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| 煤矿巷道随掘震电超前探测技术研究进展 |
摘要：随着煤炭资源开采深度的不断增加，地质条件愈发复杂，煤矿安全生产面临着新的挑战。煤矿随掘地震和随掘电法探测技术作为新兴的地球物理探测手段，能够实时监测巷道掘进过程中的地质异常，为煤矿安全智能化掘进提供重要保障。本文阐述了煤矿随掘地震和随掘电法探测技术的基本原理、研究现状、存在问题及发展趋势，旨在为该领域的进一步研究和应用提供参考。
关键词：煤矿；随掘地震；随掘电法；探测技术；研究进展
0 引言
煤炭是我国的主要能源之一，在国民经济中占据重要地位。随着煤矿开采的不断推进，巷道掘进深度和难度逐渐增加，地质条件也变得更加复杂。煤炭工业经历了从炮采、普通机械化、综合机械化向智能化发展的重大技术变革[1-3]。随着煤矿智能化进程的不断推进，综合机械化采煤技术迅速发展，回采速度加快，对巷道的掘进速度要求也相应提高[4]。随着我国浅部煤炭资源日益枯竭，煤矿开采转向深部[5]，深部煤矿建井难度急剧增大，采掘接续问题愈发突出[6-7]。传统的地质探测方法往往需要停止巷道掘进工作再进行，不能实时监测掘进过程中的地质变化，给煤矿快速智能掘进带来了很大影响。煤矿随掘地震和随掘电法探测技术能够在巷道掘进的同时进行地质探测，实时反馈掘进前方的地质异常情况，为煤矿安全智能化快速掘进提供了有力地质保障。
1 煤矿随掘地震探测技术
1.1基本原理
煤矿随掘地震探测技术是利用掘进机或盾构机在掘进过程中产生的破岩（煤）震动作为震源，通过布置在巷道周围的地震传感器接收地震波信号，进而分析掘进前方的地质构造和岩性变化。当掘进机或盾构机的震动波在地下传播时，遇到不同的地质界面会发生反射、折射和透射等现象，地震传感器接收这些波信号后，通过数据处理和分析，可以推断出掘进前方的地质情况。
1.2研究现状
（1）震源研究
目前，对于随掘地震震源的研究主要集中在掘进机或盾构机震动信号的特征分析和震源模拟方面。针对随掘地震数值仿真，在随掘地震波场[8]、随掘地震信号时频域特征[9]认知的基础上，Xu Xinji等[10]利用实测随掘地震数据中的参考信号作为震源项进行了随掘地震数据数值模拟，图1为某TBM随掘地震信号时频域特征；
 图1 随掘地震信号时频域特征
图2实测随掘地  震数据及其信号特征
随掘地震探测数据的处理和解释是该技术的关键环节。目前，常用的数据处理方法包括滤波、反褶积、偏移成像等。
对于随掘地震信号脉冲化处理，F. Poletto 等[14]提出了一种利用 TBM 随机振动自相关干涉进行超前探测的方法；程久龙等[15]采用基于改进人工蜂群的独立分量分析方法（IABC-ICA）进行噪声与有效信号的分离，在此基础上利用互相关和脉冲反褶积方法进行压缩子波处理，图3为该方法去噪前后脉冲反褶积处理结果；覃思等[16]、许新骥[17]、U. Harmankaya 等[18]、王季等[19]开展了基于互相关方法的随掘地震超前探测试验研究。
 图3 IABC-ICA方法去噪前后脉冲反褶积处理结果
 图4 掘进机震源信号复合干涉算法脉冲化处理结果  图5 随掘地震处理成像结果 以上研究突破了随掘地震探测相关的技术瓶颈，能够进行工业性应用，目前岩巷TBM 随掘地震技术还处于起步研究阶段。由于随掘震源产生的是复杂、变频、连续信号，信号特征认知直接影响数据处理与成像精度，而对于岩巷 TBM 随掘地震探测，其信号特征认知仍不清晰，且暂时还没有针对性开展过信号处理与成像研究工作。需在实践中不断深化地质特征与地震波响应特征对应关系研究，以期准确预测地质构造等不良体。
2.1 基本原理
煤矿随掘电法探测技术是利用掘进过程中巷道周围岩石的电性差异，通过布置在巷道中的电极向地下供入电流，测量电场分布，从而推断掘进前方的地质情况。不同的岩石具有不同的电阻率，当存在地质异常体时，如断层、含水层等，会引起电场分布的变化。通过对电场数据的分析和处理，可以推测地质异常体的位置、形态和规模。
2.2 研究现状
（1）数据采集与处理
