陳亞萍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730022）

從行業(yè)發(fā)展角度分析,地質(zhì)構(gòu)造一直制約煤礦生產(chǎn)發(fā)展的核心[1]。在近些年現(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展的大環(huán)境下,現(xiàn)代化礦井不僅大大提高了掘進(jìn)速度[2],同時(shí)也使得地質(zhì)構(gòu)造在開(kāi)采過(guò)程中受到的破壞程度日益加深[3]。面對(duì)這一發(fā)展現(xiàn)狀,以提前預(yù)知工作面發(fā)展?fàn)顩r為基礎(chǔ)的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)工作就顯得尤為重要[4],其也是煤礦開(kāi)采工作提前做好安全措施[5],快速安全通過(guò)危險(xiǎn)地質(zhì)區(qū)域的基礎(chǔ)之一[6]。關(guān)于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)研究,文獻(xiàn)[7]提出了一種以槽波技術(shù)為基礎(chǔ)的異常體探測(cè),并以陽(yáng)泉礦區(qū)為目標(biāo)展開(kāi)了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試,探測(cè)結(jié)果取得了良好的效果,但是部分地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,受地下水源等因素的干擾作用,其表現(xiàn)出了一定的不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]將瞬變電磁法應(yīng)用到煤層覆巖狀態(tài)的探測(cè)研究中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水源性特征的準(zhǔn)確探測(cè),但是對(duì)于地下整體地質(zhì)構(gòu)造的分析相對(duì)薄弱。聲學(xué)探測(cè)技術(shù)作為一種以介質(zhì)反射特性為基礎(chǔ)的地質(zhì)分析方法,不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)成的準(zhǔn)確獲取同時(shí)不受采空區(qū)邊界的限制,在煤礦井下地質(zhì)構(gòu)研究中具有巨大的應(yīng)用潛力,但是聲波中的噪聲信息會(huì)影響最終的判斷結(jié)果。對(duì)此,提出基于EMD 去噪的煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造聲學(xué)探測(cè)技術(shù)。

1 聲學(xué)探測(cè)信號(hào)去噪處理

1.1 聲波探測(cè)信號(hào)EMD 處理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確探測(cè),需要對(duì)采集到的聲波進(jìn)行去噪處理[9],提高信號(hào)的可靠性。以此為基礎(chǔ)確保對(duì)構(gòu)造的分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差降到最低。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),本文采用EMD（Empirical Mode Decomposition,經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）方法實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波信號(hào)的去噪。EMD 去噪的原理是首先對(duì)聲波探測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波變換,將其能量分布集中在較小的系數(shù)范圍內(nèi),該范圍對(duì)應(yīng)聲波探測(cè)信號(hào)的小波系數(shù)表現(xiàn)出良好局部性的區(qū)間。同時(shí)需要注意的是,這些小波系數(shù)只有顯著地分布在各個(gè)分解尺度上時(shí),最終才能實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波的完整去噪。而地質(zhì)環(huán)境構(gòu)造中的噪聲經(jīng)過(guò)小波變換后,系數(shù)分布同樣處于細(xì)尺度變換的小波域范圍內(nèi)。通過(guò)調(diào)節(jié)分解尺度的大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的完全去除。結(jié)合該去噪思路,本文利用EMD 對(duì)聲波探測(cè)信號(hào)去噪過(guò)程共分為3 個(gè)實(shí)施階段。

假設(shè)采集到的含噪聲的聲波探測(cè)信號(hào)為

其中,y 表示含噪聲的聲波探測(cè)信號(hào),x 表示有效聲波探測(cè)信號(hào),n 表示噪聲信號(hào)。

首先,對(duì)含噪聲波探測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波變換處理,并在該階段保留最大尺度范圍內(nèi)的低通濾波的系數(shù),需要注意的是,要確保小波系數(shù)與真實(shí)聲波探測(cè)信號(hào)的變換系數(shù)保持一致。針對(duì)該問(wèn)題,本文利用非線性處理的方式對(duì)各個(gè)尺度下的高通濾波進(jìn)行統(tǒng)一化處理,將此時(shí)得到的系數(shù)作為小波變換處理的系數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波探測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)應(yīng)的小波變換處理的系數(shù)計(jì)算方式可以表示為：

其中,λ 表示小波變換系數(shù),λ（h）和λ（l）分別表示高通濾波下的波變換系數(shù)和低通濾波下的波變換系數(shù),z表示可以執(zhí)行的最大尺度范圍。

在此基礎(chǔ)上,利用EMD 根據(jù)設(shè)定閾值函數(shù)對(duì)聲波探測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

由于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性以及構(gòu)成上的多樣性,使得礦井下巖體介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等存在明顯差異,而這種差異就使得探測(cè)聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等也表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的差異化特征。利用此,本文將小波變換處理的聲波探測(cè)信號(hào)表示為由多個(gè)不同方向上的向量分量構(gòu)成的分解參數(shù),此時(shí)的含噪聲的聲波探測(cè)信號(hào)可以表示為：

