摘 要：大断面巷道掘进过程中，其前方地质条件及周边围岩特征对安全掘进至关重要，因此需要查明掘进围岩条件，为技术措施制定提供参数。利用地震波的数值模拟技术，进行巷道超前钻孔内的地震波CT勘探，以及巷道内的反射波勘探。利用跨孔地震波CT速度反演结果和反射地震偏移成像结果的数据融合，联合判断围岩破坏特征及超前地质预报。数值模拟实验结果表明，两种方法数据的融合，可以提高对巷道周边地质条件判断的准确率，取得良好效果。
关键词：数值模拟实验；跨孔震波CT；反射波勘探；数据融合
1 引言
    大断面巷道在煤矿中较多，一些大型矿井回采巷道宽度已达5～10m，断面面积达到40㎡。巷道断面的不断增加，满足了煤矿生产的运输和通风的需要，使高产高效的工作面成为现实。大断面给煤炭企业带来了巨大的经济效益，但也带来了许多的问题，如巷道普遍出现冒顶、片帮和底鼓等。这些问题给巷道的维护带来困难，已经影响到了煤矿的安全高效生产，引起了越来越多人们的关注。巷道掘进前方及周边围岩安全条件一直是关注的焦点，大断面巷道的受力状态逐渐变的复杂，给巷道的开掘和支护带来了新的问题^[1-3]。巷道掘进施工中，巷道顶板会在短时间内发生离层。为保证大断面巷道的快速掘进，首先要对掘进巷道地质条件掌握清楚，巷道超前地质探测是煤矿地下开采的先头兵和侦察兵，地层岩性变化、地质构造、矿井水和瓦斯等是影响巷道掘进与安全的主要因素之一。可靠准确的巷道超前探测技术，不仅直接指导巷道安全掘进，还对矿井采区、工作面等系统的合理布置具有十分重要的意义。
    目前，国内外在煤矿地质探测方面除地质理论预测和巷道、钻探勘探技术外，主要采用矿井工程物探技术进行，其方法手段有：矿井震波法，矿井工程电法预测，其他方法还有，如微重力法、放射性探测法、红外辐射场探测法等^[4]。其中巷道超前探测主要是利用反射地震、直流电及瞬变电磁等方法进行单次超前探测，对前方大的断面及含水异常进行探查，其对岩层结构、含水等异常分辨能力有限，未能有效考虑围岩结构特征^[5-7]。对巷道围岩的探查主要集中在对松动圈的判断，对于大面积的探查方法研究内容相对较少。总的来说，从这些方法的实际应用效果看，各类不同方法的性能指标都有了一定的提高，但受巷道干扰因素影响，生产关注的地质问题仍没有得到很好的解决。由于震波类测试方法的分辨率高，因此多被应用于进行巷道前方及周边地质条件的精细探查与判断，本文即是利用钻孔震波CT和反射波法相结合，对前方及围岩条件进行综合探查，提高对目标体探查的分辨能力。
2 震波联合技术
2.1 震波联合技术选择
    大断面岩巷掘进过程中，其前方地质条件预报以及周边围岩松动等特征对掘进安全具有重要的影响。利用超前探孔的双孔条件进行精细探查，并结合反射偏移成像方法可以对周边围岩条件进行分析。图1为巷道掘进过程中联合探查条件，对于掌子面前方施工两个钻孔，对孔间地质条件进行层析成像，同时利用巷道两帮及掌子面条件进行反射波测试并偏移成像，判断掘进空间围岩的基本条件。 2.2 震波CT与反射偏移联合技术
(1)层析成像技术
    震波CT成像技术是根据物体外部的测量数据，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的分布图像。地震勘探中震波“走时”，从数学角度来看，就是平面上一个函数(慢度)沿射线的线积分。实际反演计算时多采用离散图像重建技术。在地震走时层析成像情况下，地震波走时τ，图像向量f为象元内慢度的平均值，则(1)式可写成以下矩阵方程：Af=τ (1)
    离散图像重建问题转化为给出一系列地震波走时τ，计算图像向量即地质体介质慢度向量f。方程组(1)中的系数矩阵A是极其稀疏的，因为它的每一行有I个元素，而每条地震波只通过所有I个象元中的一小部分，因此矩阵A中的大部分元素为零。根据系数矩阵稀疏的特点，对方程组(1)多采用SIRT法求解。
    SIRT也称联合迭代重建技术，它是由Gilbert首先提出的。SIRT算法与传统的BPT法和ART法相比，具有收敛性好，重建图像的分辨率高，对初值选取精度依赖程度低等优点。
(2)偏移成像
    偏移成像是反射波数据处理的关键，采用了绕射扫描叠加偏移(图2)，可以同时利用运动学(走时)和动力学(幅值、极性等)信息，其图像更直观，能提供岩体力学性质变化和构造组合特征等丰富的资料。根据惠更斯原理，地下每一个反射点p都可以看成是一个子波震源，进行绕射扫描偏移时，把每一个网格点看成是一个反射点。首先将要成像的空间范围网格化，任一网格都看作是潜在的反射点。
对于某一网格G_ij和某一炮检对 (X_S,X_R)，通过射线追踪出路径X_S-G_ij-X_R的旅行时间t_i，在对应记录道中提取时间ti处的振幅并沿椭圆轨迹放置。它的反射波或绕射波旅行时为：
    （2）
