煤矿井下随采地震探测技术发展综述_程建远.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY vibroseis; shearer source; big data of SWM; smart mining 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、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[1]。 煤矿采区三维地震经过几次技术飞跃，已经成为煤 矿开采地质条件采前地面探测的首选技术，但是随 着开采深度的加大，三维地震的分辨率难以满足要 求[2]。近年来，煤矿井下槽波地震勘探技术在采煤 工作面内小断层、陷落柱、煤层变薄区等超前探测 上取得了显著的成效，并在全国得到应用[3-5]。煤矿 井下槽波地震仍以人工打孔、炸药激发的方式施 工， 按照“一炮三检”和“三人连锁放炮制”要求作业， 井下工作量较大[6]，而且一些大型煤炭企业实现了 综采综掘全部机械化而不再使用炸药；煤矿采煤工 作面智能化开采要求能够超前查明影响采煤机摇 臂自动调高的“亚米级”的地质变化[7]和在煤矿开采 过程中动力地质灾害的监测预警等[8]，这些都是目 前常规矿井物探方法一次性静态探测所难以解决 的难题。 随着随钻地震[9]、槽波地震[10]、微震监测[11]、 可控震源独立同步扫描[12]等地震勘探新技术的迅速 发展以及大数据、云计算、物联网、人工智能等信 息技术的异军突起，2011 年笔者提出了煤矿井下随 采地震探测技术的构想[13]， 在中国博士后科学基金、 中国煤炭科工集团科研项目等支持下， 中煤科工集 团西安研究院有限公司物探研发团队持续开展了 随采地震探测技术的先导性研究和初步的试验研 究工作。 本文将从煤矿井下随采地震技术的研究现 状、应用基础研究、先导性试验以及关键技术等方 面，对随采地震探测技术进行阶段性的回顾、总结 与展望。 1 随采地震的研究现状 煤矿井下随采地震探测技术Seismic While Mining，简称 SWM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，实现采煤工作面内 部断层、陷落柱、煤层变薄区等静态地质条件精细 探测以及顶板破碎带、应力集中区、突出危险区等 动态灾变条件监测预警的新技术。 1.1 国外技术研究现状 1980 年，D. J. Buchanan 等提出利用采煤机切 割煤壁的震动作为震源以探测煤层中断层的思路， 但该研究受试验条件限制未能深入下去[14]；1996 年，E. C. Westman 等尝试以采煤机为震源，研究采 煤工作面前方顶板的应力状况，但由于当时无法对 采煤机进行实时定位，导致成像质量欠佳而终止研 究[15]；2001 年，N. Taylor 等把掘进机作为震源，进 行掘进工作面前方地质条件的超前探测，并通过数 据处理得到了叠加剖面，但其成像结果未取得后续 验证结果[16]；2002 年，L. Petronio 等以隧道掘进机 掘进时产生的震动做震源，进行了隧道随掘地震探 测，取得了初步的试验效果[17]；2006 年，F. Poletto 等进一步提出了利用隧道掘进机掘进时透过山体的 透射波来构建等效反射地震剖面的方法[18]；2009 年，L. Xun 等将采煤机作为震源，预测采煤工作面 前方煤层顶板岩石的应力状况，并对一个三角区域 内进行了速度层析成像[19]；2008 年，E. C. Hauser 等提出了利用井下采煤机的振动作为地震激发震 源、在地面与孔中布设检波器接收地震信号，实现 对掘进工作面前方老空区的探测， 并开展了试验工 作与钻探验证，取得了可喜的效果[20]；2009 年， K. Andrew 采用随采地震层析成像的方法预测矿山 压力，其测试结果与理论上矿山压力的分布规律基 本相符[21]。 