王保利，程建遠，金 丹，楊小剛，楊 輝

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

掘進工作面是煤礦生產(chǎn)的兩個主要場所之一，在掘進前方地質(zhì)條件情況不明時，貿(mào)然開采易引發(fā)安全生產(chǎn)事故。據(jù)統(tǒng)計，相當一部分事故發(fā)生在掘進工作面，如采空區(qū)透水、冒頂、陷落柱突水、煤與瓦斯突出等等。因此針對掘進工作面前方的超前探測，精確查明隱蔽致災地質(zhì)因素，對煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要作用。

現(xiàn)有針對煤礦井下掘進工作面的超前探測技術(shù)主要包括探測地質(zhì)構(gòu)造體的瑞雷波法[1]和反射槽波法[2-4]、探測富水異常體的直流電法[5]和瞬變電磁法[6]。這些方法均存在兩個問題[2]：一是在數(shù)據(jù)采集施工時要求停止掘進生產(chǎn)活動，降低采集現(xiàn)場的環(huán)境噪聲，提高原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，這使得掘進和探測無法同步并行，頻繁探測會嚴重影響生產(chǎn)，特別是在快速掘進時，探測速度無法跟上掘進速度；二是這些技術(shù)均屬于單次靜態(tài)探測，無法滿足掘進工作面智能化實時動態(tài)監(jiān)測的需求。

為了解決探掘同步問題，滿足巷道快速掘進和工作面智能化監(jiān)測需求，近年來國內(nèi)很多企業(yè)和高校的研究人員圍繞N.Taylor 等[7]在2001 年提出的以掘進機為震源的隨掘地震超前探測技術(shù)展開相關(guān)研究與試驗。部分作者[8-9]研究了隨掘地震的震源特征，認為截割頭1 min 內(nèi)能量輸出達到1.62～3.24 MJ，滿足地震勘探震源對能量的需求；劉強[10]對隨掘地震信號去噪技術(shù)進行了研究；部分學者[11-13]研究了隨掘地震有效信號干涉提取方法，其中，覃思等成功提取出了來自巷道的反射波。2020 年，中煤科工集團西安研究院有限公司成功研發(fā)出隨掘地震監(jiān)測系統(tǒng)，并真正將這項技術(shù)應用于煤礦井下實際掘進巷道，成功探測出巷道側(cè)方50 m 的斷層和200 m 處的巷道。

綜上所述，許多學者已經(jīng)從隨掘地震涉及的方法進行了卓有成效的研究和成功的井下試驗，但并未對隨掘地震的探測性能進行詳細分析。為促進隨掘地震的工業(yè)性應用，推動掘進工作面的智能化進程，本文將從隨掘地震震源特征、波場特征、探測距離和探測精度方面入手，詳細分析論述隨掘地震的探測性能。

1 掘進機震源特征

國內(nèi)達到開采機械化水平的煤礦高達94%，掘進機已成為煤礦自動化開采的關(guān)鍵設備，廣泛應用于煤礦巷道掘進。最普遍采用的煤巷掘進機是綜掘機和掘錨機，這兩種掘進機在作業(yè)方式以及技術(shù)參數(shù)等方面存在較大差別。

由于相關(guān)技術(shù)參數(shù)和工藝流程眾多，本文僅選取與隨掘地震探測性能相關(guān)的參數(shù)和工藝進行分析研究。

1.1 掘進工作面截割受力

綜掘機通常采用錐形截割滾筒，在矩形掘進工作面通過上下左右連續(xù)移動的方式掃描，如圖1a 所示；而掘錨機采用的是上下掃描的巷道一次成型方式，如圖1b 所示。考慮到地震波波長通常在5 m 以上（速度在1 000 m/s 以上，主頻通常在200 Hz 以下），大于工作面尺寸，因此,無論是綜掘機還是掘錨機，都按照點震源方式進行滾筒整體受力分析，不從截齒角度考慮。綜掘機滾筒方式分為縱軸式和橫軸式滾筒，而掘錨機為橫軸式滾筒，所以本小節(jié)針對縱軸式滾筒和橫軸式滾動進行分析。實際中，地震波是由掘進機截齒截割煤壁產(chǎn)生的震動和煤體破裂共同作用產(chǎn)生的，由于煤體破裂過程較復雜，本文僅以掘進機截割煤壁作為地震波激發(fā)源進行分析。