    式中j=1，2，3，……，m，且m为参与叠加的记录道；v为地震波的速度，h为p点的垂直深度，t_ij为扫描点p处第i炮第j个接收点的绕射波旅行时。如果路径上的速度正确则所有记录中的反射弧在G_ij反射点处干涉增强。对所有网格点操作完成后即可获得成像空间的偏移剖面。

    通过深度偏移可将巷道震波记录中的反射波从时间域映射到空间域，将来自于巷道前方的反射事件重新归位，实现巷道前方构造形态描述。
    深度偏移剖面是成像的重要成果图件之一，以此为基础进行巷道前方的构造及其它地质信息的解释。
(3)震波CT与反射偏移的融合
    数据融合在物探领域的应用较为热门，但尚未形成统一的标准。常见的方法有代数法，主成分分析法^[8]，小波分析法^[9]等。代数法包括加权融合、单变量差值法、比值法等以及相关的代数计算方法。几乎所有的信息技术方面都有可能使用这一类的方法。数据融合的前提是多种数据量纲的统一，空间位置的配准。本文用经典的加权融合方法，对两种地震数据融合进行初步的研究。
    根据震波CT和反射偏移结果，对波速和偏移能量分别归一化处理，对相同位置的网格单元进行配准。将相同网格中的信息值加以权重，其中层析成像与反射偏移共同区域，以震波CT点60％、偏移能量占40％成份进行叠加，形成融合剖面，可对目标体进行综合分析。
3、模拟试验研究
3.1 震波CT模拟
    利用数值模拟技术对巷道掘进空间地质条件进行震波层析成像模拟。
    将巷道周边围岩作为各向同性介质，设计尺寸为50×35m数值模型(图3)。     正演模型构建中无构造区波速设置为2.0km/s，高速带宽度为5.0m，其内部介质地震波波速为3.0km/s；震源选用频率200Hz雷克子波，采样间隔为0.4ms，采样时间为300ms。在巷道前方两个钻孔1和2的孔中进行激发和接收，根据大断面巷道条件设计两孔间距为10m。在不考虑转换波的情况下，采用声波控制方程，运用交错网格有限差分求解声波方程，得到震波信号。
    依据震波CT数据处理流程进行双孔间层析成像，图4为所获得的孔间波速反演结果剖面。可以看出，在无构造区地震波反演波速为2.0km/s左右，且分布相对均匀，而对于高速异常区域，其波速条件发生了显著变化，局部速度值为2.8km/s左右，其收敛程度好，与设计断层位置吻合度高。但受测试方法所限，在双孔外侧断层的延展程度控制度降低，因此需要采用其他方法进行协作探查。 3.2 反射偏移数值模拟
    模型参数以上述数值模型为基础，观测系统参照图5所示。观测系统设定为“一发八收”，8个检波点位置不变，并设置了7个不同位置并依次激发的炮点。震源同样采用频率200Hz雷克子波，采样间隔为0.4ms，采样时间为300ms，得到正演地震波记录。将7组共炮点叠前信号进行绕射偏移处理，结果以彩色的方式显示，如图6所示。     图6为探测区域反射偏移剖面，依据地震界面处能量集中程度进行异常地质条件解释。从图6中可以看出，在介质界面处，反射波能量较为显著，因此可以进行界面位置解释。该反射波组能量在两孔之间及孔周边均有反应，且与断层构造的延展方向较为一致，这进一步补充了震波CT探查分辨区间有限的不足，解释结果更为完善。
3.3 两种方法数据融合结果
    结合震波CT及反射偏移成像结果，将两种计算结果进行数据融合，可以获得叠加剖面，对巷道掘进工作面空间结构及构造地质条件进行全面判断。具体实现时，将震波速度值、反射偏移能量值分别进行归一化处理，选择统一的探测空间数据网格，将两种方法共用网格点归一化数据按震波CT速度值占60%、偏移能量占40%进行融合，进一步获得两类数值融合后的综合剖面，形成对探测区域的完善解释。
    图7为融合后的综合剖面图，其归一化叠加数据分布带有两类数据地质信息，可对巷道掘进前方一定空间范围内的地质条件进行判断。     图中，反演异常区与高速异常体的空间分布有很高的一致性，效果良好。相对于单一的探测手段，该种方法在反演范围和反演精度方面达到了较好的平衡。
4、结论
    巷道大断面的地球物理探查是一个具有实际应用价值的方式，巷道超前探测孔或瓦斯抽放孔均可以用于拓展物探的探测空间，提高物探的探测精度。
    (1)利用钻孔震波CT和反射波法相结合，对前方及围岩条件进行综合探查，为解决大断面巷道的地质预报提供一种新的参考。
    (2)结合震波CT及反射偏移成像结果，将两种计算结果进行数据融合，可以获得叠加剖面，对巷道掘进工作面空间结构及构造地质条件进行全面判断。模拟数据反演结果显示，这种勘探方法效果良好。
    这里需要指出的是，本文只是利用简单的加权融合方法，对两种地震数据进行融合。意在摸索一个大断面条件下，巷道掘进地质预报的新思路。在数据融合方面，目前有非常多新颖、实用的方法，可以在进一步研究工作中加以改进。
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作者简介：
    胡泽安(1987-)，男，安徽凤台人，助教，博士研究生。主要从事矿井地球物理勘探方法教学和科研工作。