近年来， 由于西方国家能源政策的转变， 德国、英国、法国等陆续关闭了煤矿，以采掘机械 为震源进行随采地震研究的报道很少。 1.2 国内技术研究现状 近十年来，国内学者陆续开展了一些被动地震探 测技术的研究工作[22-24]。在煤炭地震勘探领域，2008 年，唐德林等利用 SCHRAMM 钻机产生的强大振动 作为被动震源，开展了地面随钻地震探测陷落柱的试 验，初步证实了随钻地震的可行性[25]；2013 年，陆斌 等对采煤机震源的地震波场、震源特征等进行了理论 分析和试验观测，认为采煤机可以作为煤矿井下地震 勘探的震源[26]；2015 年，覃思等以掘进机作为震源， 开展了随掘地震反射试验，成功提取了来自巷道的反 射波[27]；20142015 年，程久龙等以煤矿井下掘进机 作为被动地震震源， 开展了随掘地震超前探测理论探 讨与数据处理方法研究[28]。2015 年，覃思开展了采 煤机割煤、 地面接收与井下放炮、 地面接收的对比试 验， 得出了采煤机震源的信号与炸药震源信号接近的 结论[29]；同年，陆斌研究了基于地震干涉的回采工作 面随采地震成像方法[30]。 总之，国内外以采煤机或掘进机为震源的相关 研究工作偏少，煤矿井下随采地震探测技术是一个 处于学科前沿的研究方向。 ChaoXing 第 3 期 程建远等 煤矿井下随采地震探测技术发展综述 3 2 随采地震的基本原理 2.1 随采地震的震源 常规的地震勘探分为数据采集、资料处理和地 质解释三个阶段，其中数据采集工作包括地震波的 激发、接收和仪器记录，而地震波的激发震源又分 为主动震源和被动震源，主动震源是人工自主选用 的地震激发震源，如炸药、重锤、电火花、空气枪、 可控震源等；而被动震源是人工无法控制的地震震 源，它包括自然界存在的各种波动如风吹草动、 人类生产活动诱发的震动等如车辆行驶、钻探、采 矿机械、岩移变形、水力压裂、矿震、突出、微震。 煤矿井下采掘活动空间中存在大量的被动地震 震源，其中包括a. 煤矿井下的采煤机、掘进机、 刮板运输机、液压支架、破碎机、转载机、皮带、 钻机、水泵、风筒等，这些设备在运行过程中将会 产生振动，这些振动沿空气、煤壁、煤岩等介质的 传播，就会形成不同类型的地震波；b. 煤层开采后 顶板“三带”与底板“两带”发育过程中，岩石破裂的 瞬态过程可以作为地震震源；c. 综采放顶煤开采 时，液压支架后端顶煤下落冲击底板可以形成稳定 的冲击性震源； d. 由于应力变化导致的煤炮、 岩爆、 冲击地压等，可以作为地震震源。 本文重点讨论以采煤机割煤过程诱发的连续振 动作为被动震源，开展随采地震探测的原理方法、 关键技术等。 2.2 随采地震的方法 随采地震探测技术是一种基于采煤机连续割煤 的被动地震探测技术。除了以采煤机的截割震动作 为地震激发震源这一特殊性之外，随采地震勘探的 方法原理与常规地震勘探是相同的。在地震勘探的 震源方面，随采地震与基于可控震源的人工地震勘 探有一定的类似之处。地面可控震源在一个激振点 即炮点上持续振动时间 816 s； 在炮点上激振结束 后，相关叠加器便将采集的地下长时连续地震信号 与可控震源发出的已知扫描信号进行相关，相关结 果成为这一“炮”的记录。随采地震的震源是采煤机 长时间“激发”的连续信号，如果能够实时获取采煤 机附近的近源子波信号，将回风巷道、运输巷道中 实际记录的长时连续地震信号，与同一时段采煤机 的近源子波信号相关，就可以利用人工可控震源的 相关器原理，对随采地震采集到的信号进行处理， 从而得到类似于常规地震的“脉冲”震源记录。 图 1 给出了可控震源连续扫描信号在经过相关后 获取地下反射记录的示意图，图 1 中 a 为可控震源的 子波信号， b、c、d 分别为可控震源信号传播到界面 R1、R2、R3 时的反射地震信号，e 是 b、c 和 d 三者 的叠加信号， f 为 e 与可控震源的已知子波 a 经过互相 关后获得的、 来自 R1、 R2 和 R3 三个地下界面的反射 信号。 