圖1 綜掘機和掘錨機作業(yè)方式Fig.1 Schematic diagram of operation modes of the fully mechanized excavator and anchor digge

分析坐標系以豎直方向為Z、掘進前方為X、垂直側(cè)幫方向為Y。以掘進工作面為受力點進行受力分析，如圖2 所示：縱軸式滾筒在截割工作面時，首先在YZ平面上會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩Myz，并在該平面的移動方向產(chǎn)生擺動力F，分解到Y(jié)Z方向為Fy和Fz；而在XZ方向上看，會受到推進方向的推進力Fx；橫軸式滾筒由于其旋轉(zhuǎn)軸為Y，所以在XZ平面上工作面會受到一個旋轉(zhuǎn)力矩Mxz和推進力Fx；在YZ平面上，同樣在移動方向上受到擺動力F，分解到Y(jié)Z方向為Fy和Fz。但當采用的是掘錨機時，由于僅有上下方向的移動，因此，F(xiàn)z=0。

圖2 縱軸式和橫軸式掘進機工作面受力分析Fig.2 Stress analysis of the working face of longitudinal axis and transverse axis roadheaders

從以上分析可以看出，不論是哪種滾筒，均受到集中力源和旋轉(zhuǎn)力矩的作用。集中力源可以產(chǎn)生縱波和橫波，旋轉(zhuǎn)力可以激發(fā)出純橫波，這表明綜掘機或者掘錨機都具有激發(fā)地震波場的能力。

1.2 掘進機震源能量

掘進機滿足了激發(fā)地震波的機制，但其激發(fā)的地震波能量是否足夠大是值得深入研究的。經(jīng)過上述分析，掘進機震源主要依據(jù)的是截割滾筒對工作面施加的作用力，因此震源能量的大小與截割滾筒的輸出功率直接相關(guān)。考慮到掘進機做功主要轉(zhuǎn)化為熱能和動能（即地震波能量），為便于分析，忽略熱能，認為掘進機輸出能量全部轉(zhuǎn)化為地震波能量。精確計算截割滾筒輸出功率需要得到每時刻每個截齒的截割阻力，這點很難做到。實際中常用能耗法[8-9]進行估算，計算公式如下：

式中：L為截割頭長度，m；D為截割頭直徑，m；vh為截割頭的牽引速度，m/s；Hw為單位能耗，kWh/m3；N為截割功率，kW。

以中國煤炭科工集團有限公司生產(chǎn)的掘錨一體機JM340D 和綜掘機EBZ160TY 為例（參數(shù)見表1），按煤或軟半煤巖時Hw=0.5～1.0 kWh/m3，2 種掘進機的最小截割功率分別為61、254 kW。

表1 2種掘進機相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 1 Relevant technical parameters of two kinds of roadheaders

通常礦井下反射槽波超前探測時采用的200 g 乳化炸藥的爆炸功率約為1.0×105kW，釋放總能量為0.23 kW·h，與上述2 種掘進機相差分別約為1 600 倍和400 倍。在不考慮做功效率時，掘進機震源分別需要連續(xù)做功16 s 和4 s，才能通過能量疊加達到與200 g炸藥持平的能量輸出。實際生產(chǎn)中由于噪聲的存在，在隨掘地震中，信號的質(zhì)量往往以信噪比進行評價。根據(jù)疊加次數(shù)和信噪比的關(guān)系，要達到1 600 倍和400 倍信噪比的提升，分別需要1 6002次和4002次疊加，也即要求掘進機連續(xù)做功162=256 s 和42=16 s。以目前掘進速度最快0.3 m/min，掘進機震源移動距離約為1 m 和0.1 m，都遠小于地震波波長，可以將其當作點震源。因此，從震源能量角度看，掘進機震源滿足地震超前探測的能量要求。

以上分析也可以看出，相同的時間內(nèi)，掘進機截割功率越小，產(chǎn)生的振動信號信噪比越低，反之越高。掘錨機由于截割頭尺寸較大，單位時間內(nèi)割煤量較大，有較大的輸出功率，因而更適合于隨掘地震。