随掘电法探测数据的采集需要考虑掘进过程中的干扰因素，如掘进机或盾构机的电磁干扰、巷道中的粉尘等。为了提高数据采集的质量，研究人员采用了抗干扰技术和数据滤波方法。不同的电极排列形成的不同观测模式影响着电法超前探测距离和数据采集的抗干扰能力，针对TBM隧道施工环境，国外最早开始了聚焦电流法研究[23-26]，通过将刀盘布设探测电极，并向隧道掘进工作面注入探测电流，同时利用护盾上安装的保护电极向侧帮围岩注入同相同频的保护电流，起到屏蔽侧方干扰，聚焦电流至掘进工作面前方的作用，然后根据前方视电阻率的变化，推测前方地质情况，图6是聚焦电流法超探测原理和电极布置示意图。此后，国内研究人员也开始了相关研究，借鉴多同性源阵列观测方式，聂利超[27]等在BEAM法的基础上，提出了一种适用于TBM复杂环境下的多同性源观测模式，即位于工作面边墙同一圈同性源供电电极系供电，位于刀盘滚刀开孔处的测量电极系测量，直至完成所有圈次，即可完成TBM观测模式的数据采集，该观测方式在提高抗干扰能力的基础上又极大地提高了探测距离。
 （a）聚焦电流法隧道超前探测原理 （b）电极布置 图6 聚焦电流法超前探测原理和电极布置示意图
 图7 小波变换分解示意图
随掘电法采集的电压、电流数据经过数据处理后仍然无法直观地反映巷道前方的地质信息，需要进一步的反演成像才能用于地质资料的解释。
随掘电法受限于观测模式及掘进机的干扰，易造成反演成像多解性，影响异常体定位精度。针对多解性和运算速度问题，王传武[30-32]通过在三维电阻率反演中利用已知的地质信息，施加基于松弛变量的不等式约束来压制反演的多解性，图8展示了物理模拟试验中反演计算结果；
 图8 反演计算结果
 （a）三维反演结果； （b）异常体提取三维图； （3）x=0m处切片 图9 混合反演结果  （a）三维反演结果； （b）异常体提取三维图； （3）x=0m处切片 图10 最小二乘反演结果
3.1 存在问题
（1）信号干扰严重。煤矿井下环境复杂，存在着各种电磁干扰和噪声干扰，如掘进机的电磁辐射、通风设备的噪声等，这些干扰会影响随掘地震和随掘电法探测技术的信号质量，降低探测精度。
（2）数据处理难度大。随掘地震和随掘电法探测技术的数据处理较为复杂，需要考虑掘进过程中的动态变化和干扰因素。同时，由于数据量较大，处理时间较长，难以实现实时监测和反馈。
（3） 探测距离有限。目前，随掘地震和随掘电法探测技术的探测距离有限，难以满足巷道掘进超前智能预测的需求。
（4）设备可靠性有待提高。煤矿井下环境恶劣，对探测设备的可靠性要求较高。目前，随掘地震和随掘电法探测设备在长期使用过程中容易出现故障，影响探测工作的正常进行。
3.2 建议措施
（1）信号干扰抑制。采用屏蔽技术、滤波技术和接地技术等，减少电磁干扰和噪声干扰对探测信号的影响。同时，优化震源和电极的设计，提高信号的强度和稳定性。
（2）数据处理优化。开发高效的数据处理算法和软件，提高数据处理的速度和精度。采用实时处理技术，实现对探测数据的快速分析和反馈。
（3）提高探测距离。研究新的探测方法和技术，提高随掘地震和随掘电法探测技术的探测距离。例如，采用长波长地震波和低频电流等，增加信号在地下的传播距离。
（4）提高设备可靠性加强对探测设备的研发和改进，提高设备的抗干扰能力、。稳定性和耐用性。同时，建立完善的设备维护和管理体系，确保设备的正常运行。
4 发展趋势
（1）多技术融合。将随掘地震、随掘电法探测技术与其他地球物理探测技术、地质分析方法等相结合，实现多技术融合的综合探测，提高探测的准确性和可靠性。
（2）智能化发展。利用人工智能、大数据等技术，实现对探测数据的自动分析和解释，提高探测工作的效率和智能化水平。
（3）智能化探测。随着煤矿开采深度的不断增加，对深部巷道掘进的地质探测以及长距离探测的需求越来越大，对智能化探测的要求也越来越高。未来，随掘地震和随掘电法探测技术将不断提高探测距离、精度以及可操作性，满足深部煤矿智能化开采的需求。
（4）设备小型化和便携化。为了便于在煤矿井下使用，随掘地震和随掘电法探测设备将向小型化和便携化方向发展，提高设备的灵活性和可操作性。
5 结论
煤矿随掘地震和随掘电法探测技术作为新兴的地球物理探测手段，在煤矿智能化安全生产中发挥着重要作用。目前，该技术在震源研究、传感器布置优化、数据处理与解释方法等方面取得了一定的进展，但仍存在信号强干扰、数据处理难度大、探测距离有限和设备可靠性有待提高等问题。未来，随着多技术融合、智能化发展、长距离探测和设备小型化等趋势的不断推进，煤矿随掘地震和随掘电法探测技术将不断完善和发展，为煤矿安全生产提供更加有力的保障。
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