图 1 可控震源工作原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of vibroseis working principle 因此，只要设计合理的随采地震数据采集观测 系统，同时接收采煤机被动震源附近的地震子波和 远场地震信号，就有可能通过类似于可控震源数据 信号处理的手段，经过相关处理获得类似于炸药激 发的地震单炮记录，从而把随采地震探测技术转换 为常规地震勘探的范畴；在此基础上，开展后续地 震资料处理与解释工作，就可以借用常规地震勘探 的方法技术和工作流程。 2.3 随采地震的优势 随采地震是一种被动地震探测技术，其突出的优势 体现在 ① 摆脱了井下地震勘探对炸药的依赖； ② 避免 了井下地震勘探需要停止采掘作业的困扰；③ 可以实现 实时动态探测，获取海量数据信息；④ 采煤机震源具有 安全、绿色、低成本、无污染、可重复利用等独特优势。 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 47 卷 3 随采地震的试验研究 3.1 采煤机振动信号的特征分析 a 激发能量 炸药震源具有频谱丰富、能量较强、一致性好 等优势，是最为常用的地震勘探震源。但是，炸药 震源激发时 90的能量被燃烧、仅有 3的能量转 换为地震波， 而且炸药震源激发存在打孔工作量大、 环境影响大、安全系数低等缺点。 随采地震的震源是基于采煤机的被动地震震 源，采煤机震源为一个连续震动、非人为主观愿望 可以直接控制的被动震源。采煤机截割煤壁所诱发 的振动可否作为地震勘探的震源，取决于其是否符 合地震勘探震源的要求① 激发能量足够强，地震 有效波的信噪比高；② 震源激发的地震波频率高、 频带宽，其自相关信号的主峰突出、旁瓣窄；③ 震 源可以高效激发、重复利用；④ 震源安全可靠、低 成本、绿色环保等。显然，如果采煤机适于作为煤 矿井下地震勘探的震源， 则其完全满足上述震源的③、 ④要求。因此，采煤机是否适于作为随采地震的震 源，则主要取决于采煤机截割煤壁诱发的地震波能 量是否足够强、频带是否足够宽等。 图2给出了某矿井下采煤机割煤过程中在地面接收 到的随采地震记录。该试验点上采煤机距离地面接收点 的垂直距离约120 m，地表为约5 m 厚的风积沙层，其 下是 46 m 厚的松散层，对地震波的吸收衰减较强；基 岩面以下为9 m 的泥岩层、 48 m 的砂岩层， 目标煤层厚 度6.0 m左右。 可以看出 图2在02.6 min和3.15.4 min 两个时段，地面检波器接收的信号较强，期间的个别尖 脉冲信号为微震事件； 在2.63.1 min 时段为采煤机停歇 时间，可以将其视为背景信息。另外，在该矿井下采煤 工作面以采煤机割煤为被动震源，从切眼出发沿回风顺 槽布设检波器，最大排列长度750 m，能够清晰地接收 到采煤机诱发的地震信号。由此不难看出相对于背景 噪声而言，采煤机割煤诱发的振动信号信噪比高，初步 说明采煤机作为被动震源的能量是足够的。 图 2 井下采煤、地面接收的随采地震记录 Fig.2 SWM data recorded on ground when mining underground K. Andrew 等在澳大利亚某矿开展了采煤机震 源激发的地震信号频带宽度的测试。