煤礦巖巷TBM 掘進隨掘地震信號特征及其應用

摘要：隨掘地震超前探測技術可實現探掘平行，為巷道快速智能掘進場景下實時、精準地質保障提供了可能。隨掘震源產生的是復雜、變頻、連續信號，信號特征認知直接影響數據處理與成像精度，而目前針對巖巷全斷面掘進機（TBM）隨掘地震信號特征的認知仍不清晰，且暫時還沒有針對性開展過信號處理與成像研究工作。針對上述問題，以謝橋煤礦瓦斯治理巷TBM 隨掘地震超前探測試驗為例，分析了刀盤先導信號與巖壁接收信號的時間域、頻率域及時頻域特征：巖巷TBM 隨掘地震信號中不同振幅能量成分比例呈現金字塔形，但分布隨機，不對稱程度較高；機械運轉信號能量較大，刀盤先導信號強度是巖壁接收信號的200 倍左右；頻率域變頻特征明顯；機械運轉信號基礎頻率較低，刀盤先導信號頻率成分主要集中在10～80 Hz 與150～200 Hz，主頻為36.99 Hz，巖壁接收信號頻率成分主要集中在50～200 Hz，主頻為137.97 Hz；刀盤先導信號較巖壁接收信號時頻域能量團分布更為規則，多次震源激發現象明顯，能量團之間的差異性特征表明了多次震源激發時振幅能量與持續時間的隨機性。利用脈沖化算法與繞射疊加偏移成像方法對巖巷TBM 隨掘地震信號進行數據處理與成像試驗，結果表明：① 脈沖化等效單炮記錄與利用常規震源得到的超前探測單炮記錄特征一致性較強，同相軸清晰且連續性較好，可滿足現場探測分析需要。② 對探測范圍內巖體情況的超前預報結果與實際揭露情況一致，說明巖巷TBM 隨掘地震超前探測可提供有效地質保障。

關鍵詞：煤礦巖巷掘進；隨掘地震超前探測；隨掘地震信號；全斷面硬巖掘進機；刀盤先導信號；巖壁接收信號；繞射疊加偏移成像

中圖分類號：TD412.5 文獻標志碼：A

0 引言

煤炭工業經歷了從炮采、普通機械化、綜合機械化向智能化發展的重大技術變革[1-3]。隨著煤礦智能化進程的不斷推進，綜合機械化采煤技術迅速發展，回采速度加快，對巷道的掘進速度要求也相應提高[4]。隨著我國淺部煤炭資源日益枯竭，煤礦開采轉向深部[5]，深部煤礦建井難度急劇增大，采掘接續問題愈發突出[6-7]。

長期以來，煤礦巖巷掘進主要以鉆爆法施工為主，但其超挖量大，巷道成形質量差，作業環境惡劣，工序多且配套裝備機械化程度低，工序銜接時間長，施工效率低。全斷面硬巖掘進機（Tunnel BoringMachine，TBM）破巖效率高、能耗低，滾刀破巖超挖量小，巷道完整性好，礦壓顯現不明顯，可實現掘進與支護平行作業[8]，是解決巖巷快速掘進問題的必然選擇，也是深部礦井未來智能化建設與生產的優選設備。近年來，我國已有多個礦井開展了巖巷TBM 掘進實踐，但煤礦復雜地層條件與地質構造嚴重限制了TBM 掘進效率與優勢的發揮[9-10]，TBM 對不良地質條件具有較差的適應性。

煤礦TBM 掘進原則：有疑必探，先探后掘，先治后掘[11-13]。現有多地球物理方法綜合探測加鉆探驗證的超前探測模式難以在TBM 掘進時施工，無法滿足其快速掘進的地質保障需求。以巷道掘進施工噪聲震動為信號來源的隨掘地震超前探測技術可實現探掘平行，能夠充分發揮掘進機械的生產效率，為巷道快速智能掘進場景下實時、精準地質保障提供了可能[14-15]。

近年來，眾多學者圍繞隨掘地震數值仿真、隨掘地震信號脈沖化處理等方面對隨掘地震技術進行了廣泛研究。針對隨掘地震數值仿真，在隨掘地震波場[16]、隨掘地震信號時頻域特征[17]認知的基礎上，Xu Xinji 等[18]利用實測隨掘地震數據中的參考信號作為震源項進行了隨掘地震數據數值模擬；程久龍等[19]采用主頻200 Hz 的Ricker 子波與離散隨機反射序列褶積，并加入隨機噪聲，得到了模擬隨掘震源；王保利等[20]選取50～150 Hz 的帶通子波作為震源項，分別模擬了縱軸式掘進機和橫軸式掘進機震源信號；張平松等[21]基于隨掘地震實測信號特征分析，并結合巷道掘進施工環境，構建了近似條件下可進行隨掘地震數據正演模擬的震源時間函數。對于隨掘地震信號脈沖化處理，F. Poletto 等[22]提出了一種利用TBM 隨機振動自相關干涉進行超前探測的方法；程久龍等[23]提出了以互相關為核心，輔以低通濾波、極化濾波的隨掘地震去噪方法；覃思等[24]、許新驥[25]、U. Harmankaya 等[26]、王季等[27]開展了基于互相關方法的隨掘地震超前探測試驗研究。在互相關研究的基礎上，我國研究人員提出了其他輔助性的處理方法。李圣林等[28-29]通過脈沖反褶積消除震源影響，再進行相對更加穩定的互相關。張鳳凱[30]提出了基于子波估計和波形校正的互相關地震干涉方法。劉強[31]基于互相關處理后的隨掘地震信號，提出在隨掘地震信號噪聲衰減過程中嵌入L1 范數約束，然后通過快速迭代算法達到噪聲衰減的目的。程久龍等[19]采用基于改進人工蜂群的獨立分量分析方法，再結合互相關等來改善隨掘地震信號脈沖化處理的質量。以上研究突破了隨掘地震探測最大的技術瓶頸，能夠進行工業性應用，但目前巖巷TBM 隨掘地震技術還處于起步研究階段。由于隨掘震源產生的是復雜、變頻、連續信號，信號特征認知直接影響數據處理與成像精度，而對于巖巷TBM 隨掘地震探測，其信號特征認知仍不清晰，且暫時還沒有針對性開展過信號處理與成像研究工作。