其中,yi,xi,ni分別表示分解后的含噪聲的聲波探測(cè)信號(hào)有效聲波探測(cè)信號(hào)和噪聲信號(hào)。a 表示分解方向數(shù)量。由于噪聲聲波探測(cè)信號(hào)n 是以正態(tài)分布的形式存在的,且不同yi對(duì)應(yīng)ni互不相關(guān),因此ni對(duì)應(yīng)的方差為常量值。結(jié)合這一特征,對(duì)信號(hào)中噪聲的去噪處理就可以理解為是對(duì)ni的差異化約束。其可以表示為:

其中,W（y）i表示對(duì)分解后聲波探測(cè)信號(hào)的小波變換,W-（1y）i表示分解后聲波探測(cè)信號(hào)的小波逆變換運(yùn)算,u 和分別表示分解后聲波探測(cè)信號(hào)的小波處理結(jié)果,Q表示非線性去噪函數(shù),也是實(shí)現(xiàn)去噪的核心步驟。

通過(guò)式（4）可以看出,要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波探測(cè)信號(hào)噪聲的有效去除,主要依賴于閾值的確定效果。

1.2 閾值自適應(yīng)設(shè)置

為了在聲波探測(cè)信號(hào)去噪過(guò)程中更好地保留聲波探測(cè)信號(hào)的有效信息,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的有效去除,本文建立了閾值函數(shù),通過(guò)其計(jì)算出最優(yōu)的閾值范圍。在1.1部分已經(jīng)提到,小波系數(shù)需要適應(yīng)不同尺度上的變換需求,這就意味著閾值也要兼顧不同尺度聲波信號(hào)的特征。以此為基礎(chǔ),本文設(shè)計(jì)的閾值函數(shù)為

其中,p 表示閾值函數(shù),m 表示尺度參數(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)m值的大小,計(jì)算出不同尺度條件下對(duì)應(yīng)的閾值。利用式（5）,結(jié)合聲波探測(cè)信號(hào)和噪聲在不同分解尺度上的能量分布特征,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)去噪目的。

對(duì)于細(xì)尺度上的閾值范圍,本文以偏硬閾值函數(shù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,將其計(jì)算結(jié)果代入到式（4）中,濾除信號(hào)中的大部分噪聲。對(duì)于寬尺度上的閾值范圍,本文以偏軟閾值函數(shù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,將其計(jì)算結(jié)果代入到式（4）中,濾除臨界區(qū)的噪聲信號(hào)。因此本文建立了以m 調(diào)節(jié)尺度為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)最優(yōu)化m 值提高式（5）計(jì)算結(jié)果的自適應(yīng)性,確保去噪效果的可靠性。具體的數(shù)學(xué)模型如下：

其中,mj表示m 的數(shù)學(xué)模型,En和Ej分別表示聲波探測(cè)信號(hào)的能量以及目標(biāo)聲波探測(cè)信號(hào)能量。按照這樣的方式,計(jì)算出最優(yōu)的m 值,并且需要注意的是,對(duì)目標(biāo)聲波探測(cè)信號(hào)能量的設(shè)置要以實(shí)際礦區(qū)地質(zhì)特征為基礎(chǔ)。此時(shí)閾值函數(shù)從硬到軟的變化就可以通過(guò)調(diào)整m 值由最佳目標(biāo)聲波探測(cè)信號(hào)能量到允許目標(biāo)聲波探測(cè)信號(hào)能量實(shí)現(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上,將式(6)代入式(5)即可獲得各個(gè)尺度上對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù),利用得到的結(jié)果作為EMD 去噪的基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波探測(cè)信號(hào)的過(guò)濾。

2 地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)

在得到去噪后的地質(zhì)聲波探測(cè)信號(hào)后,就可以根據(jù)其表現(xiàn)出的特征實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域相應(yīng)構(gòu)成的分析和判斷。

對(duì)煤礦井下地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)所采用的聲學(xué)探測(cè)技術(shù)屬于主動(dòng)聲納技術(shù)的范疇。通過(guò)聲納方程可將傳播介質(zhì)、探測(cè)目標(biāo)和探測(cè)設(shè)備的作用聯(lián)結(jié)在一起,利用聲納方程建立的關(guān)系,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)探測(cè)系統(tǒng)性的分析。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的系統(tǒng)模型可以建立不同的聲納方程式,對(duì)深地層而言,聲傳播損失和穿透的深度等指標(biāo)就可以建立地層模型后,通過(guò)聲納方程進(jìn)行大致估算。設(shè)置聲納方程式為：

式中,SL 為聲源級(jí)；Hd為煤礦井下深度(m)；At為透射系數(shù)；α 為信號(hào)帶寬內(nèi)煤礦井下的平均聲衰減（dB/B）;RL為待測(cè)界面反射強(qiáng)度（dB）；DT 為檢測(cè)閾；NL 為信號(hào)帶寬內(nèi)平均噪聲譜（dB）。