采煤机滚筒直 径 2 m、 厚度 1 m， 在采煤机前刀面有 21 个截齿图 3； 采煤机滚筒以 40 rpm 转速截割煤岩，相当于滚 图 3 采煤机a和检波器与采煤机不同距离的信号频谱b引自 K. Andrew[21] Fig.3 The longwall shearera and signal spectrum for the detector at different distances from the shearer bFrom K. Andrew[21] ChaoXing 第 3 期 程建远等 煤矿井下随采地震探测技术发展综述 5 筒运转速度为 40 rpm2π1 m/60 s4.19 m/s、每 秒有 40 rpm21 个/60 s14 个/s 的截齿在切割煤块。 采煤机在切眼割煤时， 沿运输顺槽布设了 10 个检波 器，其与切眼的垂直距离分布在 141317 m，图 3 是这 10 个检波器实际记录的采煤机振动信号的能 量和频谱FFT。可以看到100 Hz 以下信号最强， 250300 Hz 的信号较强；检波器距离采煤机越远， 高频衰减越大。另外，一个显著特征是频谱峰值周 期间隔约 9 Hz，估计这与采煤机的运动周期有关。 由此可见，采煤机截割煤层诱发的振动信号是一个 连续、高频、宽带、强能量的地震信号，符合作为 地震勘探震源的充要条件。 3.2 采煤机震源与炸药震源的对比 随采地震的特殊性在于该技术试图在煤矿井下 以采煤机震源代替炸药震源。为了进一步评估随采地 震技术处理的剖面与放炮震源的差异，需要对比在相 同条件下两种不同震源采集到的数据。为此，开展了 某矿井下放炮、地面接收图 4a与井下采煤放炮点附 近、地面同一位置接收的对比试验，通过对连续振动 信号处理后，取得了可以与井下放炮记录相比拟的随 采地震记录图 4b。对比分析可以看出无论是在切 眼煤层中放炮还是同一位置采煤所获的地震记录，均 在地面记录到透射波，波至清晰可辨，能量较强，且 续至波的可辨识程度接近。这说明在采煤机附近布设 检波器采集源场信号，与远场信号相关，能获得与炸 药震源相似的虚拟地震记录；同时可以看到炸药震 源激发的地震记录信噪比明显高于随采地震的单炮记 录这可能与随采地震数据相关时长参数有关。 图 4 井下放炮、地面接收a与井下采煤、地面接收的相关记录b Fig.4 Seismic record on ground of coalseam blastinga and coal mining undergroundb 3.3 陷落柱的随采地震探测试验 某矿 41108 采煤工作面回采时切眼遇到陷落 柱，急需对未采区域内是否存在隐伏陷落柱进行超 前探查，41108 工作面倾向宽度 204 m、走向长度 剩余 508 m，煤层平均厚度 10.60 m，煤层倾角 07，平均 5，煤质较硬，槽波发育条件良好。 为了进行对比测试，该工作面同时采用常规槽波地 震透视和随采槽波地震透视两种手段。采用炸药震 源进行槽波透视时，综合利用了回风、运输巷道和 切眼的“U”型巷道，射线密度较高且均匀；采用随 采地震进行槽波透视时，仅仅利用切眼和回风巷道 的“L”排列，其射线密度相对稀疏。 为了测试随采地震对工作面内陷落柱的探测 效果，试验设计 39 道接收、道距 10 m、回风巷道 接收的观测系统图 5a，采样率为 0.5 ms，记录时 间长度 6 h；采煤机前后滚筒中心距离 14 m、滚筒 直径 2.5 m。图 5b 是试验采集到的长度为 5 min 的 随采地震数据，此时采煤机距离运输巷约 82 m、距 离回风巷道约 122 m，震源能量很强，可以看出采 煤机开始工作和停止工作时的数据能量差异非常 明显；以第一道作为参考道，将随采地震数据进行 互相关，获得图 5c 所示的随采地震虚拟炮集记录， 其中陷落柱与正常道之间的能量差异也较为明显。 图 5d 为基于随采地震探测的槽波透视成像结 果，在工作面前方发现了一个直径 2227 m 的隐伏 陷落柱，后经井下钻探与回采工作证实。 