摘要：国家能源战略对煤炭工业智能化建设与发展进行了准确定位，煤炭绿色智能开采、清洁高效利用成为未来矿山发展的主线，积极推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系是煤炭人肩负的使命。在煤炭资源开发全过程中，地质条件的精细探查是基础环节，查明和重构煤炭开采透明化地质条件，是精准开采和清洁利用的基础保障。随着煤矿安全高效集约化生产模式的推广和无人化、智能化开采时代的到来，煤矿采煤工作面要求超前查明影响回采的小构造等隐蔽致灾地质因素以及实现工作面地质透明化的需求日趋强烈。
目前，工作面随采地震超前探测是一个国际前沿的课题，也是实际回采过程中中亟待解决的难题。其探测的要求高，需要实时探测回采面前方200m范围内的断层断层、陷落柱等地质构造。采用坑透、槽波等传统矿井物探方法可在采前对工作面内部构造进行探查，其中坑透因其技术层面射线覆盖密度不够、易受电磁干扰，导致其纵向分辨率不足，槽波技术施工较为繁琐，且随着火工品在煤矿基本不在使用，到时槽波探测无法实施，这样回采工作面地质构造精细探查缺少有效的井下物探手段。地面三维地震对大型陷落柱、断层等灾害性地质体有较好的探测效果，但探测结果偏差较大，当地质体尺寸较小时，效果更不明显。因此，要想有针对性的探明回采工作面内的有害地质异常体，既保证煤矿的安全，又不影响煤矿的施工，矿井随采超前地震探测技术是急待研究的问题。
关键词：煤炭智能开采；透明地质；随采地震；超前探测；小构造；隐蔽致灾因素
1 随采地震超前探测技术原理
煤矿井下随采地震探测技术是指利用采煤机截割煤壁时所诱发的震动作为被动地震震源，通过在回采面两侧巷道煤帮布设随采传感器接收实时信号，利用地震勘探数据实时处理和动态成像技术，动态监测工作面内部煤层中断层、陷落柱、煤层变薄区等静态地质条件，并对监测工作面煤层顶板破碎带、应力集中区、突出危险区等动态灾变条件进行监测预警，为煤矿智能无人安全开采提供数据支撑。随采地震探测技术原理如图1所示。
2 随采地震数据脉冲化处理技术
脉冲化是随采地震信号处理的核心步骤,其目的是将连续地震数据转化为虚拟单炮数据，从而可以用常规方法进行后续的处理和成像。脉冲化方法也被称为地震干涉算法,常用的地震干涉算法有互相关算法﹑反褶积算法、互相干算法等。其中互相关算法和反褶积算法简单且适用性高，是随采地震中最常使用的方法。
a、互相关干涉
在频率域中，相邻的两个点ra、rb的地震记录分别为W(s)G(ra，s)、W(s)G(rb，s)，其中，W(s)是频率域上的震源函数，G(ra，s)、G(rb，s)分别对应接收点ra、rb地震响应的格林函数，他们在频率域的互相关公式为：
式中：“*”表示复共轭， 表示震源影响因子。
b、反褶积干涉
反褶积干涉的频率域表示：
从公式(1)和公式(2)可以看出互相关干涉和反褶积干涉结果形式基本一致，都能进行地震干涉处理，从而得到两个点之间地震响应的格林函数。再观察公式(2)相对于公式(1)，少了震源的影响因子的影响，所以反褶积干涉可以消除震源函数对处理结果的影响，从而提高地震干涉的精度，本次互相关干涉处理需要用到参考信号，而参考信号最好是源信号，所以采用离震源点较近的第一道检波器信号为参考道信号。
c、互相关干涉
在反褶积干涉去除了震源影响因子的同时，如果再将检波点A与检波点B所接收到的所有信号综合考虑，就可将反褶积公式(2)中的分母稍加改变，写成如下形式即互相干干涉：
3 随采地震初至拾取技术
初至，顾名思义，就是“首先到达的”。在地震勘探中，地震波波前到达某个观测点，在观测点上，检波器检测到质点振动的时刻称为地震波的初至时间，简称初至(First arrival，First break)。在业内人士的日常交流中，初至也常被用作“初至波”的简称。
检测地震初至时间一直以来都是一个基础而又非常重要的问题，不同应用场景或环节有着不同的需求。国内外许多学者已经提出了不少的初至拾取方法。传统的初至拾取方法主要可分为两大类：第一类是基于地震记录属性特征的方法，如能量比法、振幅比法、最大振幅法等。第二类是基于地震记录整体特征的方法，如相关法、统计法等。
a、基本原理
地震记录属性特征是从地震数据中提取出来的有关几何学、运动学、动力学或统计学特征的特殊值。按属性参数的空间分布进行分类，地震属性可分为：瞬时属性、时窗属性和平面(层位或切片)属性。目前应用较广的初至拾取方法大都是基于地震时窗属性特征，如能量比法、能量差法、振幅比法、曲线长度比法等。因为此类方法容易理解和实现，拾取效率和效果也还可以接受。
b、能量比法