對(duì)煤礦井下地質(zhì)的聲波反射與透射產(chǎn)生影響的介質(zhì)參數(shù)有粒徑、密度、孔隙度、聲速及衰減系數(shù)等。根據(jù)生源級(jí)及計(jì)算方程式右邊的各參數(shù),可以求出傳播損失,進(jìn)而估算出穿透地層的深度。

基于此分析在探測(cè)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造時(shí),需要了解聲場(chǎng)特性。可以從應(yīng)用的額角度建立信噪比模型,得出信噪比表達(dá)式,得到信噪比簡(jiǎn)化模型,分析條件：

（1）各地層界面平行時(shí),收發(fā)聲基陣的聲軸都垂直于地面,并具有良好的后輻射抑制能力；

（2）在工作頻段內(nèi)聲波對(duì)各地層的穿透系數(shù)Ati和反射系數(shù)Ari為常數(shù)；

（3）輻射聲脈沖的幅頻特性如下式所示,其具有線性相應(yīng)特性：

（4）接收濾波器的傳遞函數(shù)具有下式幅頻特性,且具有線性相位特性：

（5）接收聲基陣的聲電轉(zhuǎn)換函數(shù)K(jω)在工作頻段內(nèi)為常數(shù)K0；

（6）不考慮延時(shí)；

（8）噪聲為各向同性、零均值的平穩(wěn)高斯過(guò)程。

在上述環(huán)境下,從模型出發(fā)得出的最大信噪比的條件為：

式中,cw為聲速；S 為發(fā)射基陣面積,a 為噪聲系數(shù)；Ak為待測(cè)地面反射系數(shù),HD為地層厚度,Ht為第i 層厚度,βi為第i 層吸收系數(shù)。

基于此計(jì)算出做基礎(chǔ)的地層構(gòu)成。將聲波信號(hào)中的高頻能量作為各地層的分界,對(duì)各個(gè)高頻能量分量之間的聲波進(jìn)行個(gè)性化分析,將其利于已有的巖體特征信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,擬合度越高,則表明其與對(duì)應(yīng)的地質(zhì)特征越相似,最后將相似度最高的巖體判定為該地層的巖體構(gòu)成。

3 實(shí)例分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果,進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用分析。

3.1 礦區(qū)地質(zhì)背景介紹

本文進(jìn)行實(shí)例分析具體的參數(shù)信息如表1 所示。

表1 測(cè)試區(qū)域基巖地層構(gòu)成詳細(xì)信息

在此基礎(chǔ)上,對(duì)礦區(qū)的覆蓋層狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)其主要構(gòu)成為第四系沉積物,砂粘互生,并伴隨有卵礫層不連續(xù)發(fā)育,下伏地層與之有非密切接觸,且整體厚度變化較大,最厚位置可達(dá)到750m,最薄位置僅為230m。不僅如此,在測(cè)試區(qū)域內(nèi)還伴隨有兩條明顯的斷裂,在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下,二者分別呈現(xiàn)出東西發(fā)展趨勢(shì)和東南發(fā)展趨勢(shì)。以此為基礎(chǔ),采用本文方法對(duì)該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè),并分析其探測(cè)結(jié)果與實(shí)際構(gòu)成之間的一致性。

3.2 探測(cè)結(jié)果與分析

采用三種方法對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)結(jié)果如表2 和表3所示。

表2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)結(jié)果

從表2 和表3 中可以看出,本文設(shè)計(jì)的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下巖體構(gòu)成以及成分含量,相關(guān)屬性參數(shù)的獲取,對(duì)于實(shí)際的開(kāi)采工作具有有效的指導(dǎo)價(jià)值。不僅如此,通過(guò)觀察表2 中的數(shù)據(jù)可以看出,其最大探測(cè)深度為地下53.46m,能夠滿足大多數(shù)礦區(qū)的探測(cè)需求,對(duì)于各地層信息位置以及厚度信息的探測(cè)精確到0.01m,可以為開(kāi)采工作的開(kāi)展提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

表3 地質(zhì)構(gòu)成分析結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

隨著礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加,對(duì)其的探測(cè)和開(kāi)采力度也逐漸增加。不僅如此,在礦井機(jī)械化程度不斷提高的背景下,如何切實(shí)有效地提高煤礦的安全性成為了備受關(guān)注的問(wèn)題之一。除開(kāi)采技術(shù)和開(kāi)采施工因素外,另一個(gè)影響煤礦井下安全的關(guān)鍵因素就是煤礦本身的地質(zhì)構(gòu)造,一方面其決定著開(kāi)采施工的方向,另一方面其也直接決定著相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的等級(jí)要求。本文提出基于EMD 去噪的煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造聲學(xué)探測(cè)技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)地下構(gòu)造的準(zhǔn)確分析,也希望為相關(guān)工作的開(kāi)展帶去幫助。