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 5 陷落柱的随采地震探测示意图 Fig.5 Schematic diagram of collapse column detection by SWM 4 随采地震的关键技术 4.1 采煤机震源的地震数值模拟 所谓地震数值模拟就是在假定地下介质结构模 型和相应物理参数已知的情况下，模拟研究地震波 在地下各种介质中的传播规律，并计算在地面或地 下各观测点所应观测到的数字地震记录的一种计算 机仿真方法。地震数值模拟是研究复杂地震波场的 重要工具，也是研究构造、物性和岩性等各种地质 因素与地震波运动学和动力学特征之间关系的一门 技术，是认识地震波传播规律和检验各种方法技术 应用效果的重要工具。 随采地震是以采煤机震动作为震源超前探测采 煤工作面内部的构造、岩性、应力等异常变化的方 法，可以实时提供开采前方的煤层地质情况，目前 仍处于试验研究阶段，波的传播机理与波场特征等 尚不清楚，例如以采煤机为震源诱发的振动信息， 是一个移动震源激发的、连续传播的地震波，其波 场成分是以体波还是面波为主在体波类型中，又是 纵波还是横波为主如果以横波为主，其优势分量是 SH 波还是 SV 波等等。由于煤矿井下随采地震探测 技术是一个全新的技术方向， 国内外学者研究较少， 却又具有很大的发展潜力。对于上述问题的研究， 需要通过数值模拟的方法，从理论上厘清其波场传 播的机理与特征，为煤矿井下的实证研究和应用研 究指明方向。因此，有必要开发适于煤矿井下随采 地震三维、三分量数值模拟的软件，并开展不同地 质模型的随采地震数值模拟与分析。 4.2 采煤机震源结构及信号特征 炸药震源是一个瞬态的脉冲震源，起爆时间为 微秒级、爆燃速度 5 0006 000 m/s、信号记录时间 为秒级，在如此短暂的时间内炸药震源就能够向地 下发射一个强能量、尖脉冲、宽频带的地震子波。 为了逼近炸药震源的激发效果，人工可控震源通过 控制激振器的动作、采用长时如几十秒升频扫描 的方式，最终形成一个频率域宽频带、时间域强能 量、尖脉冲的地震子波信号。无论是采用线性扫描 还是非线性扫描的方法，可控震源的激震信号都是 经过人工编码的、有一定规则的信号序列，因此通 过可控震源子波与各检波器接收信号的互相关，可 以取得类似于脉冲状炸药震源激发的地震记录。 采煤机震源是一个不等周期、 断续激发的震源， 其激发信号具有能量强、频带宽等特点；采煤机震 源具有炸药震源的一些特点，例如以采煤机运行速 度 6 m/min、滚筒转速 40 rpm、滚筒直径 2 m、滚筒 厚度 1 m、 滚筒镶有 21 个截齿、 截齿间距 31.40 cm 来 估算，假设随采地震记录的时间采样间隔为 0.5 ms， 则在一个时间采样间隔 0.5 ms 之内，采煤机直线运 动距离为 0.05 mm、滚筒转动周长 4.2 mm、约有 5 个截齿在侧向割煤。按照这一测算结果，通过抽象、 概化后可以把采煤机割煤抽象为一个连续脉冲震源 的叠加效应，即类似于微差连续放炮或毫秒连续爆 破的过程。由于采煤机震源兼具炸药震源与可控震 源的特点，其激发的信号一方面是不可控的，因为 采煤机运行的速度、截齿的出力以及采煤停歇间隔 是不规律的；另一方面，在某一特定煤矿的采煤机 ChaoXing 第 3 期 程建远等 煤矿井下随采地震探测技术发展综述 7 械、地质条件、采煤班组等是相对稳定的。从一个 较长的时间上看，采煤机震源的活动又是有一定的 时空规律可循的。 正是由于采煤机震源信号的复杂性，急需开展 利用微积分方法对采煤机的震源特征加以理论描 述，利用独立成分分析、多域去噪等数学手段对采 煤机信号加以提纯，以及采煤机近场信号动态数传 等技术与装备的研发等。 4.3 随采地震大数据的动态处理 为了开展工作面透射槽波层析成像，煤矿井下 采煤工作面随采地震探测的观测系统应该将工作面 “圈”起来图 6，即在切眼、回风巷道、运输巷道和 停采线附近以及停采线与切眼之间的地段，尽可能 预先埋设检波器，以实现全息数据采集。