TBM 施工巖巷掘探一體化技術(shù)研究進(jìn)展與思考

袁 亮，張平松,2

(1.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來(lái)，隨著我國(guó)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷推進(jìn)與持續(xù)變革，煤炭能源保障與供給能力增強(qiáng)。全國(guó)煤礦年產(chǎn)120 萬(wàn)t 以上大型煤礦生產(chǎn)原煤占比超過總量的85%[1]。煤炭企業(yè)發(fā)展由多、小、散、亂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺旱V、大集團(tuán)和大基地。截至2021 年末，全國(guó)千萬(wàn)噸級(jí)煤礦數(shù)量達(dá)到了72 個(gè)。煤炭生產(chǎn)也逐步過渡為以機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化與智能化為主的高效作業(yè)方式。至2022 年底，智能化采掘工作面增加到了1 019 個(gè)，智能化煤礦也增加到572 處，特別是大型煤礦的掘進(jìn)機(jī)械化程度超過50%[2]。根據(jù)《煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見》，“十四五”末，掘進(jìn)機(jī)械化程度將要達(dá)到75%左右[3]，這對(duì)礦井智能化、少人化建設(shè)目標(biāo)提出了更高要求。我國(guó)煤炭資源的賦存條件與對(duì)煤炭資源的長(zhǎng)期旺盛需求，使得煤炭開采逐步向深部化發(fā)展成為必然。深部煤礦特別是超千米深部煤礦建設(shè)將以大型煤炭企業(yè)、現(xiàn)代化智能煤礦為主，大資本投入以及對(duì)建設(shè)周期的要求將使得具有速度優(yōu)勢(shì)的大型機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)入礦井建設(shè)成為可能[4-5]。TBM 工法具有機(jī)械化程度高、施工質(zhì)量好、掘進(jìn)速度快、節(jié)省勞動(dòng)力、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被煤礦巖巷掘進(jìn)所接受，其掘進(jìn)效率一般是傳統(tǒng)鉆爆法的3～10 倍，是綜掘法的2～8 倍[6]。因此，采用圓形斷面封閉式多重復(fù)合支護(hù)的TBM 工法開展煤礦巖巷掘進(jìn)施工，將會(huì)是大型礦井未來(lái)智能化建設(shè)與生產(chǎn)的優(yōu)選方法和必然發(fā)展趨勢(shì)[7-8]。但由于TBM 對(duì)不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，煤礦復(fù)雜地層條件與地質(zhì)構(gòu)造會(huì)嚴(yán)重限制TBM 掘進(jìn)效率與優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。眾多工程實(shí)踐表明，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和高地應(yīng)力條件下，煤礦深部TBM 工法施工將會(huì)面臨著諸多隱蔽致災(zāi)因素的威脅和亟待解決的技術(shù)難題[9-10]。

安全高效生產(chǎn)是煤礦各項(xiàng)工作開展的第一要?jiǎng)?wù)，其中采掘地質(zhì)保障技術(shù)水平的提高與創(chuàng)新是煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。能夠有效探查隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，開展災(zāi)害防治，對(duì)減少煤礦事故的發(fā)生意義重大[11-13]，因此，煤礦TBM 掘進(jìn)同樣必須做到：有疑必探，先探后掘，先治后掘?，F(xiàn)階段TBM 工法已經(jīng)在“探?掘?護(hù)?錨”掘進(jìn)工序中，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、出渣、支護(hù)可交叉作業(yè)，同步進(jìn)行，且施工時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)干擾少，其最大特點(diǎn)是安全、高效。但現(xiàn)有“多地球物理方法綜合探測(cè)加鉆探驗(yàn)證”的超前探測(cè)模式難以在TBM 掘進(jìn)時(shí)施工，無(wú)法滿足其快速掘進(jìn)的地質(zhì)保障需求。區(qū)別于常規(guī)地球物理探測(cè)手段，將探測(cè)儀器與掘進(jìn)機(jī)械進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，開展隨機(jī)隨掘探測(cè)可實(shí)現(xiàn)探掘平行，能夠充分發(fā)揮TBM 的掘進(jìn)效率優(yōu)勢(shì)，是煤礦TBM 掘進(jìn)發(fā)展首先需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，也是煤礦智能化發(fā)展的重要組成部分[14]。

因此，開展TBM 掘探一體化技術(shù)研究，完善其理論技術(shù)體系，攻克關(guān)鍵技術(shù)難題，具有重要的實(shí)踐意義和價(jià)值。本文在系統(tǒng)梳理TBM 隨掘隨探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了煤礦巖巷掘探一體化技術(shù)研究存在的難題，并思考了未來(lái)的發(fā)展方向，為推進(jìn)煤礦巖巷的安全、智能、精準(zhǔn)、高效掘進(jìn)提供參考指導(dǎo)。

1 巖巷TBM 掘探一體化技術(shù)研究進(jìn)展

巖巷前方存在破碎帶、斷層、軟弱巖層及富水區(qū)等不良地質(zhì)條件時(shí)，TBM 掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)坍塌、卡機(jī)、卡盾、涌水等安全隱患，輕則造成TBM 刀盤損壞、機(jī)身故障，重則可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。因此，對(duì)TBM快速掘進(jìn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外形成了以TBM 與物探設(shè)備相結(jié)合的掘探一體化探測(cè)模式，促進(jìn)了TBM 掘進(jìn)期間的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，其中隨掘地震、隨掘電法、隨掘瞬變電磁3 類探測(cè)技術(shù)是目前主要研究與應(yīng)用的方法。前期上述方法多獨(dú)立使用，隨著TBM 技術(shù)快速發(fā)展，超前探測(cè)系統(tǒng)形成多技術(shù)融合與TBM 形成一體化技術(shù)是未來(lái)煤礦巖巷掘進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 隧道隨掘地震探測(cè)技術(shù)

