diǎn)的。 也就是說，補(bǔ)零后的虛擬單炮記錄可以看作是在掘進(jìn)工作面爆破所得到的單炮記錄，與參考道位置無關(guān)。 在巷道掘進(jìn)的多個(gè)階段，分別采集并互相關(guān)后，就能得到多個(gè)虛擬單炮記錄，每個(gè)記錄的炮點(diǎn)位置都在當(dāng)時(shí)的掘進(jìn)面處。 對于多炮記錄就可以采用反射槽波探測的方法實(shí)現(xiàn)偏移成像。

2 隨掘地震處理的主要步驟

隨掘地震一般采用布置在巷道側(cè)幫的多道深孔或淺孔內(nèi)的檢波器接收地震信號，利用能夠長時(shí)記錄或?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡卣饍x記錄地震數(shù)據(jù)。 記錄到的井下地震信號中除了掘進(jìn)機(jī)切割煤壁的震動(dòng)外還包含多種噪聲成分，包括帶式輸送機(jī)、風(fēng)筒、水泵等機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的震動(dòng)噪聲以及電路和其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的電噪聲。 在強(qiáng)噪聲背景中的長時(shí)連續(xù)信號無法直接用于成像，需要經(jīng)過多個(gè)步驟將其處理為虛擬單炮記錄后，再用繞射偏移的方法進(jìn)行成像。 因此，對掘進(jìn)機(jī)震源的地震數(shù)據(jù)成像的過程大致可分為：選定片段長度和參考道、數(shù)據(jù)評價(jià)與篩選、脈沖化、濾波與去噪、偏移成像共5 個(gè)步驟。

2.1 選定時(shí)間片段

目前我國多數(shù)煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)的平均日進(jìn)尺在10 m 以內(nèi)。 對成像而言，掘進(jìn)機(jī)在數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)移動(dòng)的距離小于剖分網(wǎng)格的間距，因此可認(rèn)為這幾個(gè)小時(shí)內(nèi)震源位置不變，這就可以將這幾個(gè)小時(shí)內(nèi)采集到的連續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單炮數(shù)據(jù)。 如何確定這個(gè)時(shí)間段的長度，需要根據(jù)巷道掘進(jìn)的實(shí)際情況和成像剖分網(wǎng)格的大小綜合決定。 另外，參考道的選取對有效隨掘信號的提取具有決定性作用。 一般選取距離掘進(jìn)機(jī)最近的地震道作參考道，但當(dāng)掘進(jìn)機(jī)附近有強(qiáng)干擾源時(shí)，也可用其他道替代。

2.2 數(shù)據(jù)評價(jià)與初選

采集數(shù)據(jù)的過程中，掘進(jìn)機(jī)并非一直處于切割煤壁的狀態(tài)，還包括掃煤、空轉(zhuǎn)和停機(jī)等多種狀態(tài)。當(dāng)采煤機(jī)不切割煤壁時(shí)，不能產(chǎn)生強(qiáng)的震源信號，采集到數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，需要從數(shù)據(jù)集中剔除以提高處理效率。 選擇無效數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)一般為地震信號的平均振幅，這是由于掘進(jìn)機(jī)切割煤壁時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)能量較強(qiáng)，可達(dá)其他狀態(tài)下平均振幅的數(shù)倍。 通過設(shè)定閾值，選取平均振幅大于閾值的時(shí)間片段，就可以初選出有效數(shù)據(jù)。 具體閾值與煤層厚度、煤質(zhì)硬度、圍巖巖性、掘進(jìn)機(jī)類型和功率的多種因素有關(guān)，需要在工程中根據(jù)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)調(diào)整。

2.3 數(shù)據(jù)的脈沖化

脈沖化是隨掘地震信號處理的核心步驟，其目的是將連續(xù)地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬單炮數(shù)據(jù)，從而可以用常規(guī)方法進(jìn)行后續(xù)的處理和成像。 脈沖化方法也被稱為地震干涉算法，常用的地震干涉算法有互相關(guān)算法、反褶積算法、互相干算法等。 其中互相關(guān)算法簡單且適用性高，是隨掘地震中最常使用的方法［17-18］。