1.3 掘進機震源頻率

從掘進機震源的角度分析震源激發(fā)頻率時，最直接的方式是測量震源截割頭附近煤層振動頻率，但實際生產(chǎn)中由于安全性問題，無法做到直接測量。由于煤層的振動是由截割頭的震動引起，因此，截割頭的震動頻率可用來分析煤層的振動頻率。黃民等[14]測試了AM50 型掘進機截割人工煤壁時的震動，并得到一組三向工作載荷譜（圖3），結(jié)果顯示，Y和Z方向較X方向能量更大，頻譜集中分布在250 Hz 以下，峰值頻率位于50 Hz 左右。這一頻率分布特征與地震波有效頻帶分布特征一致，由此說明掘進機震源的頻率響應特征也符合地震勘探要求。

圖3 掘進機截割人工煤壁時的三向工作載荷譜[14]Fig.3 Three dimensional working load spectrum when cutting artificial coal wall by roadheaders[14]

2 隨掘地震波場特征

前一節(jié)對掘進機震源特征進行了分析，下面將分別利用理論模擬數(shù)據(jù)和實際隨掘數(shù)據(jù)對掘進機震源所激發(fā)的波場特征進行分析。

2.1 數(shù)值模擬波場特征

在前一節(jié)中討論過掘進機截割煤壁時工作面的受力情況，在地震波激發(fā)理論中，震源對介質(zhì)的作用力不同，激發(fā)的地震波特征也不相同。為了解隨掘地震震源機制對地震波場特征的影響，設計如圖4 所示的三維地質(zhì)模型：模型大小為700 m×400 m×130 m，層數(shù)為3 層，中間為煤層，厚度為5 m，各層的介質(zhì)參數(shù)見表2；煤層內(nèi)300 m 位置有一個傾向90o，走向90o的斷層，斷距為3 m；網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m，巷道5 m×5 m；接收點在巷道一側(cè)沿X方向等間隔布設28 道，道距為10 m，首道距工作面17 m。

圖4 三維地質(zhì)模型Fig.4 3D geologic model

表2 各層介質(zhì)參數(shù)Table 2 Medium parameters of each layer

采用高階有限差分進行模擬，選取50～150 Hz 的帶通子波，時間采樣間隔為0.05 ms。分別模擬炸藥震源、縱軸式掘進機和橫軸式掘進機震源，模擬這3 種震源產(chǎn)生的地震信號，由布置在巷道的檢波器接收信號。模擬記錄如圖5 所示。

由圖5 可知，在直達縱波所在的X分量上，掘進機震源相比于炸藥震源激發(fā)的波場中橫波能量明顯強于縱波能量，同時槽波發(fā)育也更明顯，這表明掘進機由于截割時的旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的剪切作用更容易產(chǎn)生橫波波場；不論是哪一種震源，每種波場都可以看到前方斷層對應的反射波波場，表明這兩種震源都可以用于進行超前探測。

對比圖5b 和圖5c，兩者在三個分量上均無明顯差別，表明無論是縱軸式掘進機還是橫軸式掘進機，所產(chǎn)生地震波在波場特征上基本是一致的。X分量既有直達縱波，也有直達SV 型橫波，還有瑞雷槽波；Y分量僅有Love 槽波，SH 型橫波不明顯；Z分量有直達SV型橫波和瑞雷槽波。這表明如果隨掘地震采用槽波進行探測，則Y分量是不錯的選擇，其波場單一，其他波場的干擾更小。但實際中由于前方斷層走向問題，需同時安裝X和Y兩個水平分量，處理時還需要進行兩分量旋轉(zhuǎn)，以提取單一振型的槽波波場；如果采用橫波探測，則Z分量更適合一些，這是由于Z分量僅有橫波和瑞雷槽波，利用兩種波場頻譜的差異，簡單通過帶通濾波即可提取所需要的橫波波場。同時不論是哪一種走向的斷層，其反射SV 型橫波均會在Z分量上被記錄，而無需安裝雙分量檢波器，有效降低井下設備數(shù)量和地面軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量和計算量。