假设某工 作面走向长度 1 000 m、倾向宽度 200 m、工作面单 刀切割时间 2 h， 按照 20 m 一个传感器的密度布置， 则需要安装 120 个检波器；随采地震是采用连续监 测模式实现数据采集的， 如果按照 120 道接收、 0.5 ms 采样， 则每天随采地震的数据量为 120 道24 h/d 3 600 s/h1 000 ms/s2 p/ms4 b/p82.944 Gb/d，折 合工作面单刀截割 2h 的数据量为 6.92 Gb、 随采地震数 据网络传输的速率为 960 kb/s。如此海量的数据，无论 对于煤矿井下工业环网的数据传输速率，还是后台集 控中心的高速计算机运算而言，都具有极大的挑战。 图 6 随采地震观测系统示意图 Fig.6 Schematic diagram of observation system for SWM 只有广泛汲取大数据、互联网、人工智能和 智能开采等领域的最新成果，随采地震的实时数 据采集、动态数据处理以及智能地质解释才能走 向成熟。 4.4 随采地震与智能开采的协同 随采地震探测技术是以大数据采集、 动态化处 理和智能化解释为基本特征， 该技术的出发点和落 脚点是为智能化、无人化开采提供技术支撑的。随 采地震探测的目的是实现采煤工作面前方未采区 域小断层、陷落柱、煤层厚度等静态地质体的精细 探测，为构建采煤工作面动态化、透明化的三维地 质模型提供可靠信息，这是不言而喻的；特别需要 说明的是煤矿开采过程中围岩应力不断动态变 化，其开采动力地质灾害的超前监测、预警一直是 一个技术难题，如顶板错断型冲击地压的防控、顶 板异常支承应力变化导致的压架等监测预警。 因为 采煤活动引发的开采动力地质灾害， 只有利用大数 据分析、通过实时动态监测预警的方式才能够解 决，而这一点正是随采地震探测技术的优势所在， 也是现有其它手段所无法比拟的。 今后，如果能够把智能开采工作面“三机”状态监 测信息、采煤机实时定位信息以及工作面视频解译信 息等，及时提供给随采地震系统，实现随采地震与智 能开采信息的互联、互通、互馈，就可以充分发挥随 采地震技术在静态地质体精细探测和灾变地质体动态 监测两个方面的独特技术优势，为智能开采工作面的 地质透明化和灾害预警提供依据，这也是实现智能开 采由“记忆截割”向“规划截割”的关键技术。 ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第 47 卷 5 随采地震的发展前景 随采地震探测技术是煤矿井下以采煤机为震源 的被动地震探测新技术，该技术目前仍处于试验研 究阶段，尚有诸多技术难题需要攻关和突破。 应该看到 我国煤矿已经实现了从普通机械化、 综合机械化到自动化的跨越， 并开始向智能化迈进， 将在 2020 年建成 100 个初级智能化示范煤矿， 2025 年基本实现全部大型煤矿智能化， 到 2035 年全面建 成以智慧煤矿为支撑的煤炭工业体系，“无人则安、 少人则安、 少时则安”的理念深入人心， 煤矿少人化、 无人化、智能化、智慧化建设成为大势所趋，而煤 矿工作面地质透明化是实现上述目标的基础与前 提。因此不难预料随采地震探测技术发挥大数据、 云计算、物联网、互联网、人工智能等与地球物理 学科的交叉优势，将成为未来透明工作面三维动态 地质建模、 开采动力地质灾害监测预警等重要手段； 随采地震探测技术代表了今后煤矿智能探测、无人 化探测的技术发展方向，可为煤矿安全高效绿色智 能开采的地质保障提供技术支撑。 致谢课题组的吴海、胡继武、段建华、张庆 庆、金丹、刘强、崔伟雄、王盼参与了文中的部分 工作，在此一并致谢 参考文献 [1] 王国法，张德生. 煤炭智能化综采技术创新实践与发展展 望[J]. 中国矿业大学学报，2018，473459–467. 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