設(shè)選取的時(shí)間片段長度為T，參考道的地震信號為s0（t），則求出每一道地震信號si（t）與s0（t）的歸一化互相關(guān)函數(shù)ri（τ）為

其中：τ∈ 0，N[ ]；N為設(shè)定的脈沖化數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)；t0為槽波由當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)位置傳播至參考點(diǎn)所需的時(shí)間。 設(shè)掘進(jìn)機(jī)的平面位置為（xs，ys），參考點(diǎn)平面位置為（x0，y0），基階槽波Airy 相的速度為vc，則

將si（-t0）至si（O）這段數(shù)據(jù)補(bǔ)零，對M道地震數(shù)據(jù)分別用式（4）求與參考道的互相關(guān)，將結(jié)果排列成N×M的矩陣，就得到脈沖化后的虛擬單炮記錄，其中虛擬炮點(diǎn)的位置為掘進(jìn)機(jī)所在位置。

2.4 篩選與去噪

在地質(zhì)條件良好的礦井中，正常掘進(jìn)時(shí)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，脈沖化后能形成能量較強(qiáng)的直達(dá)波與槽波波列。 然而大多數(shù)礦井受地質(zhì)條件影響，巷道內(nèi)鉆孔、噴錨、抽水等作業(yè)較多，一方面使有效掘進(jìn)的時(shí)間減少，另一方面為采集系統(tǒng)帶來了較強(qiáng)的震動(dòng)噪聲干擾。 因此，脈沖化后的掘進(jìn)機(jī)震源數(shù)據(jù)質(zhì)量一般會(huì)低于炸藥震源數(shù)據(jù)。 在將脈沖化數(shù)據(jù)用于成像之前需要對其進(jìn)行篩選和去噪。 篩選的目的是為了能夠找出時(shí)間片段內(nèi)正常掘進(jìn)的比例較高的脈沖化記錄。 1 個(gè)簡單而有效的篩選方法是計(jì)算直達(dá)波的信噪比。 對1 個(gè)M道N個(gè)采樣點(diǎn)的脈沖化記錄，直達(dá)波信噪比為

其中：ti為每一道直達(dá)波的到時(shí)；Tw為預(yù)先設(shè)定的1 個(gè)時(shí)窗長度。 對每1 個(gè)脈沖化記錄進(jìn)行處理，通過式（6）計(jì)算每個(gè)脈沖化記錄的直達(dá)波信噪比，判斷此脈沖化記錄是否大于預(yù)先設(shè)定的閾值，最終篩選出直達(dá)波清晰的脈沖化記錄做成道集。 經(jīng)過挑選的脈沖化記錄仍然包含較多的噪聲，可采用常規(guī)的濾波與反褶積方法進(jìn)行處理，如用梳狀濾波器濾除工頻干擾，用反褶積方法增強(qiáng)直達(dá)波和反射波信號［19］，用濾波或約束反演去噪［20］等進(jìn)一步增強(qiáng)有效信號。

2.5 偏移成像

對脈沖化后隨掘數(shù)據(jù)的成像方法與對槽波數(shù)據(jù)的方法相同，可采用基于射線理論的繞射偏移法實(shí)現(xiàn)對斷層的成像［19-21］。 將探測區(qū)域內(nèi)的煤層視為1個(gè)平面，設(shè)P（x，y）為平面內(nèi)一點(diǎn)，則該點(diǎn)上的疊加振幅為

式中：K為經(jīng)過篩選的脈沖化記錄的數(shù)量；M為地震道數(shù)；A（tij）為第i個(gè)脈沖化記錄中第j道信號在tij時(shí)刻的瞬時(shí)振幅；vg為基階槽波Airy 相的速度；dij為P（x，y）點(diǎn)到第i個(gè)脈沖化記錄對應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)位置和第j個(gè)檢波器的距離的和。