隨掘地震探測(cè)技術(shù)通過布設(shè)在掘進(jìn)工作面后方檢波器接收盾構(gòu)機(jī)破巖產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)處理與成像技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道前方地質(zhì)異常體的實(shí)時(shí)探測(cè)。由于TBM 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，其長(zhǎng)度經(jīng)過優(yōu)化縮短，依然達(dá)到60 m 左右，占據(jù)巖巷大部分空間，使得傳統(tǒng)布設(shè)于掘進(jìn)工作面及側(cè)幫的地震超前探測(cè)技術(shù)由于施工條件限制，難以滿足TBM 工法施工需求。為此開展TBM 隨掘地震掘探一體化探測(cè)技術(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法研究，以保障TBM 高效、安全快速掘進(jìn)是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

1.1.1 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨掘地震觀測(cè)系統(tǒng)的布置方式影響著不良地質(zhì)體關(guān)鍵信息的有效采集。常規(guī)的巷道地震波超前探測(cè)方法以線性觀測(cè)系統(tǒng)為主，探測(cè)數(shù)據(jù)量少，當(dāng)掘進(jìn)前方存在斷層或者破碎帶時(shí)，往往與巷道垂直或大傾角相交，這樣掘進(jìn)工作面前方巖體速度分布無(wú)法準(zhǔn)確獲得。為解決該問題，張鳳凱[15]通過在掘進(jìn)方向左右側(cè)各布置一條測(cè)線來(lái)測(cè)量TBM 破巖時(shí)產(chǎn)生的地震信號(hào)，有效提高探測(cè)數(shù)據(jù)采集量，針對(duì)前方巖體速度分布求取難的問題，采用精度較高的全波形反演來(lái)獲取掘進(jìn)工作面前方巖體速度分布。同時(shí)GFZ 公司、海瑞克公司等科研單位設(shè)計(jì)了ISIS、SSP 等超前探測(cè)系統(tǒng)開展TBM 隨掘探查。

1.1.2 地震有效信號(hào)提取

為適應(yīng)TBM 快速掘進(jìn)，研究人員逐漸關(guān)注以TBM 破巖震動(dòng)為震源的隨掘地震探測(cè)技術(shù)，與利用TBM 停機(jī)期間，間接采用搭載于TBM 上的特殊機(jī)械裝置作為激發(fā)震源不同，該技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了隨掘隨探[16-19]。李術(shù)才院士團(tuán)隊(duì)在TBM 隨掘地震探測(cè)技術(shù)的研究方面取得了顯著成果，主要集中在如何將TBM 破巖震動(dòng)記錄中能夠用于地震勘探的有效信號(hào)提取出來(lái)，實(shí)現(xiàn)“變?cè)霝樵础笔请S掘地震技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，其研究主要包括以下2 部分。

1) 震源產(chǎn)生機(jī)制分析

TBM 破巖震源具有隨機(jī)、不確定性，現(xiàn)場(chǎng)采集的地震記錄無(wú)法直接識(shí)別和解釋。為此，進(jìn)行TBM 破巖震源產(chǎn)生機(jī)制研究是十分必要的，也是后續(xù)有效信號(hào)提取的基礎(chǔ)。針對(duì)TBM 破巖特點(diǎn)，許新驥[18]將工作面進(jìn)行網(wǎng)格化，并把所有網(wǎng)格點(diǎn)作為震源，采用多個(gè)不同頻率、不同振幅的正弦波合成為每個(gè)震源點(diǎn)的連續(xù)隨機(jī)信號(hào)，利用各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的震源激發(fā)的連續(xù)隨機(jī)信號(hào)的相互作用模擬了TBM 破巖震源產(chǎn)生機(jī)制，為TBM 破巖震源的有效信號(hào)提取研究提供了理論基礎(chǔ)。

2) 有效信號(hào)提取

噪聲記錄處理最常用的是地震干涉方法，TBM 破巖震動(dòng)有效信號(hào)提取同樣以地震干涉法為核心開展相關(guān)研究。許新驥[18]利用互相關(guān)法處理TBM 破巖震源地震記錄，實(shí)現(xiàn)了地震記錄等效脈沖轉(zhuǎn)化，在此基礎(chǔ)上采用歸一化的手段處理單道地震記錄，進(jìn)一步壓制了干擾噪聲影響；為增強(qiáng)地震信號(hào)的信噪比，在數(shù)據(jù)處理過程中采用基于接收陣列的波束形成法，有效增強(qiáng)了來(lái)自巷道前方的有效反射波信號(hào)。張鳳凱[15]在對(duì)比常用地震干涉方法效果的基礎(chǔ)上，選用互相關(guān)法處理TBM 破巖震源探測(cè)數(shù)據(jù)，并采用高階累積量子波估計(jì)與波形修正法進(jìn)一步處理了地震干涉所得的虛源地震記錄，如圖1 所示，得到與主動(dòng)源探測(cè)相一致的地震記錄，實(shí)現(xiàn)了TBM 隨掘地震有效信號(hào)的提取。

圖1 子波估計(jì)和波形修正后的波形對(duì)比[15]Fig.1 Comparison of waveform after wavelet estimation and waveform correction[15]

1.1.3 地震成像

1.1.2 節(jié)提取的有效地震信號(hào)無(wú)法直接反映巷道前方地質(zhì)體的形狀與空間位置，還需要進(jìn)一步的成像處理才能實(shí)現(xiàn)對(duì)地震超前探測(cè)資料的精準(zhǔn)解釋。

