摘要：隨掘地震超前探測技術(shù)可實現(xiàn)探掘平行，為巷道快速智能掘進(jìn)場景下實時、精準(zhǔn)地質(zhì)保障提供了可能。隨掘震源產(chǎn)生的是復(fù)雜、變頻、連續(xù)信號，信號特征認(rèn)知直接影響數(shù)據(jù)處理與成像精度，而目前針對巖巷全斷面掘進(jìn)機（TBM）隨掘地震信號特征的認(rèn)知仍不清晰，且暫時還沒有針對性開展過信號處理與成像研究工作。針對上述問題，以謝橋煤礦瓦斯治理巷TBM 隨掘地震超前探測試驗為例，分析了刀盤先導(dǎo)信號與巖壁接收信號的時間域、頻率域及時頻域特征：巖巷TBM 隨掘地震信號中不同振幅能量成分比例呈現(xiàn)金字塔形，但分布隨機，不對稱程度較高；機械運轉(zhuǎn)信號能量較大，刀盤先導(dǎo)信號強度是巖壁接收信號的200 倍左右；頻率域變頻特征明顯；機械運轉(zhuǎn)信號基礎(chǔ)頻率較低，刀盤先導(dǎo)信號頻率成分主要集中在10～80 Hz 與150～200 Hz，主頻為36.99 Hz，巖壁接收信號頻率成分主要集中在50～200 Hz，主頻為137.97 Hz；刀盤先導(dǎo)信號較巖壁接收信號時頻域能量團(tuán)分布更為規(guī)則，多次震源激發(fā)現(xiàn)象明顯，能量團(tuán)之間的差異性特征表明了多次震源激發(fā)時振幅能量與持續(xù)時間的隨機性。利用脈沖化算法與繞射疊加偏移成像方法對巖巷TBM 隨掘地震信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與成像試驗，結(jié)果表明：① 脈沖化等效單炮記錄與利用常規(guī)震源得到的超前探測單炮記錄特征一致性較強，同相軸清晰且連續(xù)性較好，可滿足現(xiàn)場探測分析需要。② 對探測范圍內(nèi)巖體情況的超前預(yù)報結(jié)果與實際揭露情況一致，說明巖巷TBM 隨掘地震超前探測可提供有效地質(zhì)保障。

關(guān)鍵詞：煤礦巖巷掘進(jìn)；隨掘地震超前探測；隨掘地震信號；全斷面硬巖掘進(jìn)機；刀盤先導(dǎo)信號；巖壁接收信號；繞射疊加偏移成像

中圖分類號：TD412.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

煤炭工業(yè)經(jīng)歷了從炮采、普通機械化、綜合機械化向智能化發(fā)展的重大技術(shù)變革[1-3]。隨著煤礦智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，綜合機械化采煤技術(shù)迅速發(fā)展，回采速度加快，對巷道的掘進(jìn)速度要求也相應(yīng)提高[4]。隨著我國淺部煤炭資源日益枯竭，煤礦開采轉(zhuǎn)向深部[5]，深部煤礦建井難度急劇增大，采掘接續(xù)問題愈發(fā)突出[6-7]。

長期以來，煤礦巖巷掘進(jìn)主要以鉆爆法施工為主，但其超挖量大，巷道成形質(zhì)量差，作業(yè)環(huán)境惡劣，工序多且配套裝備機械化程度低，工序銜接時間長，施工效率低。全斷面硬巖掘進(jìn)機（Tunnel BoringMachine，TBM）破巖效率高、能耗低，滾刀破巖超挖量小，巷道完整性好，礦壓顯現(xiàn)不明顯，可實現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)[8]，是解決巖巷快速掘進(jìn)問題的必然選擇，也是深部礦井未來智能化建設(shè)與生產(chǎn)的優(yōu)選設(shè)備。近年來，我國已有多個礦井開展了巖巷TBM 掘進(jìn)實踐，但煤礦復(fù)雜地層條件與地質(zhì)構(gòu)造嚴(yán)重限制了TBM 掘進(jìn)效率與優(yōu)勢的發(fā)揮[9-10]，TBM 對不良地質(zhì)條件具有較差的適應(yīng)性。