地震记录上的初至是一个非常特殊的点，在它之前的有效地震信号为零，存在的只是噪音，在它之后则是非常重要的地震信号。
步骤一：设定一个时窗(长度)，将时窗等分成前后两个部分，计算时窗前后两部分能量和的比值(后/前)；
步骤二：根据比值的变化情况确定初至时间所在的时窗，通常是取最大值；
步骤三：在该时窗内根据相关准则拾取初至，通常是取时窗中点，此即能量比法：
时窗内后、前能量比为：
式中：T0为时窗起点；T1为时窗中点；T2为时窗终点；s(t)为地震记录振幅值。
c、能量差法
比值法对噪声比较敏感，可以通过加稳定因子来解决这个问题，也可以直接计算两个时窗的能量差。
从数学上考虑，计算能量比得到的是地震道中能量的相对变化特征，在干扰比较严重的情况下，这种变化可能被放大，以至于掩盖了地震记录中真正的能量变化；而计算能量差得到的则是地震道中能量的绝对变化特征。
式中：T0为时窗起点；T1为时窗中点；T2为时窗终点；s(t)为地震记录振幅值。
d、相关法
相关法拾取地震初至需要利用震源子波的先验信息。实际执行时，通常是寻求震源子波与道记录之间最相似时的相对位移，因此需要对每一个相对时移都计算相关系数，得到最大相关系数对应的相对位移。
式中，Rsw(τ)为震源子波与道记录的相关函数；s(t)为地震道记录；w(t)为震源子波；N为震源子波延续时间对应的采样点数。
4 随采地震采煤机定位技术
在地震数据处理的过程中，无论是槽波静态探测或者是随采动态探测都要确定采煤机的位置。在工作面内，速度呈现出动态变化特征。采煤机的位置与速度之间的关联性显著耦合。然而，观测系统对采煤机进行了部分环绕，在短时间内，速度的改变量微乎其微，实际情况表明，其定位影响可忽视不计。此外，互相关走时定位技术，通过极为详尽复杂的方法，可以完备而有效地实现精准定位采煤机位置。该方法的前提是，在短时间内速度的变化量非常小，因此对定位的影响可以被认为是微不足道的。然而，实际工作面内的速度变化可能更为复杂，尤其是在动态成像过程中，速度的动态变化可能导致定位误差累积，从而影响成像结果的准确性。
非线性最小二乘法优化通过调整模型参数，最小化预测值与观测数据的残差平方和，适用于非线性模型拟合，为地震反演提供高效优化手段。
5 随采地震数据成像方法
a、能量CT成像
槽波的品质因子受煤槽的影响，且其自身的品质因子不仅与煤的性质和煤层厚度相关，此外，槽波的品质因子与周围岩石的特性密切相关。无论是Love型槽波还是Rayleigh型槽波，其品质因子均可通过相关的理论公式进行表述。
设定槽波的品质因子为Qc。根据煤槽的粘滞衰减特性，平面谐波的振幅关系可以表述为：
式中，υc为频率f对应的槽波相速度。
对于透射槽波而言，其能量衰减不仅与介质的吸收和煤槽特性相关，还受到不良地质构造(如断层、陷落柱等)引起的反射、绕射以及破碎带等影响。将这些构造影响视为介质吸收的作用，可以定义其等效衰减系数为αs。因此，综合式(7)可以表示为：
在拾取完槽波进行成像之前需要做炮检一致性校正，因为槽波在煤层中传播时遇到不良地质构造其能量会发生显著变化，因此对校正精度的要求并不需要过高，这样即可满足槽波衰减系数成像的相关需求。
在某些情况下，由于几条断层的遮挡，槽波可能无法穿透特定区域，导致这些区域的槽波衰减系数显著增大，形成区域性异常。这些异常实际上是受到周围断层的影响。因此，在进行解释时，必须结合实际情况，并综合考虑巷道的出露情况，以确保判断的准确性，避免产生误解。
b、能量CT成像
槽波速度成像的核心在于准确提取槽波速度。一种常用的方法是利用槽波能量团的传播速度来确定槽波速度，同时将能量团的中心位置或首到达位置视为到达时间的参考点，从而计算出槽波速度；另一种方法是从每条数据中提取频散曲线。根据这些频散曲线，可以选择一个合适的频率点，并确定该频率对应的速度值。随后，对这些速度值进行CT成像处理。
由于槽波波列较长，波至时间或Airy相位的准确提取相对困难，因此槽波速度成像的精度通常低于槽波衰减系数的CT成像。在某些情况下，还可以利用围岩折射波，亦即波场的初至波，进行速度成像。
6 结束语
近年来，在安全、智能、绿色开采的大背景下，煤矿一方面要求不仅可以高精度探测静态地质构造体，另一方面还要求能够实现动态应力变化和顶底板裂隙的实时监测。传统探测方法如坑透、槽波地震勘探等在应用中都存在局限性，传统探测方法无法适应煤矿快采快掘、智能化生产模式，无法满足煤矿现有需求。同时，回采过程中由于采掘影响整个工作面顶底板地质、水文地质、工程地质等各项条件也发生一定变化，需要进行实时监测，为适应煤矿的发展，必须逐步将探由静态测走向动态监测。