隨掘地震成像與常規(guī)成像方法相似，其核心是如何準(zhǔn)確獲取探測(cè)區(qū)域的速度分布和選用何種成像方法。針對(duì)巷道施工環(huán)境下掘進(jìn)工作面前方探測(cè)區(qū)域內(nèi)的速度分布情況，宋杰[20]采用基于繞射掃描疊加的速度分析方法獲取了巷道前方探測(cè)區(qū)域的速度分布，并在此基礎(chǔ)上利用深度偏移算法進(jìn)行反射界面成像，獲取巷道前方的反射界面信息。Liu Bin 等[21]對(duì)深度偏移成像方法進(jìn)行改進(jìn)，采用基于定向加權(quán)的等時(shí)平面法進(jìn)行三維地震偏移成像，如圖2 所示。為進(jìn)一步提高成像精度，張鳳凱[15]采用全波形反演以獲取巷道前方巖體的速度分布，并采用基于波動(dòng)方程的逆時(shí)偏移成像方法對(duì)巷道前方反射界面進(jìn)行成像，獲得了更為準(zhǔn)確的反射界面形態(tài)與位置信息。此外，針對(duì)TBM 掘進(jìn)速度快的特點(diǎn)，需要提高TBM 隨掘地震成像速度，以滿足TBM 快速掘進(jìn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的需求。

圖2 偏移結(jié)果[21]Fig.2 Migration-imaging results[21]

1.2 隧道隨掘電法探測(cè)技術(shù)

隨掘電法探測(cè)技術(shù)是利用TBM 刀盤布設(shè)電極實(shí)施測(cè)量，并在隧道兩側(cè)布設(shè)供電電極供電，從而構(gòu)成電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道隨掘電法的數(shù)據(jù)采集。不同于隨掘地震探測(cè)，TBM 機(jī)械本身的強(qiáng)磁干擾會(huì)對(duì)隨掘電法探測(cè)結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，同時(shí)，因TBM 施工工藝造成傳統(tǒng)的直流電法超前探測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)方式不滿足現(xiàn)有的探測(cè)需求，從而需要在數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)噪聲壓制和成像上進(jìn)一步深入研究。

1.2.1 電法數(shù)據(jù)采集

TBM 隨掘電法觀測(cè)系統(tǒng)主要利用盾構(gòu)機(jī)本身的刀盤作為測(cè)量電極以及布設(shè)在側(cè)幫的電極作為供電電極構(gòu)成觀測(cè)系統(tǒng)，不同的電極排列形成的不同觀測(cè)模式影響著電法超前探測(cè)距離和數(shù)據(jù)采集的抗干擾能力，故TBM 隨掘電法超前探測(cè)的首要任務(wù)是采用適合TBM 隧道環(huán)境中的觀測(cè)模式。針對(duì)TBM 隧道施工環(huán)境，國(guó)外最早開始了聚焦電流法研究，通過將刀盤布設(shè)探測(cè)電極，并向隧道掘進(jìn)工作面注入探測(cè)電流，同時(shí)利用護(hù)盾上安裝的保護(hù)電極向側(cè)幫圍巖注入同相同頻的保護(hù)電流，起到屏蔽側(cè)方干擾，聚焦電流至掘進(jìn)工作面前方的作用，然后根據(jù)前方視電阻率的變化，推測(cè)前方地質(zhì)情況，其觀測(cè)系統(tǒng)如圖3a[22-23]所示。此后，國(guó)內(nèi)研究人員也開始了相關(guān)研究，借鑒多同性源陣列觀測(cè)方式[24]，劉斌等[25]在BEAM 法的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于TBM 復(fù)雜環(huán)境下的多同性源觀測(cè)模式，即位于工作面邊墻同一圈同性源供電電極系供電(A1?A4)，位于刀盤滾刀開孔處的測(cè)量電極系測(cè)量(M1?M9)，直至完成所有圈次，即可完成TBM 觀測(cè)模式的數(shù)據(jù)采集，該觀測(cè)方式在提高抗干擾能力的基礎(chǔ)上又極大地提高了探測(cè)距離。圖3b 為TBM 多同性源陣列觀測(cè)模式[25]。

圖3 TBM 隨掘電法觀測(cè)系統(tǒng)[22-23,25]Fig.3 Observation system of geoelectrics-while-tunneling with TBM [22-23,25]

1.2.2 電法數(shù)據(jù)處理

隨掘電法主要采集探測(cè)區(qū)域內(nèi)的電壓、電流信號(hào)，其單位基本在毫伏、毫安級(jí)，因此，TBM 的強(qiáng)磁干擾和采集儀器的本底噪聲會(huì)對(duì)電法觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對(duì)采集數(shù)據(jù)存在干擾問題，剪浩杰[26]采用小波變換法將原始采集的電位信號(hào)分解成不同頻段且互不重疊的信號(hào)，使得不同頻率信號(hào)所在的區(qū)間都能包含原始信號(hào)的所有頻段，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)原始電位信號(hào)的帶通濾波去噪處理，提高了數(shù)據(jù)采集精度。為進(jìn)一步降低采集儀器的本底噪聲干擾，田明禛[27]提出軟硬件相結(jié)合的聯(lián)合去噪方法，即通過小波變換算法實(shí)現(xiàn)軟件層面的濾波，并在硬件電路中設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波，去除高頻噪聲和復(fù)雜噪聲，實(shí)現(xiàn)了硬件層面的去噪。

1.2.3 電阻率反演成像

隨掘電法采集的電壓、電流數(shù)據(jù)經(jīng)過1.2.2 節(jié)數(shù)據(jù)處理后仍然無(wú)法直觀地反映巷道前方的地質(zhì)信息，需要進(jìn)一步的反演成像才能用于地質(zhì)資料的解釋。此外，為適應(yīng)TBM 掘進(jìn)的速度，對(duì)隨掘電法反演成像的速度提出了更高的要求。

隨掘電法受限于觀測(cè)模式及TBM 的干擾，易造成反演成像多解性，影響異常體定位精度。針對(duì)多解性和運(yùn)算速度問題，王傳武[28]通過在三維電阻率反演中利用已知的地質(zhì)信息，施加基于松弛變量的不等式約束來(lái)壓制反演的多解性；同時(shí)為提高運(yùn)算速度，設(shè)計(jì)了基于Open-MP 的總體系數(shù)矩陣cholesky 分解與敏感度矩陣求解的并行計(jì)算算法，提高了三維反演速度。為了提高對(duì)異常的空間定位精度，聶利超[29]通過將觀測(cè)數(shù)據(jù)加權(quán)函數(shù)與模型深度加權(quán)函數(shù)引入到光滑約束最小二乘反演中，改善了反演結(jié)果過度集中在淺部的問題，同時(shí)提高了對(duì)深部異常體的識(shí)別和定位精度。劉斌等[30]則采用改進(jìn)遺傳算法與最小二乘相結(jié)合的混合反演成像方法，減少了反演對(duì)初始模型的依賴程度，提高了對(duì)異常體的三維定位精度，并在實(shí)際工程應(yīng)用中，取得良好的應(yīng)用效果。