2.2 實際數(shù)據(jù)波場特征

以上從理論模擬記錄的角度分析了炸藥震源和兩種掘進機震源激發(fā)的地震記錄的波場特征差異。在實際生產(chǎn)中的地震記錄相比于理論模擬記錄更加復雜。為了解實際情況下兩種震源激發(fā)地震波場的特征，在某5 m 煤厚的掘進工作面布設了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具體情況如下：在掘進工作面后方60 m 開始布設19 個三分量地震檢波器（巷道走向為X，垂直巷道走向的方向為Y，豎直方向為Z），間距10 m；掘進機型號為EBZ160TY，參數(shù)見表1，截割頭為縱軸式；炸藥震源位置位于首道檢波器前方5 m 處，藥量200 g；隨掘地震記錄通過選取第一道作為參考信號，再利用反褶積干涉提取有效信號，連續(xù)掘進段時長40 min。最終得到的炸藥震源地震記錄和隨掘地震記錄分別如圖6 和圖7 所示。

在圖6 的三分量記錄中，X分量和Z分量記錄的波場特征非常相似，直達縱波能量很弱，初至起跳不明顯；Y分量上直達縱波幾乎看不到，但直達Love 型槽波埃里相非常清晰，低頻濾波后可看到有明顯的直達SH 型橫波。與圖5a 理論模擬記錄相比，實際記錄在XZ分量上沒有明顯的直達SV 型橫波，這可能與瑞雷型槽波發(fā)育有關(guān)。

在圖7 的三分量記錄中，3 個分量均可以明顯地看到槽波波場，X分量有微弱的縱波波場；Y分量Love 型槽波非常明顯，且比XZ分量的瑞雷型槽波的相位連續(xù)性更好，波場相對更干凈。利用低通濾波壓制槽波后顯示，在Y分量和Z分量有相位連續(xù)的直達橫波波場。但2 種橫波速度差異明顯，Y分量SH 型橫波速度約為2 100 m/s，而Z分量的SV 型橫波速度約為1 600 m/s，這可能是由煤層各向異性引起的。其次，與圖5b 和圖5c 的理論模擬記錄相比，實際記錄波形特征較紊亂，可能是煤體破裂引起的震動所產(chǎn)生的地震波干擾導致。

圖5 3 種震源模擬的三分量波場Fig.5 Three component wave fields simulated by three sources

對比圖6 和圖7，大部分波場特征非常一致，主要差別是炸藥震源記錄的頻譜寬度更寬，可以顯示出槽波波場的埃里相部分，而掘進機震源記錄的頻譜則集中在70 Hz 以下。

圖6 炸藥震源三分量記錄（AGC 參數(shù)100 ms）Fig.6 Three component records of the explosive source（AGC parameter 100 ms）

圖7 掘進機震源三分量記錄（AGC 參數(shù)100 ms）Fig.7 Three component records of the roadheader source（AGC parameter 100 ms）

經(jīng)上分析，可得到與前一節(jié)相同的結(jié)論，即掘進機震源波場同樣適合使用槽波和橫波進行超前探測；在進行反射波探測時，同樣采用Z分量可以在相同設備量情況下覆蓋各種走向的反射面。

3 隨掘地震探測性能分析

掘進機震源激發(fā)的地震波波場特征顯示出，掘進機震源波場特征與炸藥震源波場特征基本一致（70 Hz 以下部分），但兩者最大的差別在于激發(fā)能量的大小，而激發(fā)能量最終影響到的是探測距離和探測精度。下面將利用實測數(shù)據(jù)分析掘進機震源和炸藥震源的能量差異，并分析隨掘地震增大傳播距離和提高精度的策略，最終得到隨掘地震的探測性能。

3.1 單次震動傳播距離

利用前一節(jié)中的實際炸藥震源數(shù)據(jù)計算得到記錄隨炮檢距變化的信噪比：將初至之前1 s 作為背景噪聲段，而在初至起跳開始選定其后300 ms 作為有效信號段，噪聲段計算平均絕對振幅值An，有效信號段內(nèi)取最大絕對振幅值As，依據(jù)Rsn=20·lg計算信噪比Rsn。

