煤礦巷道超前探測多數據融合技術研究進展與分析

邱 實，張平松，胡澤安，李圣林

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001）

隨著煤礦開采向安全、高效和智能化發展，巷道掘進前方地質情況嚴重制約了煤礦安全高效開采，因而對巷道前方地質情況的探測提出更高的要求。煤礦巷道掘進前方遇到的地質異常體包括：斷層破碎帶、隱伏構造和陷落柱等[1-3]，這嚴重阻礙了煤礦的安全高效生產，而巷道超前探測技術是解決此類問題的重要手段，主要的超前探測技術包括反射地震波法、瞬變電磁法、直流電阻率法和地質雷達法等[4-7]，受超前探測技術條件的限制，多利用單一的探測方法獲得對前方地質條件的判斷認識，對于巷道前方的物探數據單獨反演或者使用2種及2種以上方法單獨反演進行相互驗證[8-11]，這是基本現狀，這也導致了在進行單一數據反演時存在多解性、異常范圍大等問題，針對這類問題，進行數據融合研究，可以有效解決反演多解性問題，提升對地質條件判斷預報的準確率，然而使用煤礦巷道超前探測的不同物性數據（如電阻率和速度）進行多數據間融合的研究文獻較少。目前，地球物理多方法之間數據融合具有一定的條件，井下巷道超前探測數據采集裝置及數據質量等具有不同差異性。為此，從數據融合原理及數據融合類型入手，結合煤礦現有的巷道超前探測方法技術，重點討論礦井巷道超前探測數據融合處理應用發展趨勢及存在的問題，為今后巷道超前探測多數據融合技術發展提供思路。

1 數據融合基本原理

數據融合是對2種或2種以上的地球物理數據，使用某種約束條件，進行數據反演，使之滿足統一的地質模型[12-14]。目前數據融合主要可歸納為2大類：一種以交叉梯度約束為主；另一種為巖石物性約束。以交叉梯度約束為主，討論地球物理場多數據間的數據融合方法。

1.1 數據融合函數

1.1.1 交叉梯度函數

交叉梯度函數的理論基礎[15]：當參與反演的2種地球物理數據梯度變化方向平行或者相反，又或者只有1種數據梯度發生變化時，兩者間的交叉梯度值為0；相反，則兩者之間的交叉梯度值不為0。

在三維條件下，2個不同物性參數間的交叉梯度函數t（x，y，z）定義為：

式中：m1、m2為不同的地球物理物性參數，如地震波速（m/s）、電阻率（Ω·m）、密度（kg/m3）等；▽為梯度運算符；t為定義2個物性參數之間的交叉梯度值；i、j、k分別為沿x、y、z方向的單位向量；tx為t的x分量；ty為t的y分量；tz為t的z分量。

tx、ty、tz表達式為：

假設模型在二維條件下，沿y方向無變化，則模型其余2個方向，只存在y方向的交叉梯度分量：

1.1.2 數據融合目標函數的構建

參考相關的地球物理數據融合的文獻[16-19]，在建立數據融合目標函數時也采用最小平方準則[20]，同時引入模型光滑項與交叉梯度約束項。

采用中心差分法，進行數據的離散化[21]，利用最優化算法，求解最優化值，最后輸出最優值。

1.2 數據融合類型

1.2.1 地震與電法數據融合

2003年，Gallado和Meju首次提出利用交叉梯度函數約束速度與電阻率模型，并進行地震數據與電阻率數據之間的數據融合，最終得到的電阻率模型與速度模型具有顯著的結構一致性[15，22-24]；薄鵬雷以交叉梯度作為約束條件，同時使用結構化與非結構化網格，進行模型網格劃分，實現波阻抗與電阻率的數據融合，驗證了算法的有效性[25]；Zhanjie Shi等將三維地震折射波與直流電阻率的數據融合應用杭州臨安古城考古遺址，數據融合模型與古城遺址考古發掘相一致，驗證了三維地震與直流電阻率法的可行性[26]；數值模擬與實際應用結果證明，地震與直流電法數據融合可以有效改善單一地震方法對低速體成像效果和單一電法方法對高阻成像。