1.3 隨掘瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

隨掘瞬變電磁是利用接地電極向工作面供電，并用布設(shè)在掘進(jìn)工作面上的回線接收前方返回的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道掘進(jìn)工作面的隨掘超前探測(cè)。瞬變電磁法對(duì)巷道前方的良導(dǎo)地質(zhì)體敏感性強(qiáng)，廣泛用于探測(cè)巷道含水構(gòu)造。但與電法類似，隨掘瞬變電磁超前探測(cè)也易受到TBM 的嚴(yán)重干擾，需要從實(shí)測(cè)信號(hào)中剔除TBM 干擾源以得到真實(shí)反映隧道前方地質(zhì)條件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線，并進(jìn)行成像處理來(lái)解釋前方地質(zhì)情況。

1.3.1 瞬變電磁數(shù)據(jù)采集

隨掘瞬變電磁法的觀測(cè)模式對(duì)數(shù)據(jù)的采集精度和抗干擾能力有較大影響。為了最大限度地接收到來(lái)自隧道前方的異常響應(yīng)，胡佳豪等[31-32]基于TBM 感應(yīng)二次電場(chǎng)的水平分量場(chǎng)值較小、電性源二次場(chǎng)電性分界面法向分量連續(xù)的特點(diǎn)，提出了一種陣列電性源激發(fā)、電場(chǎng)分量采集的TBM 隨掘瞬變電磁超前探測(cè)裝置，降低了TBM 對(duì)電性源瞬變電磁的二次電場(chǎng)影響，圖4 為其完成的掘進(jìn)工作面觀測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)3 個(gè)分量衰減曲線。

圖4 隧道工作面上觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)Ex、Ey、Ez 分量衰減曲線對(duì)比[32]Fig.4 Comparison of attenuation curves of Ex,Ey and Ez components of electric field at observation points on tunnel face[32]

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

由于瞬變電磁法是通過接收從巷道前方產(chǎn)生的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，進(jìn)而獲取掘進(jìn)工作面前方探測(cè)介質(zhì)的電阻率信息，因此，會(huì)不同程度地受到TBM、異常體的大小、掘進(jìn)工作面到異常體的距離等因素的影響，故而TBM 隨掘瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)處理的核心是找到這些因素的影響規(guī)律并予以校正，獲得真實(shí)反映巷道前方地質(zhì)信息的感應(yīng)場(chǎng)。其中，TBM 是隧道TBM 隨掘瞬變電磁法最嚴(yán)重的干擾源，需要從實(shí)測(cè)信號(hào)中剔除TBM 干擾信號(hào)，針對(duì)此問題，盧緒山[33]通過直接模擬TBM 響應(yīng)信號(hào)，并從實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中減去模擬的TBM 純異常響應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而獲得只包含掘進(jìn)工作面前方異常體的響應(yīng)，來(lái)完成TBM 干擾剔除，模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法可以有效消除TBM 干擾。與前一種方法不同，孫懷風(fēng)等[34]通過將純隧道空腔體響應(yīng)與包含TBM 模型的隧道空腔體響應(yīng)做差間接獲得了TBM 響應(yīng)信號(hào)，并以此為干擾背景，從實(shí)測(cè)信號(hào)中剔除了TBM 干擾；通過異常體大小、異常體與掘進(jìn)工作面的距離等干擾源進(jìn)行分析，認(rèn)為其主要差別只存在于晚期，可以看作為異常體自身響應(yīng)差別，同時(shí)，認(rèn)為巷道掘進(jìn)工作面測(cè)得的瞬變電磁響應(yīng)可以近似看作是隧道空腔、TBM 和純異常響應(yīng)的疊加。

1.3.3 擬地震成像

目前，TBM 隨掘瞬變電磁數(shù)據(jù)成像算法與常規(guī)隧道成像方法相同，但需要提高成像速度以滿足TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的需求。為了更好地獲得反映隧道前方不良地質(zhì)體的電性與構(gòu)造信息，在1.3.2 節(jié)數(shù)據(jù)去噪處理的基礎(chǔ)上，借鑒地震偏移成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瞬變電磁數(shù)據(jù)的擬地震處理。戚志鵬等[35]通過波場(chǎng)變換原理將瞬變電磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬波場(chǎng)數(shù)據(jù)，并在建立的虛擬波場(chǎng)速度模型上，采用克?；舴蚍ㄟM(jìn)行波場(chǎng)延拓，以實(shí)現(xiàn)瞬變電磁虛擬波場(chǎng)偏移成像，理論模型與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法能夠有效識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害體的分布情況。圖5 為其完成的隨掘瞬變電磁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)克?；舴蚱瞥上窠Y(jié)果。

圖5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其克?；舴蚱瞥上窠忉尳Y(jié)果[35]Fig.5 Survey data and its Kirchhoff migration imaging results[35]

1.4 煤礦巖巷隨掘電法探測(cè)技術(shù)

