回采工作面煤層動態(tài)標(biāo)定預(yù)測技術(shù)應(yīng)用研究

劉文明 ，高耀全 ，蔣必辭 ,2，李 鵬 ,3，薛悟強

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；4.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

我國煤礦智能化開采基本上實現(xiàn)了從單機(jī)自動化向“三機(jī)”協(xié)同自動化以至于局部系統(tǒng)智能化的技術(shù)跨越[1-2]，但智能開采對于復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[3]，究其原因，一是煤礦開采重型裝備的自動化與智能化水平、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的自主決策能力有待提高[4]；二是工作面基礎(chǔ)地質(zhì)條件查明精度不足，導(dǎo)致智能開采遭遇地質(zhì)條件較大變化時無法迅速調(diào)整適應(yīng)等[5]。

智能化開采對煤層厚度、煤層起伏形態(tài)提出了更高的精度要求[6]。構(gòu)建高精度三維地質(zhì)模型成為實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[7]。由于工作面內(nèi)部已知數(shù)據(jù)較少，采用傳統(tǒng)的插值算法無法有效預(yù)測工作面煤層起伏。三維地震勘探能夠?qū)γ簩悠鸱?、埋深、厚度和?gòu)造等進(jìn)行高精度探測[8-10]，但由于其標(biāo)定數(shù)據(jù)的稀缺性，導(dǎo)致反演得到的煤層底板精度受限[11]?；夭晒ぷ髅鎯蓚?cè)巷道具有大量的探煤厚數(shù)據(jù)，同時隨著切眼不斷推進(jìn)，會不斷產(chǎn)生探煤厚數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)對三維地震進(jìn)行動態(tài)解釋和標(biāo)定，可不斷提高煤層底板反演的精度，從而從根本上提高地質(zhì)建模精度。同時煤層厚度較為穩(wěn)定的工作面，可通過插值算法迭代更新煤厚不斷降低預(yù)測誤差[12]。

前人對三維地震勘探技術(shù)開展了大量的研究工作，但是對于面向智能化開采的地震動態(tài)解釋技術(shù)還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文以三維地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用回采工作面巷道和切眼得到的探煤厚數(shù)據(jù)，重新標(biāo)定三維地震數(shù)據(jù)，更新平均速度場，更新回采工作面煤層底板模型，同時采用離散光滑插值不斷迭代工作面煤層厚度，利用假設(shè)的未回采處探煤厚數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對比，研究更新過程中精度變化及存在的問題。

1 三維地震動態(tài)解釋原理

三維地震動態(tài)解釋是在常規(guī)的地質(zhì)分析、反射波標(biāo)定、波組對比、層位構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，由于礦井在采掘過程中可不斷得到煤層頂?shù)椎目臻g坐標(biāo)，從而能夠?qū)υ撁簩拥牡装宸瓷洳ê兔簩雍穸冗M(jìn)行重新標(biāo)定校正。

工作面煤層底板反射波為密度較高的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，若其采集處理方法得當(dāng)，其成果精度能夠控制煤層起伏。由于反射波記錄為時間域數(shù)據(jù)，需要利用已知煤層底板高程值構(gòu)建速度場，進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換。由于煤田聲波測井資料稀缺，常采用平均速度場方法，其精度主要受標(biāo)定點的密度和均勻度影響。

計算標(biāo)定點處的速度值公式為：

式中：v(i)為第i個標(biāo)定點處平均速度；Wb(i)為第i個標(biāo)定點處煤層底板高程；t(i)為第i個標(biāo)定點處煤層底板反射波雙程旅行時；H為地震數(shù)據(jù)處理基準(zhǔn)面。

對所有標(biāo)定點計算得到的速度值進(jìn)行內(nèi)插，得到平均速度網(wǎng)格數(shù)據(jù)v(i,j)，按照時深轉(zhuǎn)換公式可計算出目標(biāo)層位底板高程：

式中：H為三維地震處理基準(zhǔn)面；v(i,j)為第(i,j)個內(nèi)插點的速度；t(i,j)為第(i,j)個解釋點處目標(biāo)層反射波地震雙程旅行時；Wb(i,j)為第(i,j)個點目標(biāo)層煤層底板高程。