1.2.2 地震與電磁數據融合

近年來，利用地震與電磁法數據進行數據融合也取得不錯效果。Bennington等發展了基于歸一化交叉梯度約束的三維天然地震和二維大地電磁的數據融合算法，獲得結構相似的地震縱波和電阻率圖像[27]；ismailDemiri等則在Gallardo和Meju參數修正量的第2項中加入新的正則化參數，以增強解的穩定性，同時控制交叉梯度項在解中的貢獻，結果表明，即使在電阻率邊界和速度邊界不同的情況下，也會對2種方法的融合產生積極的影響[28]；齊嘉慧等實現基于交叉梯度耦合的大地電磁與地震的數據融合并應用于深部金屬礦模型，結果顯示，多物探數據融合可以減少反演結果的多解性[29]。數值融合結果證明，進行地震與電磁數據融合，可以消除圍巖帶來的假異常，提高對異常體邊界的恢復程度，改善反演結果。

1.2.3 地震與重力數據融合

交叉梯度約束、巖石物性約束是2種常見的數據融合約束條件。利用交叉梯度作為約束條件融合不同的地球物理數據，該方法對巖石物理關系要求不強，只需要參與數據融合的不同地球物理模型具有相似的結構。陳曉紅將交叉梯度函數引入到重力和地震的同步反演中，并首次將信賴域算法加入到重力與地震的同步反演去，加速算法收斂，同時減少利用重力與地震資料反演密度界面時存在的多解性[30]。

在巖石物理關系明確時，使用巖石物性約束要比只進行模型結構約束效果要好。趙楊在反演中，充分利用巖石物性約束，建立起地震與重力反演的框架，并應用于南北地震帶的地震與重力數據的數據融合，驗證算法可行性[31]。實際應用結果表明，在反演中有效利用速度和密度的關系，進行實測數據的擬合，得到的數據融合結果更優。

1.2.4 地震與地震數據融合

隨著勘探精度的提高，不同類型地震波間的數據融合也在不斷發展。Ari Tryggvason基于交叉梯度約束實現縱波與橫波之間的數據融合，得到的vp/vs（vp為地震縱波；vs為地震橫波）比值偏差較小，并明顯改善其圖像效果[32]；傅磊和劉四新通過在數據融合目標函數中加入P波速度與S波速度的交叉梯度約束項，實現二者數據融合，結果表明二者的數據融合可以有效抑制S波反演中的偽異常[33]。數值模擬結果顯示，S波速度和P波速度的數據融合結果比單一反演結果更好。

1.2.5 重力與磁法數據融合

Zhou和Meng在重力和磁法數據的三維數據融合方面做了深入工作，在基于交叉梯度約束重磁數據融合的基礎上，又入了深度加權與物性范圍約束，實現多約束條件下重力與磁法的數據融合，驗證了改算法的可行性[34]；修春曉等開展了基于網格節點稀疏約束的重磁交叉梯度數據融合的研究，利用塊體剩余密度和剩余磁化率模型所轉化的節點剩余密度和磁化率模型的天然稀疏性特點進行稀疏反演，有效恢復異常體密度且異常體邊界清晰[35]。

綜上所述可以看出，相同和不同的物性數據都可以通過交叉梯度函數實現二者之間的數據融合，相較于傳統的數據融合方法，此方法的應用性更廣，同時也可得到更優的反演結果。

2 煤礦巷道超前探測數據融合研究進展

2.1 巷道超前探測技術應用現狀

煤礦巷道前方地質條件的探查與預報是安全生產的重要組織部分。綜合常用的地震波類、電磁類方法，主要解決前方地質構造等界面問題，以及前方異常區段富含水等安全問題，包括以下幾種：