TBM 工法應(yīng)用于煤礦起步較晚，我國(guó)于1999 年首次將TBM 引入王家?guī)X煤礦平硐建設(shè)，2014 年在張集煤礦開展開拓巷道掘進(jìn)。近5 年，不同煤礦生產(chǎn)單位陸續(xù)在十余座礦井引入TBM，進(jìn)行巖巷掘進(jìn)。因此，針對(duì)煤礦巖巷掘探一體化技術(shù)研究相對(duì)不足相關(guān)研究文獻(xiàn)也不豐富。在煤礦領(lǐng)域的研究依然有很多的技術(shù)問題需進(jìn)一步探索。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)分析，目前主要以趙栓峰團(tuán)隊(duì)的巖巷隨掘電法探測(cè)為主[36-38]，與隧道隨掘電法相比，煤礦巖巷隨掘電法在數(shù)據(jù)采集裝置和反演成像算法上取得了一定的進(jìn)步。在數(shù)據(jù)采集上，提出采用以盾構(gòu)機(jī)的刀盤作為激勵(lì)和測(cè)量電極的移動(dòng)陣列觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該裝置由刀盤上的一排刀頭充當(dāng)測(cè)量電極，后方邊墻內(nèi)的錨桿為接地電極，順序通電，其完成的超前探測(cè)系統(tǒng)裝置如圖6 所示；成像上，采用三維電阻率層析成像方法實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的反演成像，同時(shí)為提高反演成像速度，引入了虛擬接地電極，并用等效模型代替了原有的保護(hù)電極模型；物理模擬與數(shù)值反演試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能較好地反映異常體的位置。

圖6 移動(dòng)陣列電極盾構(gòu)超前探測(cè)系統(tǒng)的布置[38]Fig.6 Arrangement of advanced detection system of moving array electrode for shield tunneling[38]

2 TBM 掘探一體化發(fā)展方向與思考

基于獲取的文獻(xiàn)資料分析，巖巷TBM 掘探一體化技術(shù)體系研究與應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但還存在以下問題：(1) TBM 掘探一體化技術(shù)體系尚未成熟。目前仍以探測(cè)理論研究為主，特別是TBM 隨掘探測(cè)全空間觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)、有效數(shù)據(jù)提取、異常體成像方法等還需要進(jìn)一步的完善與發(fā)展。(2) TBM 掘、探裝備未實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工效率。目前TBM 掘進(jìn)與探測(cè)設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，主要以在同一施工環(huán)境集中使用為主，未完全實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備與探測(cè)設(shè)備一體化耦合，造成TBM 掘探設(shè)備整裝程度不高，極大限制了TBM 掘進(jìn)探測(cè)綜合效率。(3) TBM 掘探一體化智能綜合控制平臺(tái)開發(fā)相對(duì)滯后。以掘進(jìn)地質(zhì)條件判識(shí)為目標(biāo)，亟需完善施工過程中的智能化綜合管控平臺(tái)，協(xié)同“掘進(jìn)?探測(cè)?處理?反饋”機(jī)制，提升整套系統(tǒng)一體化管控水平。(4) TBM 掘探一體化理念需不斷深入。掘探一體化重在解決多環(huán)節(jié)任務(wù)“打包”，以掘?yàn)橹鳎皆谄渲?。由過去單次施工的“長(zhǎng)探長(zhǎng)掘”，到掘探一體化的“常探常掘”，體現(xiàn)在隨掘而探，大數(shù)據(jù)覆蓋，多頻次疊加，從而提升對(duì)前方地質(zhì)條件的預(yù)報(bào)精度，提高地質(zhì)保障智能化水平。針對(duì)以上4 類問題，本文給出了相應(yīng)的思考和認(rèn)識(shí)。

2.1 掘探一體化超前探測(cè)體系構(gòu)建

掘探一體化超前探測(cè)體系主體包含觀測(cè)系統(tǒng)布置、有效信號(hào)提取、數(shù)據(jù)成像表達(dá)及其地質(zhì)解釋預(yù)報(bào)內(nèi)容。其中最主要的是解決好地震、電磁、紅外等探測(cè)方法與TBM 機(jī)械的耦合問題，且在復(fù)雜的背景場(chǎng)條件下獲得有效的震動(dòng)、地電、溫度場(chǎng)等數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)進(jìn)行單一或融合利用，對(duì)前方地質(zhì)條件進(jìn)行成像、解釋與預(yù)測(cè)。觀測(cè)單元的安裝、信號(hào)的采集控制、異常條件表達(dá)與預(yù)警等需要利用控制平臺(tái)進(jìn)行觀察與監(jiān)控，才能實(shí)現(xiàn)掘探一體化體系功能。圖7 為TBM 隨掘地震掘探一體化體系示意。

圖7 TBM 隨掘地震掘探一體化體系Fig.7 Integrated tunneling and detection system of TBM with seismic while tunneling

2.1.1 觀測(cè)系統(tǒng)

1) 隨掘地震觀測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的巷道地震超前探測(cè)觀測(cè)主要在巷道左(右)側(cè)幫、頂板和掘進(jìn)工作面布設(shè)測(cè)線構(gòu)成二維、三維觀測(cè)系統(tǒng)，主要測(cè)量大傾角斷層構(gòu)造，當(dāng)不良地質(zhì)體的走向與測(cè)線呈小傾角或平行時(shí)，觀測(cè)效果會(huì)大打折扣甚至無(wú)效，因而，針對(duì)TBM 破巖掘進(jìn)的地震隨掘探測(cè)，需要利用左右側(cè)幫及頂板等全空間條件布設(shè)三分量檢波器，實(shí)現(xiàn)巷道三維空間全方位多波多分量探測(cè)，有效降低不良地質(zhì)體漏報(bào)率。

2) 隨掘電法觀測(cè)系統(tǒng)

隨掘電法主要以刀盤作為測(cè)量或供電電極構(gòu)成電法觀測(cè)系統(tǒng)，受限于TBM 施工空間狹小，如何使供電電極發(fā)射的電流更多地流向前方，同時(shí)從側(cè)方接收返回的攜帶地質(zhì)信息的電位信息，并克服TBM 帶來(lái)的干擾是未來(lái)研究的重點(diǎn)。在聚焦觀測(cè)基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的陣列式供電電極和測(cè)量電極構(gòu)成的觀測(cè)系統(tǒng)，在克服TBM 本身干擾的同時(shí)，可以有效提高探測(cè)距離。

