回采工作面煤層動態標定預測技術應用研究

劉文明 ，高耀全 ，蔣必辭 ,2，李 鵬 ,3，薛悟強

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；4.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

我國煤礦智能化開采基本上實現了從單機自動化向“三機”協同自動化以至于局部系統智能化的技術跨越[1-2]，但智能開采對于復雜地質條件的適應性遠遠不足[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、遠程控制系統的自主決策能力有待提高[4]；二是工作面基礎地質條件查明精度不足，導致智能開采遭遇地質條件較大變化時無法迅速調整適應等[5]。

智能化開采對煤層厚度、煤層起伏形態提出了更高的精度要求[6]。構建高精度三維地質模型成為實現智能化的關鍵技術問題之一[7]。由于工作面內部已知數據較少，采用傳統的插值算法無法有效預測工作面煤層起伏。三維地震勘探能夠對煤層起伏、埋深、厚度和構造等進行高精度探測[8-10]，但由于其標定數據的稀缺性，導致反演得到的煤層底板精度受限[11]。回采工作面兩側巷道具有大量的探煤厚數據，同時隨著切眼不斷推進，會不斷產生探煤厚數據，利用這些數據對三維地震進行動態解釋和標定，可不斷提高煤層底板反演的精度，從而從根本上提高地質建模精度。同時煤層厚度較為穩定的工作面，可通過插值算法迭代更新煤厚不斷降低預測誤差[12]。

前人對三維地震勘探技術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解釋技術還沒有進行系統的研究。本文以三維地震數據為基礎，利用回采工作面巷道和切眼得到的探煤厚數據，重新標定三維地震數據，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，利用假設的未回采處探煤厚數據進行精度對比，研究更新過程中精度變化及存在的問題。

1 三維地震動態解釋原理

三維地震動態解釋是在常規的地質分析、反射波標定、波組對比、層位構造解釋的基礎上進行的，由于礦井在采掘過程中可不斷得到煤層頂底的空間坐標，從而能夠對該煤層的底板反射波和煤層厚度進行重新標定校正。

工作面煤層底板反射波為密度較高的網格化數據，若其采集處理方法得當，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據，需要利用已知煤層底板高程值構建速度場，進行時深轉換。由于煤田聲波測井資料稀缺，常采用平均速度場方法，其精度主要受標定點的密度和均勻度影響。

計算標定點處的速度值公式為：

式中：v(i)為第i個標定點處平均速度；Wb(i)為第i個標定點處煤層底板高程；t(i)為第i個標定點處煤層底板反射波雙程旅行時；H為地震數據處理基準面。

對所有標定點計算得到的速度值進行內插，得到平均速度網格數據v(i,j)，按照時深轉換公式可計算出目標層位底板高程：

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

采用離散光滑插值算法，不斷融合采掘揭露的數據，更新工作面煤厚值。離散光滑插值是一種無維數的內插方法，它不以空間坐標為參數，主要依賴于網格結點的拓撲關系，通過使網格點滿足特定約束條件，求解一個線性方程得到未知結點上的值[13]。

首先建立網格結點φ最優解目標函數：

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

使式（3）無限逼近最小值，達到φ在任意結點的函數值逼近該點領域結點φ值的均值，使插值點處的結點的預測值盡可能逼近插值數據。

通過求解全局粗糙度函數使網格結點盡可能平滑：

式中：μ(k)為在結點k∈Ω上的權系數，可調整局部光滑度；a為Λ(k)的結點；Λ(k)為結點k鄰域內不包含k的結點的集合；va(k)為在結點k的鄰域內結點a的權系數；φ(a)為結點a處的真實值。

通過違反度函數進行結點約束：

式中：a∈Ω ；為給定的正數，Ai(a)φ(a)-bi(a)為結點a關于φ的第i個結點的線性約束；M為結點數量；Ai(a)和bi(a)為給定常數。

具體插值步驟如下。

①準備散點數據的三維空間坐標（x,y,z）。

② 以散點數據的平面坐標為邊界范圍，構建平面網格，網格間距分別為dx和dy，網格點初始縱向坐標值取所有散點數據z值的平均值。

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

④ 將網格之間進行填充可視化。

2 三維地震動態解釋實例

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

三維地震數據覆蓋工作面全區，CDP 網格5 m×5 m，覆蓋次數80 次。圖2 為工作面推進方向地震剖面，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的雙程旅行時交會圖，兩者相關性可達62.26%。相關性較好時，說明平均速度變化不大，采用平均速度法進行時深轉換比較穩定，可作為檢驗數據質量的一個判斷準則。當煤層上覆地層存在速度異常體或較大的橫向速度變化時，該處平均速度出現突變，會對時深轉換精度影響較大。

圖2 TJH304 工作面推進方向地震剖面（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關系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換標定點，對T1 反射層位平均速度場進行更新（圖4a），時深轉換得到新的6 號煤層底板高程數據，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行統計分析；在工作面開始回采后，分別選取回采進尺300 m 和329 m 以內的探煤厚數據，繼續更新T1 反射層位平均速度場（圖4b），更新6 號煤層底板高程數據，分別利用回采進尺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行統計分析。

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

由圖4 可知，平均速度場由于采煤面標定點的增多，在0～300 m 范圍速度變化更加精細。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據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據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據開展回采工作面煤層底板和厚度動態預測，其精度主要受以下因素影響：地表障礙物、復雜地表、表淺層地層非均質性影響，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，探煤厚點數量等因素。

表1 為不同開采階段煤層底板與煤層厚度預測絕對誤差統計。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。在進入回采后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；在回采標定點最前方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 論

a.三維地震數據雖然對煤層起伏能夠進行較好控制，但三維地震反射波層位解釋精度受數據采集、處理和時深標定點的影響較大。面向智能開采的地震動態解釋技術必須在全過程進行方案設計和質量把控。

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據與三維地震解釋成果，可提高回采工作面內部煤層底板高程和煤層厚度精度，對于已知標定點前方30 m 內，煤層底板高程預測誤差可達到0.58 m 以下，煤層厚度值預測誤差可達到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，單純通過一種技術方法不能完全解決，需結合更先進的孔中物探技術，增加工作面內部高精度點數據，同時用于地震數據標定，將工作面內部進行綜合透明化。