1）反射地震波法。地震波在傳播時，遇到煤巖等波阻抗有差異的界面時會發生反射，地震檢波器接收反射回來的信號，形成地震記錄。運用地震波動力學和運動學原理，進行地震記錄的波形特征分析，進行相關巖石力學參數的計算與異常界面的提取，來推測不良地質體的空間位置與范圍。劉盛東等在對地震波場處理時，提出一種反射波動態極化偏移技術，該技術能消除成像時的異常假象，提高分辨率[36]；劉彥杰開展了對長距離多斷層破碎帶巷道超前探測關鍵技術的研究，并將該技術應用于依蘭礦區，現場應用結果表明，該技術能探明待掘巷道的地質構造情況，為巷道過斷層帶的施工方案，提供依據[37]，近年來，也有學者開展了隨采反射地震勘探的試驗[38]，取得了一定的進步。實際應用中，由于井下的空間有限，進行偏移成像的偏移孔徑較小，存在無法對異常體方向進行探測的問題。

2）瞬變電磁法。通過在發送回線上供1個電流脈沖方波，產生1個向回線法線方向傳播的一次磁場。在一次磁場激勵下，探測的介質將產生渦流;在一次場消失后，該渦流有1個過渡的衰減過程，該過程又產生1個衰減的二次磁場向掘進工作面傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映前方介質的電性特征。程久龍等在瞬變電磁法數據處理中，引入雷達的合成孔徑方法，對巷道前方同一測點不同探測方位的瞬變電磁數據進行合成孔徑成像[39]；許顥礫等提出1種地面與井下雙源立體探測瞬變電磁方法，解決對局部異常體探測時的信噪比和探測深度較小的問題[40]。在實際探測中，由于巷道內管道、支護錨網等金屬干擾存在，實際獲取的數據信噪比仍然較差；另一方面，瞬變電磁法對頂底板響應曲線相似，無法對異常源進行準確定位。

3）直流電阻率法。在巷道掘進面后方布置電極，電極間距離相等，分別向巷道底板供電，形成點電源場。在均勻介質中，根據球殼理論，通過測量電極M、N之間的電位差，進一步獲得電阻率分布情況。馬炳鎮等和占文鋒等模擬了礦井全空間電流場的分布情況[41-42]，石學峰研究巷道空腔存在條件下，對巷道迎頭電流場分布的影響[43]；韓德品等根據老窯不同積水程度下視電阻率的特征，利用統計學法，對掘進工作面結果進行預報[44]；實際探測時，由于電法體積效應的影響，也存在無法對異常體進行準確定位的問題。

4）探地雷達法。通過發射天線向地下發射頻帶寬、頻率高的電磁波，電磁波信號在傳播時，經過電磁差異較大的區域會發生透射、反射和折射，攜帶地層信息的電磁波信號被接收天線接收。宋勁研究了不同的探測參數下雷達信號的處理方法，大大改善了雷達數字信號的處理技術與方法[45]；張開偉等和李東等開展礦井地質雷達超前探測方法及應用的研究，并在某礦區實際應用中，準確預報了巷道前方地質異常體的位置[46-47]。探地雷達具有分辨類高，操作方便等優點，但探測距離較短。

2.2 煤礦超前探測多數據融合研究現狀分析

2.2.1 相同物性參數數據融合

對于相同物性參數：一方面，可以將二者看作一個整體，代入反演目標函數中求解。李飛將瞬變電磁正演算子與直流電法正演算子看作一個整體，構成聯合正演算子，同時將兩者的觀測數據作為聯合觀測數據，以此構建數據融合目標函數，采用非線性的粒子群優化算法，通過多次迭代，求解數據融合目標函數的解。該融合算法形式簡單且對初始條件要求不高，具有收斂性強和穩定性好的特點。理論模型試算與實際應用結果表明，數據融合對于等值現象具有一定的抑制作用[48]。另外，李飛等將瞬變電磁響應對數與直流電阻率比值作為數據融合參數，代入數據融合目標函數，采用最小二乘法進行求解，相比較于將二者直接看作一個整體代入反演方程，將兩者的比值作為整體代入反演方程，可以更好地解決單一反演時存在的等值現象與瞬變電磁對于高阻體反演時敏感性差的缺點[49]，簡單高阻模型瞬變電磁法和直流電法超前探測數據融合效果對比圖如圖1，圖1表明，瞬變電磁法和直流電法超前探測數據融合可很好改善瞬變電磁法反演存在的等值現象，同時克服瞬變電磁法反演時對高阻體敏感性低的問題，提高了對巷道前方地質情況的反演精度。