3) 隨掘瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的瞬變電磁主要利用掘進(jìn)工作面及巷道兩幫布設(shè)二維線性或三維空間測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次場(chǎng)激發(fā)和二次場(chǎng)的接收，而以TBM 掘進(jìn)的施工巷道占據(jù)了大部分巷道空間，壓縮了測(cè)點(diǎn)布設(shè)的空間。為適應(yīng)TBM 施工巷道環(huán)境，在設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)可以借鑒隧道多點(diǎn)陣列式探測(cè)模式，以刀孔為測(cè)點(diǎn)位置布設(shè)陣列式采集系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)采集的通道數(shù)，而且能夠增強(qiáng)抗噪能力。此外，考慮到TBM 對(duì)電場(chǎng)水平分量的影響較小，采用電性源激發(fā)、水平電場(chǎng)分量接收的隨掘瞬變電磁超前探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

2.1.2 有效信號(hào)提取

1) 隨掘地震

針對(duì)以TBM 破巖震動(dòng)為震源的地震探測(cè)新模式，如何有效識(shí)別破巖震源信號(hào)特征，從巷道復(fù)雜噪聲中提取出有效地震記錄和壓制干擾噪聲是后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。

(1) TBM 破巖震源與信號(hào)特征

以TBM 刀盤破巖震動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的炸藥或錘擊震源采集到的地震信號(hào)是一種隨機(jī)、連續(xù)噪聲記錄，無(wú)法直接利用。開展TBM 破巖震源及其信號(hào)特征分析可以為后續(xù)提取地震有效信號(hào)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) “變?cè)霝樵础薄?/p>

TBM 破巖震源及其信號(hào)特征分析的重點(diǎn)是揭示TBM 破巖震源數(shù)據(jù)的時(shí)頻特征，并分析構(gòu)建出震源函數(shù)。刀盤上的滾刀切割巖石具有隨機(jī)性、相互干擾性，造成其震源機(jī)制及其信號(hào)特征的復(fù)雜性。通過對(duì)TBM 不同工作狀態(tài)下的破巖震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻域特征分析，結(jié)合TBM 機(jī)械施工力源特征與震源信號(hào)激發(fā)機(jī)制分析，構(gòu)建出震源函數(shù)；并獲取TBM 掘進(jìn)期間切割不同巖石的時(shí)頻域特征，匯聚頻譜，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和成像解釋提供支撐。

(2) 提取有效信號(hào)

在TBM 破巖震源與信號(hào)特征分析的基礎(chǔ)上提取有效信號(hào)，得到用于反演、成像的虛源地震記錄，是隨掘地震數(shù)據(jù)處理的首要目標(biāo)。

目前針對(duì)隨掘地震信號(hào)的處理多以互相關(guān)等常規(guī)地震干涉技術(shù)為主，其在一定程度上可以有效地將TBM 產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)恢復(fù)到類脈沖化的震源信號(hào)，但隨掘震源影響導(dǎo)致的多峰值脈沖等干擾仍然存在，需要進(jìn)一步針對(duì)TBM 破巖震源信號(hào)干擾特征進(jìn)行針對(duì)性的處理。為此，開展以常規(guī)地震干涉技術(shù)為基礎(chǔ)結(jié)合最佳維納濾波、小波分析等的多技術(shù)聯(lián)合的處理算法研究，得到可直接用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理、成像解釋的有效地震信號(hào)。另外，地震干涉技術(shù)在“變?cè)霝樵础钡倪^程中，同時(shí)改變了地震信號(hào)準(zhǔn)確的振幅與相位信息，會(huì)影響后續(xù)成像的準(zhǔn)確性，如何校正或消除該影響同樣需要更進(jìn)一步的研究。

2) 隨掘電法

隨掘電法主要是通過供電電極向掘進(jìn)工作面前方供電，并采集掘進(jìn)工作面探測(cè)區(qū)域返回的電位信號(hào)。其有效數(shù)據(jù)提取的核心是降低本底噪聲干擾，提高采集電位信號(hào)的信噪比。

考慮到礦井防爆性要求，電法采集設(shè)備的功率相對(duì)較小，且采集的電位信息基本在毫伏級(jí)，儀器的本底噪聲會(huì)對(duì)采集的電位數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大干擾，故需要降低采集儀器本身的本底噪聲對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響，提高采集數(shù)據(jù)的信噪比。針對(duì)此問題，在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用以小波變換為基礎(chǔ)的復(fù)合濾波處理算法，壓制背景噪聲干擾，同時(shí)在采集電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到硬件的本底噪聲，并采用低通濾波等處理手段，降低采集儀器本底噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)有效信號(hào)的提取。

3) 隨掘瞬變電磁

瞬變電磁法是一種感應(yīng)類電磁法，受金屬干擾影響較大，而TBM 本身作為一個(gè)強(qiáng)金屬干擾源，如何從實(shí)測(cè)信號(hào)中剔除TBM 干擾信號(hào)是隨掘瞬變電磁數(shù)據(jù)處理的核心。

剔除TBM 干擾信號(hào)的重點(diǎn)在于如何獲取TBM在巷道中的響應(yīng)曲線：(1) 可以通過直接模擬TBM 施工巷道環(huán)境下的TBM 響應(yīng)信號(hào)，再?gòu)膶?shí)測(cè)信號(hào)中減去純TBM 信號(hào)；(2) 間接利用不包含TBM 的純巷道空腔響應(yīng)與包含TBM 時(shí)巷道的實(shí)測(cè)響應(yīng)信號(hào)的差值，得到純TBM 的響應(yīng)曲線，然后從實(shí)測(cè)信號(hào)中運(yùn)算消除。

2.1.3 高精度成像

1) 地震高精度成像

隨掘地震高精度成像的前提是充分利用巷道全方位立體空間和多波多分量的地震波場(chǎng)信息，在地震有效記錄提取的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展高精度的成像研究，提高對(duì)巷道反射界面的形狀和范圍的探測(cè)精度。