掘進機震源的信噪比計算如下：將掘進前5 s作為背景噪聲段，在掘進開始后5 s 作為有效掘進信號，兩個時間段分別計算出平均絕對振幅值Anoise和Asignal。

計算結(jié)果如圖8 所示，對比可得出如下認識：兩種震源的信噪比均隨著傳播距離的增加呈線性降低。這可能是因為槽波占主要能量，所以信號的衰減主要由槽波的柱面擴散產(chǎn)生；炸藥震源的信噪比大約是掘進機震源信噪比的8 倍；炸藥震源傳播200 m 后，信噪比從110 dB 降低到70 dB 左右，掘進機震源則在傳播200 m 后信噪比已經(jīng)基本降低為0 dB，表明其信號能量已經(jīng)小于噪聲能量；不論是掘進機震源還是炸藥震源，Y分量信噪比明顯好于X分量和Z分量。

圖8 炸藥震源和掘進機震源信噪比與傳播距離曲線Fig.8 Curves of the signal-to-noise ratio and propagation distance of the explosive source and roadheader source

由以上分析的結(jié)果，同時考慮到掘進機與首道接收點60 m 距離可知，掘進機震源信號的傳播距離在250 m 左右，250 m 后掘進機信號能量將小于背景聲能量。

3.2 連續(xù)震動傳播距離

250 m 的傳播距離僅僅是掘進機震動一次得到的結(jié)果，實際中掘進機震源是連續(xù)、長時間震動的，線性時不變系統(tǒng)的疊加性可使得地震波波場能夠進行疊加，有效降低背景噪聲，提高信噪比，從而拓展信號的傳輸距離。

按20 m 地震波長計算，采煤機40 min 內(nèi)進尺2 m，遠小于地震波長，可認為采煤機震源在該段時間內(nèi)為點震源。從采煤機開始震動起，以分鐘為時間單位進行有效信號地震干涉提取，并疊加形成，得到的記錄如圖9 所示。

將圖9 中取第20 道（據(jù)工作面250 m）進行分析（圖10），橫軸為疊加時間，可以看出疊加時間越長，提取記錄中噪聲明顯越弱。利用振幅絕對值最大值和400～500 ms 之間的絕對值平均振幅值計算信噪比，得到信噪比隨疊加時間的變化曲線如圖11 所示。50 Hz 以上信噪比從1 min 的18 dB 開始，按函數(shù)隨著疊加時間t的增加而增加，疊加時間為40 min 時信噪比達到34 dB，提升為原來的近1.9 倍；50 Hz 以下信噪比從24 dB 開始，同樣按形式遞增，40 min 時達到40 dB，提升至1.7 倍。

圖9 不同疊加時間得到的地震干涉炮集Fig.9 Seismic interference shot sets obtained at different stacking times

利用圖10 最右邊40 min 干涉記錄，可分別計算出50 Hz 以下和50 Hz 以上的信噪比隨傳播距離變化的變化曲線（圖12）。可看出50 Hz 以下，200 m 內(nèi)從45 dB 衰減到30 dB，而50 Hz 以上則從68 Hz 衰減到30 dB 左右。

圖10 不同疊加時間地震干涉得到的記錄Fig.10 Records obtained by seismic interference at different stacking times

由此根據(jù)圖11 和圖12，可按衰減速度大致計算出1 min 記錄中50 Hz 以下的傳播距離，以及50 Hz以上傳播距離分別為570 m 和345 m（包括第20 道距工作面250 m 距離），經(jīng)過40 min 連續(xù)震動能量疊加后傳播距離分別為780 m 和430 m。

圖11 信噪比隨疊加時間變化曲線Fig.11 Variation curves of the signal-to-noise ratio with stacking time

圖12 地震干涉炮集的信噪比隨傳播距離變化曲線Fig.12 Variation curve of the signal-to-noise ratio of the seismic interference shot set with propagation distance

50 Hz 通常是礦井地震勘探中20 m 下煤層中槽波和體波的頻率分界，50 Hz 以上槽波占優(yōu)勢，50 Hz以下體波占優(yōu)勢。所以可以認為：隨掘地震掘進機震源信號體波傳播距離可達到780 m，槽波傳播距離可達到430 m。超前探測時考慮到反射系數(shù)（小于0.4），隨掘地震超前探測距離：槽波172 m，體波312 m，體波探測距是槽波的2 倍左右。