圖1 瞬變電磁法反演、直流電法反演及瞬變電磁法和直流電法數據融合結果圖[48]Fig.1 Transient electromagnetic method inversion,direct current method inversion and transient electromagnetic method and direct current method data fusion result diagram[48]

另一方面，可以先以某一種方法得到的地球物理模型作為另一種反演方法的初始模型。李貅等以瞬變電磁法獲得的電性信息作為初始電性模型，利用有限元法計算核磁共振正演響應，并結合實測數據，采用最小二乘法進行三維核磁共振反演，以此實現二者的數據融合，該法降低了反演過程中核磁共振靈敏度矩陣的病態性及干擾信號的影響[50]；師素珍等在對煤層頂底板巖性識別時，對于煤層與灰巖的識別，采用常規波阻抗反演，利用其波阻抗值的高低進行劃分；對于砂泥巖混合體的識別，利用在波阻抗反演中建立起的聲波曲線的時深關系，加入高頻的自然伽馬曲線進行波阻抗反演，實現聲波曲線與自然伽馬曲線的數據融合，最終達到對煤層頂底板識別。相比較直接高頻伽馬曲線信息和用小波分解提取的低頻成份的融合，數據融合在保留聲波曲線的時深關系的基礎上，直接用自然伽馬曲線值進行波阻抗反演。該方法的優點是：一方面避免聲波曲線的低值或高值在與自然伽馬曲線高值或低值混合時發生相互抵消，造成巖性信息的缺失；另一方面最大程度的保留自然伽馬曲線對泥巖敏感性，使得數據融合的精度高于單一反演[51]。

這2種數據融合方式在一定程度上實現了數據融合，但是僅限于相同的物性數據，極大地限制了應用范圍，阻礙其推廣使用。

2.2.2 不同物性參數數據融合

不同物性參數間的數據多采用結構約束或巖石物性約束的方式以實現二者間的數據融合。對于沒有明確巖石物性關系的2種物性參數間的數據融合，多以結構約束為主。在獲取煤層幾何參數與巖石物理參數過程中，針對常規地震和地電方法記錄的數據在獨立反演時，因部分數據不準確，出現兩者的反演結果相差較大的問題，M DOBRóKA等提出了1個分層模型，通過層的厚度約束所有的數據，并在數據融合目標函數地求解過程中，采用加權阻尼最小二乘法求解地震和地電參數的線性化方程組；此外，為估計所導出的幾何物理層參數和巖石物理層參數的精度和可靠性，還計算了模型協方差矩陣和相關矩陣[52]。模型試算結果顯示，數據融合過程中，模型參數間的相關性明顯降低了，較單一反演，提高了參數估計的精度。

2.2.3 交叉梯度約束數據融合

相較于將相同物性參數看作整體或將某一方法的結果代入另一種反演算法中，以實現數據間的融合，基于交叉梯度約束的數據融合算法通過約束二者的物性梯度方向一致以使不同模型實現結構相似性即兩者的交叉梯度值為0。李飛等在構建數據融合目標函數時，通過留下交叉梯度項中的地震波阻抗模型參數，舍去地震正演項，以此形成單向傳遞交叉梯度的數據融合算法。此算法只在瞬變電磁反演過程中加入地震波阻抗模型，進行約束，而在地震反演過程中不使用電阻率模型進行約束。針對2種模型網格不匹配的問題，可以采用K-means算法消除波阻抗模型中存在的次要結構變化問題，提高反演程序的穩定[53]。此方法的優點在于，可通過尋求涉及算法物理模型的共有結構特征，建立物理模型參數間的約束關系。地震波阻抗反演和瞬變電磁法反演與二者數據融合的結果對比圖如圖2。由圖2可以看出，數據融合的結果能更好地重構理論模型的形態與電性特征，且從數據擬合殘差圖中可以看出，該算法的穩定性比單獨反演更好。