常規(guī)的巷道偏移算法主要利用橢球繞射偏移法進(jìn)行巷道反射界面二維、三維成像。該方法利用炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)作為橢球焦點(diǎn)，二維平面網(wǎng)格、三維空間網(wǎng)格同一到時(shí)的振幅集中到橢球等時(shí)面上，這也造成了該方法在偏移成像時(shí)具有空間對(duì)稱性，無(wú)法確定異常體產(chǎn)狀，同時(shí)在進(jìn)行三維偏移時(shí)，計(jì)算效率偏低。針對(duì)此問題，一方面，在原有偏移算法基礎(chǔ)上，深入開展三分量極化偏移等方法研究，另一方面，在常規(guī)逆時(shí)偏移方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展基于反演理論的最小二乘逆時(shí)偏移成像方法與彈性波全波形反演方法研究，提高巷道前方反射界面的成像精度；此外，為提高成像計(jì)算效率，開展MPI(Message Passing Interface)、OpenMP(Open Multi-Processing)等多核多線程并行計(jì)算方法研究，通過合理構(gòu)建隨掘地震成像并行程序架構(gòu)，解決成像程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)之間的依賴。

2) 電法高精度成像

巷道三維電法超前探測(cè)成像技術(shù)主要通過布設(shè)在巷道掘進(jìn)工作面及側(cè)幫的三維電法觀測(cè)系統(tǒng)，采集巷道前方空間電位信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與反演計(jì)算。所以，進(jìn)行電法高精度成像，需要準(zhǔn)確獲取巷道全方位、三維空間電位信息。

為了充分利用TBM 施工隧道空間，采用同性源陣列式隨掘電法超前探測(cè)系統(tǒng)，獲取更多的三維空間電位數(shù)據(jù)，不僅提高了探測(cè)距離，而且保留了傳統(tǒng)聚焦觀測(cè)抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。此外，針對(duì)三維反演成像過程中靈敏度矩陣計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)、內(nèi)存占用過大等問題，在選擇反演成像算法時(shí)，優(yōu)先選擇不完全計(jì)算或不計(jì)算靈敏度矩陣的反演算法，以提高程序運(yùn)行效率，節(jié)約存儲(chǔ)空間。

3) 瞬變電磁高精度成像

隨掘瞬變電磁成像與常規(guī)隧道瞬變電磁成像方法一致?；谔摂M波場(chǎng)理論，將瞬變電磁數(shù)據(jù)處理成擬地震數(shù)據(jù)并進(jìn)一步進(jìn)行偏移成像是瞬變電磁數(shù)據(jù)高精度成像方法的又一進(jìn)步，其成像方法的核心在于波場(chǎng)反變換。波場(chǎng)反變換是由瞬變電磁擴(kuò)散場(chǎng)求取波場(chǎng)的過程，是不適定問題，需要可靠的數(shù)值求解方法，采用預(yù)條件共軛梯度法可以很好地實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)反變換計(jì)算。此外，借鑒地震逆時(shí)偏移思想，開展瞬變電磁逆時(shí)偏移成像方法的研究，進(jìn)一步拓展瞬變電磁場(chǎng)的內(nèi)涵，為瞬變電磁數(shù)據(jù)的高精度成像理論提供理論支撐。

2.2 掘探一體化裝備技術(shù)研發(fā)

巖巷TBM 掘探一體化設(shè)備研發(fā)不僅需要提高TBM 掘進(jìn)設(shè)備和探測(cè)設(shè)備的一體化兼容能力，還需要加強(qiáng)TBM 掘進(jìn)設(shè)備和物探探測(cè)設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建以TBM 為中心的“機(jī)?井下?地面”一體綜合管理控制系統(tǒng)，以提升掘探一體施工效率。

(1) 提高物探設(shè)備與TBM 一體化兼容性。TBM掘進(jìn)設(shè)備與物探設(shè)備一體化不是簡(jiǎn)單地將物探探測(cè)設(shè)備加載到TBM 上，而是有機(jī)融合成一個(gè)系統(tǒng)。探測(cè)設(shè)備與TBM 系統(tǒng)之間的兼容性、掘進(jìn)部件與探測(cè)傳感器之間的相互干擾等問題，都需要構(gòu)建一個(gè)兼容性更大的平臺(tái)，以解決TBM 掘探一體化設(shè)備的整機(jī)智能性。

(2) 研發(fā)多源數(shù)據(jù)一體化采儲(chǔ)系統(tǒng)裝備。常規(guī)的超前探測(cè)需要針對(duì)不同的探測(cè)任務(wù)更換對(duì)應(yīng)的探測(cè)設(shè)備，不同設(shè)備切換極大地降低了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效率，故研發(fā)多源數(shù)據(jù)一體化采集儲(chǔ)存系統(tǒng)裝備，使得一臺(tái)儀器可以同時(shí)采集多種不同類型的感知參數(shù)，可提高TBM掘探一體化的效率。

(3) 開發(fā)多參數(shù)融合?大數(shù)據(jù)疊加處理技術(shù)。隨掘隨探感知參數(shù)多，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)量大，有效利用地質(zhì)地球物理大數(shù)據(jù)，特別是對(duì)掘進(jìn)工作面前方多頻次探測(cè)數(shù)據(jù)的疊加處理，融合高精度判識(shí)至關(guān)重要，開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與診斷技術(shù)是掘探一體化裝備技術(shù)的重要組成部分。

2.3 智能控制系統(tǒng)開發(fā)