上述分析僅是估算，可供參考，實際應用時探測距離受煤巖物性、掘進機信號、反射介質(zhì)物性、反射角度以及掘進速度等影響。

3.3 探測準確率

前面通過數(shù)據(jù)分析討論，得出了隨掘地震超前探測的距離。實際應用時除了探測距離，探測準確率也是關(guān)鍵參數(shù)之一。探測準確率通常受成像剖面信噪比影響，假象會降低探測準確率，造成誤報漏報等。隨掘地震的探測目標是掘進巷道工作面前方的隱蔽地質(zhì)體，這種地質(zhì)構(gòu)造在空間上是靜止不動的，因而,對地質(zhì)體的成像具有疊加性。常規(guī)的地震超前探測屬于一次性探測。而在隨掘地震中，按312 m 探測距離，每掘進2 m 等同于常規(guī)一次照明，則在連續(xù)監(jiān)測過程中可以照明16 次，通過疊加可使成像信噪比提高4 倍；同時震源分布在目標體前方312 m 范圍內(nèi)，分布范圍更寬，可有效提高地質(zhì)體的成像精度。這也說明隨掘地震在探測準確率方面優(yōu)于常規(guī)一次性地震探測。

圖13 為在某掘進工作面進行的隨掘地震探測成像結(jié)果，跟蹤探測10 d，跟蹤時間段內(nèi)掘進進尺105 m，共計獲取炮集24 個，經(jīng)多次疊加成像獲得掘進工作面前方的構(gòu)造成像結(jié)果。圖13a 為單次疊加，圖13b 為10 天內(nèi)所有24 個炮集疊加成像結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)：單次成像時工作面前方與巷道呈70°角、斷距32 m 的斷層（三維地震解釋）的成像呈弧狀，無法有效識別出斷層走向。但通過連續(xù)跟蹤探測10 天后得到的圖13b顯示出，斷層走向可被準確識別，與三維解釋結(jié)果有很好的一致性；同時該斷層左側(cè)仍存在很多較小斷層，這些斷層在掘進過程中被揭露。該次實驗表明，跟蹤探測對異常構(gòu)造具有更好的成像精度，能更準確地刻畫斷層等構(gòu)造的空間形態(tài)。

4 結(jié) 論

a.綜掘機或者掘錨機都具有激發(fā)地震波場的能力；且相同時間內(nèi)，截割功率越大，產(chǎn)生的震動信號能量越強、信噪比越高，反之越低。掘錨機由于截割頭尺寸較大，單位時間內(nèi)割煤量較大，有較大的輸出功率，隨掘地震時效果更好；掘進機震源的頻率響應特征也符合地震勘探要求。

b.震源模擬結(jié)果顯示，無論是縱軸式掘進機還是橫軸式掘錨機，所產(chǎn)生地震波在波場特征上基本是一致的，均可作為隨掘地震的震源。

c.數(shù)值模擬波場和實際波場均顯示出隨掘地震可以使用槽波和橫波進行超前探測；不論是掘進機震源還是炸藥震源，Y分量信噪比明顯好于X分量和Z分量。但在進行反射波探測時，采用Z分量可以在相同設備量情況下覆蓋各種走向的反射面。此外，炸藥震源記錄的頻譜寬度更寬，而掘進機震源記錄的頻譜則集中在70 Hz 以下。

d.隨掘地震掘進機震源信號中體波的傳播距離可達到780 m，槽波傳播距離可達到430 m；在進行反射超前探測時，槽波探測距離可達172 m，體波探測距離可達312 m，體波探測距為槽波的兩倍左右。

e.與常規(guī)一次性地震探測方法相比，隨掘地震跟蹤探測可將成像信噪比提高4 倍，對異常構(gòu)造具有更好的成像精度，并能更準確地刻畫斷層等構(gòu)造的空間形態(tài)。

特別說明，由于到目前為止，隨掘地震尚未規(guī)模性推廣應用，本文結(jié)論僅以一個礦區(qū)的隨掘數(shù)據(jù)分析總結(jié)得出，供后續(xù)的應用參考借鑒。更典型、普適的結(jié)論仍需通過很多礦區(qū)的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出。