圖2 波阻抗反演、瞬變電磁法反演及波阻抗和瞬變電磁法數據融合結果圖[53]Fig.2 Wave impedance inversion,transient electromagnetic method inversion and wave impedance and transient electromagnetic method data fusion results[53]

基于交叉梯度約束的數據融合弱化以往對參與數據融合的數據物性要求，只要求參與數據融合的數據間有相似的結構特征，更易實現相同或不同物性數據間的數據融合，達到真正的數據融合。

3 巷道超前多數據探測發展

隨著煤礦開采深度不斷加大，巷道開挖的難度也在不斷加大，巷道安全掘進對探測精度提出更高的要求。圍繞地球物理數據融合方法及數據融合類型、煤礦巷道超前探測技術發展，目前煤礦物探數據融合方式，通過分析煤礦現有探測技術的文獻，認為今后煤礦物探數據融合方法發展迫在眉睫。

1）向多維多方法數據融合發展。針對巷道前方地質情況預報，現階段多采用單一方法處理所采數據，然后進行成果的相互驗證，并給出成果解釋，只是將不同數據體放在一起表達，并未實現真正的數據融合處理，同時對巷道有限的空間內所采集的數據有限，而利用不同地球物理數據間的相互約束，進行多維多方法的數據融合可以使用更多物性數據從不同角度來分析地質結構，從而提高解釋精度。未來圍繞多維多方法數據融合，進一步探究超前探測多維多方法數據融合理論與成像算法。

2）向交叉梯度約束發展。地球物理數據間的數據融合主要通過交叉梯度約束與巖石物性約束實現。以巖石物性作為約束條件，要求2種不同的物性參數具有較強的巖性關系，如速度與密度，而以交叉梯度作為約束條件，只需要參與數據融合的2種物性模型，具有結構上的相似性即兩者的交叉梯度值為0，交叉梯度約束在數據融合中具有精度高、穩定性好和易實現的優勢。目前礦井超前探測多數據融合的文獻較少，應該以交叉梯度約束為中心，開展相同物性和不同物性間的數據融合，進一步研究非線性數據融合，與此同時，加強非震類與非震類、地震類與非震類、地震類與地震類間的同步數據融合算法的研究。

3）向動態智能探測發展。現階段，煤礦巷道超前探測技術多采用現場探測和地面處理與解釋的方式，一定程度上制約著巷道掘進速度且不能對巷道前方地質情況進行實時預警。未來由單一、多方法現場探測向現場數據處理方向發展，隨著掘進、回采工作面的生產條件利用不同激發源、主被動條件和多數據交互處理，最終達到多方法數據間的數據融合，不斷提升數據交互能力，由此獲得前方地質條件多數據單一屬性聯合解釋的結果，不僅提升勘探的準確率，而且還可以提高掘進速度。

4）向三維可視化發展。針對煤礦安全高效開采對隱蔽致災地質因素動態智能探測的要求，開展基于多維多方法數據構建巷道前方地質異常體的三維可視化模型研究，整體提升煤礦隱蔽致災地質因素動態智能探測。

5）向大數據化發展。隨著煤礦開采向智能化、信息透明化和實時處理發展，借助井下通信光纜實時傳輸井下數據，必將有海量數據需要處理，而傳統的數據處理技術無法滿足對海量數據處理，所以需借助大數據平臺，進行井下數據的實時、快速處理，并實時向用戶發送井下地質信息。

4 結語

煤礦巷道超前探測與預報精度是掘進工作面安全生產的重要參數，做好巷道超前探測多數據融合方法研究與應用實現至關重要。目前對于不同物性參數間的數據融合，還僅僅是建立起模型約束，并沒有進行反演的相互約束，對于數據融合的模型也需要進行特殊處理，未來還需要進行數據間反演的相互約束，對于數據融合的模型，采取公共模型的網格，直接進行計算，減少計算量，便于程序實現。

隨著技術發展，相關儀器設備的開發，全空間、多參數、多數據的融合算法更加智能化，探測結果的解釋更精細化。與掘進機械之間硬軟件一體化，實施隨掘超前探測，進行短距離、高精度、全時段超前預報，為現場安全生產提供技術保障。