如果脈沖化記錄較少或掘進(jìn)機(jī)總進(jìn)尺較少，采用式（7）所得的成像結(jié)果有畫弧現(xiàn)象，但是隨著掘進(jìn)進(jìn)尺的增加，畫弧現(xiàn)象將逐漸減弱，真實(shí)存在的反射點(diǎn)上將出現(xiàn)明顯異常，指示該區(qū)域可能存在斷層或其他地質(zhì)異常體。

3 巷道隨掘地震探測實(shí)例

山西寧武榆樹坡煤礦1215 工作面主采2 號煤，平均煤厚4.1 m。 該煤層位于太原組上部，K2砂巖下，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，直接頂為泥巖，基本頂為粉砂巖，底板為泥巖。 地面三維地震勘探結(jié)果顯示：1215工作面回風(fēng)巷開口以里390 m 處存在1 條較大斷層XDF9，該斷層位于巷道回采側(cè)，落差為8 m（圖2）。

為開展隨掘地震探測試驗(yàn)，在1215 回風(fēng)巷內(nèi)布置觀測系統(tǒng)。 隨掘地震觀測系統(tǒng)分為深孔和淺孔2類。 淺孔的孔深為3 m，共20 個(gè)，孔間距5 m，每個(gè)淺孔內(nèi)各埋入1 個(gè)三分量淺孔檢波器，埋入淺孔后通過氣囊充氣使檢波器貼壁，再向孔內(nèi)填入炮泥以減少聲波干擾；深孔的孔深為40 m，共1 個(gè)，深孔內(nèi)埋入5 級Z 分量檢波器，道間距10 m，同樣通過氣囊充氣使檢波器貼壁。 采用YTZ3 型礦井自記式地震儀連續(xù)記錄地震數(shù)據(jù)。 本次試驗(yàn)從2019 年7 月26 日開始至同年8 月25 日結(jié)束，共31 d，總進(jìn)尺68 m，期間共采集了12 次有效數(shù)據(jù)，每次采集時(shí)間為10 h，采樣率為0.25 ms。

圖2 1215 工作面回風(fēng)巷Fig.2 Air-return roadway of No.1215 working face

綜合1215 工作面的地質(zhì)特點(diǎn)和掘進(jìn)速度，選取20 min 為時(shí)間片段的長度。 7 月26 日采集的1 個(gè)時(shí)間片段內(nèi)的隨掘數(shù)據(jù)，其中第1 道至第3 道分別為距離巷道掘進(jìn)面最近的檢波器的X、Y、Z分量，第4 道至第6 道分別為第2 個(gè)檢波器的3 個(gè)分量，依次排列，第61 道至第65 道分別為深孔檢波器由遠(yuǎn)及近的5 道。 從圖3 中可以看出，在從200—600 s、700—1 100 s 這2 個(gè)時(shí)段內(nèi)地震波具有較大的振幅，表明此2 個(gè)時(shí)段內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)處于正常掘進(jìn)的狀態(tài)。 由于該數(shù)據(jù)片段內(nèi)正常掘進(jìn)的時(shí)間較長，為有效時(shí)間片段，可進(jìn)行下一步處理。

圖3 由10 ∶40 至11 ∶00 隨掘地震數(shù)據(jù)Fig.3 Data of seismic while drilling from 10 ∶40 to 11 ∶00

采用式（4）將此時(shí)間片段的隨掘地震數(shù)據(jù)脈沖化，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為6 000，根據(jù)同煤層其他區(qū)域槽波探測的工程經(jīng)驗(yàn)選取槽波Airy 相速度1 100 m/s。圖4 是得到的脈沖化數(shù)據(jù)。 脈沖化后的地震記錄中包含較強(qiáng)的直達(dá)槽波，其形態(tài)與炸藥震源激發(fā)產(chǎn)生的單炮記錄具有很高的相似性，其波速與已知的槽波Airy 相速度相同，為1 100 m/s。