采用離散光滑插值算法，不斷融合采掘揭露的數(shù)據(jù)，更新工作面煤厚值。離散光滑插值是一種無維數(shù)的內(nèi)插方法，它不以空間坐標(biāo)為參數(shù)，主要依賴于網(wǎng)格結(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系，通過使網(wǎng)格點滿足特定約束條件，求解一個線性方程得到未知結(jié)點上的值[13]。

首先建立網(wǎng)格結(jié)點φ最優(yōu)解目標(biāo)函數(shù)：

式中：R(φ)為全局粗糙度函數(shù)；ρ(φ)為線性約束違反度函數(shù)，其約束點為插值點。

使式（3）無限逼近最小值，達(dá)到φ在任意結(jié)點的函數(shù)值逼近該點領(lǐng)域結(jié)點φ值的均值，使插值點處的結(jié)點的預(yù)測值盡可能逼近插值數(shù)據(jù)。

通過求解全局粗糙度函數(shù)使網(wǎng)格結(jié)點盡可能平滑：

式中：μ(k)為在結(jié)點k∈Ω上的權(quán)系數(shù)，可調(diào)整局部光滑度；a為Λ(k)的結(jié)點；Λ(k)為結(jié)點k鄰域內(nèi)不包含k的結(jié)點的集合；va(k)為在結(jié)點k的鄰域內(nèi)結(jié)點a的權(quán)系數(shù)；φ(a)為結(jié)點a處的真實值。

通過違反度函數(shù)進(jìn)行結(jié)點約束：

式中：a∈Ω ；為給定的正數(shù)，Ai(a)φ(a)-bi(a)為結(jié)點a關(guān)于φ的第i個結(jié)點的線性約束；M為結(jié)點數(shù)量；Ai(a)和bi(a)為給定常數(shù)。

具體插值步驟如下。

①準(zhǔn)備散點數(shù)據(jù)的三維空間坐標(biāo)（x,y,z）。

② 以散點數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)為邊界范圍，構(gòu)建平面網(wǎng)格，網(wǎng)格間距分別為dx和dy，網(wǎng)格點初始縱向坐標(biāo)值取所有散點數(shù)據(jù)z值的平均值。

③設(shè)置插值約束條件為：已知點之間曲率最小、已知點處的解算值小于設(shè)置的閾值；通過插值算法迭代求解各網(wǎng)格節(jié)點處的z值。

④ 將網(wǎng)格之間進(jìn)行填充可視化。

2 三維地震動態(tài)解釋實例

本次試驗工作面為TJH304 工作面，主采6 號煤層，煤層埋深為469.7～533.1 m，煤層厚度為11.6～17.5 m，煤層傾角為0～6°，煤層整體為一單斜構(gòu)造，呈東南高西北低，局部有褶曲。工作面傾向長度為240 m，走向長度為2 141 m，工作面輔運巷、運輸巷和切眼共有72 個探煤厚點，工作面內(nèi)部有1 個鉆孔，采煤面共有44 個探煤厚點（圖1）。

圖1 TJH304 工作面分布Fig.1 Sketch map of TJH304 longwall panel

三維地震數(shù)據(jù)覆蓋工作面全區(qū)，CDP 網(wǎng)格5 m×5 m，覆蓋次數(shù)80 次。圖2 為工作面推進(jìn)方向地震剖面，圖中T1 層位為6 號煤層底板反射波，反射波能量強、信噪比高，煤層局部有起伏。圖3 為運輸巷、輔運巷和切眼探煤后得到的6 號煤層底板高程和其對應(yīng)的雙程旅行時交會圖，兩者相關(guān)性可達(dá)62.26%。相關(guān)性較好時，說明平均速度變化不大，采用平均速度法進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換比較穩(wěn)定，可作為檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個判斷準(zhǔn)則。當(dāng)煤層上覆地層存在速度異常體或較大的橫向速度變化時，該處平均速度出現(xiàn)突變，會對時深轉(zhuǎn)換精度影響較大。

圖2 TJH304 工作面推進(jìn)方向地震剖面（A-A’）Fig.2 Seismic section map of TJH304 working face along mining direction（A-A’）

圖3 巷道及切眼煤層底板測量點高程與雙程旅行時相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation of coal bottom elevation value and two-way time value of measure points in tunnel and initial mining surface