當(dāng)前，TBM 巖巷掘進(jìn)與探測(cè)設(shè)備系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，缺乏協(xié)調(diào)整個(gè)巷道施工期間的掘進(jìn)與探測(cè)管理的智能控制系統(tǒng)平臺(tái)。TBM 掘探一體化包括掘進(jìn)、探測(cè)、狀態(tài)顯示、信息反饋、指控發(fā)布等多個(gè)部分，以往多采取分散式管理，各工種之間的通信消耗時(shí)間增加，效率難以有效提高，為此構(gòu)建以TBM 掘進(jìn)刀盤感知為基礎(chǔ)的TBM 智能化控制系統(tǒng)，輔以隨掘探測(cè)超前預(yù)報(bào)，綜合多元信息融合、慣性導(dǎo)航、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)設(shè)備的狀態(tài)和巷道前方地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)。此外，智能控制系統(tǒng)平臺(tái)借助AI 智能輔助決策技術(shù)，輔助給出決策建議，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化選取與智能支護(hù)，同時(shí)結(jié)合礦井5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)方向與設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程控制。圖8 為TBM 智能化控制系統(tǒng)示意。

圖8 TBM 智能化控制系統(tǒng)Fig.8 TBM intelligent control system

2.4 掘探一體化實(shí)踐體系研究

目前，應(yīng)用于煤礦巖巷TBM 掘探一體化探測(cè)的工程案例很少。借鑒于隧道巖巷TBM 掘探一體化探測(cè)技術(shù)，基于現(xiàn)有文獻(xiàn)分析認(rèn)為，煤礦巖巷TBM 掘探一體化工程應(yīng)用中還需要提高對(duì)TBM 掘探一體化認(rèn)知，強(qiáng)化一體化管理與發(fā)展等方面研究。

(1) TBM 掘探一體化實(shí)施理念。目前TBM 掘探一體化在工程應(yīng)用中還停留在掘、探分離階段，即TBM 掘進(jìn)與超前探測(cè)是由各自獨(dú)立完成，兩者之間的一體化協(xié)同程度不高。從TBM 鉆機(jī)研發(fā)、操控平臺(tái)開發(fā)、工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，到相關(guān)科研院所，都要不斷提高認(rèn)識(shí)，加大科技投入，持續(xù)推動(dòng)TBM 掘進(jìn)與探測(cè)一體化聚力發(fā)展。

(2) TBM 掘探一體化數(shù)據(jù)管理。當(dāng)前TBM 掘探一體化仍以長(zhǎng)距離、低頻次探測(cè)為主，而TBM 快速掘進(jìn)對(duì)近距離超前探測(cè)精度提出了更高要求。因此，需要開展高頻次、短距離、多覆蓋的隨掘探測(cè)，重點(diǎn)要解決前方50 m 以內(nèi)的地質(zhì)問題，通過工程實(shí)踐進(jìn)一步掌握掘進(jìn)地質(zhì)條件的信號(hào)特征，確立信號(hào)背景場(chǎng)、異常場(chǎng)并入庫(kù)管理，實(shí)現(xiàn)異常體信息智能識(shí)別，其中，研發(fā)TBM 掘探一體化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是關(guān)鍵。

(3) TBM 掘探一體化發(fā)展方向。未來(lái)TBM 掘進(jìn)與探測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平不斷提高，需超前研究掘進(jìn)地質(zhì)條件透明化的適配性，與TBM 裝備融合搭載，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)前方地質(zhì)異常信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌控，軟件處理實(shí)時(shí)化、可視化、智能化，實(shí)現(xiàn)近距離地質(zhì)條件高精度分辨，遠(yuǎn)距離地質(zhì)條件高效率預(yù)報(bào)，動(dòng)態(tài)交互更替，隨掘隨測(cè)隨報(bào)，少人無(wú)人超前操控，突顯一體化成效。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著煤礦機(jī)械化、智能化程度不斷提高，TBM 巷道施工將會(huì)成為未來(lái)現(xiàn)代化大型礦井的發(fā)展趨勢(shì)?；谕该鞯刭|(zhì)保障體系架構(gòu)，積極利用好裝備和探測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以有效獲得對(duì)前方地質(zhì)條件的預(yù)測(cè)判斷效果。其中裝備開發(fā)、控制平臺(tái)、方法融合與成像是關(guān)鍵，由過去單方法、單次探測(cè)，向多方法、融合隨掘隨探轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)是把TBM 巖巷掘進(jìn)過程中“低頻次、長(zhǎng)距離、高精度”的需求轉(zhuǎn)變成“高頻次、短距離、多覆蓋、高精準(zhǔn)”，實(shí)現(xiàn)安全、精準(zhǔn)、智能掘進(jìn)，進(jìn)一步提升巷道掘進(jìn)的工作效率及成效，向TBM 掘探一體智能化發(fā)展。

具體來(lái)說，面對(duì)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展要求，就要完善TBM 掘探一體化技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)超前感知、超前預(yù)報(bào)、超前控制的實(shí)時(shí)決策。在現(xiàn)有隧道TBM 隨掘探測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)有效提取和地質(zhì)異常成像等方向進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，促進(jìn)TBM 及配套技術(shù)裝備的升級(jí)，發(fā)展和完善適合煤礦巖巷TBM 隨掘探測(cè)一體化技術(shù)。同時(shí)，需要進(jìn)一步提高裝備的耦合程度，實(shí)現(xiàn)TBM、探測(cè)設(shè)備、傳感器等有機(jī)結(jié)合，提升TBM 裝備的自動(dòng)化，信息化、智能化水平；需要研發(fā)TBM 智能化控制及大數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)平臺(tái)，為TBM施工提供最佳掘進(jìn)參數(shù)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)智能決策依據(jù)，提高TBM 施工掘探一體化水平；需要在室內(nèi)強(qiáng)化1∶1 模型推演以及工程實(shí)踐跟蹤探測(cè)體系研究，對(duì)煤礦巷道施工等條件的背景數(shù)據(jù)及典型地質(zhì)異常響應(yīng)特征進(jìn)行有效掌控，不斷提升成像方法、地質(zhì)地球物理大數(shù)據(jù)的效能。通過TBM 掘探一體化技術(shù)體系的建立，對(duì)前方地質(zhì)模型的精準(zhǔn)重建實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)航，為礦井地質(zhì)條件透明化及智慧礦山建設(shè)作出貢獻(xiàn)。