圖4 由10 ∶40 至11 ∶00 的脈沖化地震記錄Fig.4 Pulsed seismic traces from 10 ∶40 to 11 ∶00

在新獲得每個(gè)脈沖化記錄后，用式（6）對該記錄進(jìn)行評價(jià)。 圖5 為另1 個(gè)時(shí)間片段得到的脈沖化記錄，此記錄中含有較強(qiáng)的噪聲，這是由于掘進(jìn)機(jī)雖然正常工作，但切割煤壁的力量較弱，產(chǎn)生的槽波信號信噪比低。 通過評價(jià)，可將此類脈沖化記錄剔除，以免對成像結(jié)果造成不良影響。

圖5 由11 ∶40 至12 ∶00 的脈沖化地震記錄Fig.5 Pulsed seismic traces from 11 ∶40 to 12 ∶00

經(jīng)過篩選之后，需要進(jìn)一步對脈沖化記錄進(jìn)行濾波和去噪。 圖6 為圖4 中的地震記錄經(jīng)過110 ～250 Hz 的帶通濾波器濾波后的結(jié)果。 可以看出，直達(dá)槽波更加突出，噪聲得到了一定程度的壓制。 需要注意的是，在直達(dá)槽波波列的下方存在一組振幅較弱的波列，如圖中箭頭所示，此波列與直達(dá)槽波波列近似平行，可能為斷層的反射波。

圖6 帶通濾波后的脈沖化地震記錄Fig.6 Pulsed seismic traces after band-pass filtered

對多個(gè)脈沖化記錄用式（7）進(jìn)行偏移成像，最終獲得的成像結(jié)果如圖7 所示，圖中顏色對應(yīng)于歸一化疊加振幅。 由圖可見，在1215 回風(fēng)巷煤壁內(nèi)側(cè)約60 m 處存在1 個(gè)較強(qiáng)的異常條帶，此條帶方位角為NE，若沿此條帶的兩端延伸，則西端與多條大巷揭露的1 個(gè)3.5 m 斷層相連，而東端則與地面地震解釋的斷層XDF9 相連。 因此判斷XDF9 斷層未與巷道在延伸方向相交，而是沿異常條帶所在方向延伸，與大巷揭露的3.5 m 斷層為同一斷層，如圖7 中灰線所示。 試驗(yàn)后1215 回風(fēng)巷繼續(xù)掘進(jìn)，據(jù)礦方反映，巷道中未見斷層揭露，XDF9 斷層位置與預(yù)測結(jié)果一致。

圖7 斷層成像結(jié)果Fig.7 Results of fault imaging

4 結(jié) 論

1）以掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的震動(dòng)作為震源替代炸藥震源，在巷道掘進(jìn)的過程中開展隨掘地震探測，能夠有效探測煤壁內(nèi)斷層的發(fā)育情況，結(jié)合已有的地質(zhì)揭露和其他探測成果，可實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)前方斷層位置的預(yù)測。

2）隨掘地震探測數(shù)據(jù)量巨大，但其中存在大量的無效數(shù)據(jù)，水泵、風(fēng)機(jī)等持續(xù)的噪聲源會(huì)產(chǎn)生假的地震波列影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此有效的隨掘數(shù)據(jù)評價(jià)和篩選方法對探測成果具有重要的意義。

3）使用反射槽波的成像方法可以用隨掘地震波實(shí)現(xiàn)巷道壁內(nèi)斷層的成像，但是直接對巷道掘進(jìn)工作面的正前方區(qū)域成像尚缺乏理論基礎(chǔ)，這是由于沿巷道壁傳播的地震波是一種特殊類型的波，即所謂的“巷道振型槽波”，可以看作是一種由槽波激發(fā)產(chǎn)生的面波，其頻散性和傳播規(guī)律復(fù)雜，因此目前僅能實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)面?zhèn)惹胺絽^(qū)域的成像，再推斷出巷道延伸線與斷層的交點(diǎn)位置。