在工作面形成后，還未開采前，利用輔運巷、運輸巷和切眼得到的煤層底板高程作為新的時深轉(zhuǎn)換標(biāo)定點，對T1 反射層位平均速度場進(jìn)行更新（圖4a），時深轉(zhuǎn)換得到新的6 號煤層底板高程數(shù)據(jù)，利用工作面開采后回采面獲得的煤層底板高程，對驗證點處更新前后高程誤差進(jìn)行統(tǒng)計分析；在工作面開始回采后，分別選取回采進(jìn)尺300 m 和329 m 以內(nèi)的探煤厚數(shù)據(jù)，繼續(xù)更新T1 反射層位平均速度場（圖4b），更新6 號煤層底板高程數(shù)據(jù)，分別利用回采進(jìn)尺300 m 和329 m 以后的探煤厚點驗證點，對更新前后高程誤差進(jìn)行統(tǒng)計分析。

同理，對于煤層厚度，采用以上過程，利用離散光滑插值對6 號煤層厚度數(shù)據(jù)迭代更新（圖5），并進(jìn)行誤差統(tǒng)計分析。

由圖4 可知，平均速度場由于采煤面標(biāo)定點的增多，在0～300 m 范圍速度變化更加精細(xì)。由圖5 可知，煤層厚度由于采煤面厚度點的增多，在0～300 m 范圍煤層厚度變化更加明顯。

圖4 不同開采階段煤層底板高程數(shù)據(jù)更新前后的平均速度場平面圖Fig.4 The average velocity comparison map updated by coal bottom elevation value of mining working face in different mining stages

圖5 不同開采階段煤層厚度數(shù)據(jù)更新前后的煤層厚度平面圖Fig.5 The coal seam thickness comparison map updated by coal seam thickness value of mining working face in different mining stages

3 面向智能開采的解釋精度分析

基于三維地震解釋成果和探煤厚數(shù)據(jù)開展回采工作面煤層底板和厚度動態(tài)預(yù)測，其精度主要受以下因素影響：地表障礙物、復(fù)雜地表、表淺層地層非均質(zhì)性影響，地層速度異常、速度橫向突變，煤層局部起伏較大，煤層厚度局部變化較大，探煤厚點數(shù)量等因素。

表1 為不同開采階段煤層底板與煤層厚度預(yù)測絕對誤差統(tǒng)計。可以看出在回采前，利用速度場刷新和煤厚迭代插值，煤層底板絕對誤差可控制在0.42～3.63 m，與常規(guī)三維地震解釋精度相比具有較大提高，煤層厚度誤差可控制在0.27～1.89 m 內(nèi)。在進(jìn)入回采后300 m 處，利用速度場刷新和煤厚迭代插值，煤層底板絕對誤差可控制在0.34～3.26 m，煤層厚度誤差可控制在0.11～1.76 m 內(nèi)；在回采標(biāo)定點最前方30 m 和29 m處的4 個驗證點，煤層底板高程誤差范圍為0.37～0.58 m，煤層厚度誤差范圍為0.32～0.44 m。

表1 不同開采階段煤層底板與煤層厚度預(yù)測絕對誤差Table 1 Absolute error of the prediction of coal seam floor elevation and thickness in different mining stages

4 結(jié) 論

a.三維地震數(shù)據(jù)雖然對煤層起伏能夠進(jìn)行較好控制，但三維地震反射波層位解釋精度受數(shù)據(jù)采集、處理和時深標(biāo)定點的影響較大。面向智能開采的地震動態(tài)解釋技術(shù)必須在全過程進(jìn)行方案設(shè)計和質(zhì)量把控。

b.針對TJH304 回采工作面試驗研究，通過融合采掘得到的探煤厚數(shù)據(jù)與三維地震解釋成果，可提高回采工作面內(nèi)部煤層底板高程和煤層厚度精度，對于已知標(biāo)定點前方30 m 內(nèi)，煤層底板高程預(yù)測誤差可達(dá)到0.58 m 以下，煤層厚度值預(yù)測誤差可達(dá)到0.44 m以下。

c.由于巷道實測點分布不均、整體偏少，會對速度場更新和煤厚迭代插值造成影響，可采取縮小點距，按照固定間距采樣標(biāo)定點。

d.智能化開采對于煤巖界面絕對精度要求極高，單純通過一種技術(shù)方法不能完全解決，需結(jié)合更先進(jìn)的孔中物探技術(shù)，增加工作面內(nèi)部高精度點數(shù)據(jù)，同時用于地震數(shù)據(jù)標(biāo)定，將工作面內(nèi)部進(jìn)行綜合透明化。