煤礦TBM 掘進(jìn)原則：有疑必探，先探后掘，先治后掘[11-13]?，F(xiàn)有多地球物理方法綜合探測加鉆探驗證的超前探測模式難以在TBM 掘進(jìn)時施工，無法滿足其快速掘進(jìn)的地質(zhì)保障需求。以巷道掘進(jìn)施工噪聲震動為信號來源的隨掘地震超前探測技術(shù)可實現(xiàn)探掘平行，能夠充分發(fā)揮掘進(jìn)機械的生產(chǎn)效率，為巷道快速智能掘進(jìn)場景下實時、精準(zhǔn)地質(zhì)保障提供了可能[14-15]。

近年來，眾多學(xué)者圍繞隨掘地震數(shù)值仿真、隨掘地震信號脈沖化處理等方面對隨掘地震技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。針對隨掘地震數(shù)值仿真，在隨掘地震波場[16]、隨掘地震信號時頻域特征[17]認(rèn)知的基礎(chǔ)上，Xu Xinji 等[18]利用實測隨掘地震數(shù)據(jù)中的參考信號作為震源項進(jìn)行了隨掘地震數(shù)據(jù)數(shù)值模擬；程久龍等[19]采用主頻200 Hz 的Ricker 子波與離散隨機反射序列褶積，并加入隨機噪聲，得到了模擬隨掘震源；王保利等[20]選取50～150 Hz 的帶通子波作為震源項，分別模擬了縱軸式掘進(jìn)機和橫軸式掘進(jìn)機震源信號；張平松等[21]基于隨掘地震實測信號特征分析，并結(jié)合巷道掘進(jìn)施工環(huán)境，構(gòu)建了近似條件下可進(jìn)行隨掘地震數(shù)據(jù)正演模擬的震源時間函數(shù)。對于隨掘地震信號脈沖化處理，F(xiàn). Poletto 等[22]提出了一種利用TBM 隨機振動自相關(guān)干涉進(jìn)行超前探測的方法；程久龍等[23]提出了以互相關(guān)為核心，輔以低通濾波、極化濾波的隨掘地震去噪方法；覃思等[24]、許新驥[25]、U. Harmankaya 等[26]、王季等[27]開展了基于互相關(guān)方法的隨掘地震超前探測試驗研究。在互相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，我國研究人員提出了其他輔助性的處理方法。李圣林等[28-29]通過脈沖反褶積消除震源影響，再進(jìn)行相對更加穩(wěn)定的互相關(guān)。張鳳凱[30]提出了基于子波估計和波形校正的互相關(guān)地震干涉方法。劉強[31]基于互相關(guān)處理后的隨掘地震信號，提出在隨掘地震信號噪聲衰減過程中嵌入L1 范數(shù)約束，然后通過快速迭代算法達(dá)到噪聲衰減的目的。程久龍等[19]采用基于改進(jìn)人工蜂群的獨立分量分析方法，再結(jié)合互相關(guān)等來改善隨掘地震信號脈沖化處理的質(zhì)量。以上研究突破了隨掘地震探測最大的技術(shù)瓶頸，能夠進(jìn)行工業(yè)性應(yīng)用，但目前巖巷TBM 隨掘地震技術(shù)還處于起步研究階段。由于隨掘震源產(chǎn)生的是復(fù)雜、變頻、連續(xù)信號，信號特征認(rèn)知直接影響數(shù)據(jù)處理與成像精度，而對于巖巷TBM 隨掘地震探測，其信號特征認(rèn)知仍不清晰，且暫時還沒有針對性開展過信號處理與成像研究工作。