HSP 超前探测技术在煤矿TBM 掘进巷道中的应用研究

张 盛，陈 召，卢 松，杨战标，冀畔俊，贺 飞，鲁义强，刘佳伟

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454003；3.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731；4.平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院，河南 平顶山 467099；5.河南平宝煤业有限公司，河南许昌 461714；6.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

随着我国煤炭开采进入了以机械化、自动化、信息化、智能化为主的新时代[1-4]。作为煤矿生产的两大核心环节，综采智能化发展迅速，但综掘水平相对滞后[5-6]。TBM(Tunnel Boring Machine)作为目前世界上最先进的掘进设备，是满足集约化、现代化、智能化矿井采掘平衡和高效建设生产的重要设备之一，正逐渐被不同地区的煤矿引进，在煤矿岩巷掘进领域优势巨大，得到业内的愈加重视[7]。与传统隧道TBM 工程相比，煤矿巷道地质条件更复杂，如存在断层破碎带、节理密集区、起伏不定的煤线、软弱地层等，可能造成围岩失稳、塌陷等灾害事故发生[8]，使得TBM 在煤矿领域的推广应用面临严峻考验，巷道地质的超前探测能够为深部煤炭资源的精准开发利用与煤矿智能化建设实现透明地质提供支持[9-10]。

现有的隧(巷)道超前地质探测技术主要可分为破坏性和非破坏性两大类[11]。以超前钻探为代表的破坏性探测手段由于钻孔信息数量有限、成本高、探测范围小、结果代表性不强等缺点，不利于TBM 快速掘进。相对来说，以非破坏性方法为基础的隧(巷)道超前地质探测技术更适合TBM 掘进工程[12]，其中主动源地震波超前探测方法与TBM 掘进施工具有良好的匹配性[13-16]。目前国内外一些学者针对TBM 破岩震源超前探测技术开展了相关研究。Song Ao 等[17]针对透射波TBM破岩震源超前探测技术，聚焦多源地震干涉技术的研究，为此方法的应用推广做出了贡献；Zhao Yue 等[18]对TBM破岩震源探测技术监测系统进行理论分析和数值模拟，优化了布置方案，提高探测的准确性；陈磊等[19]提出了基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法，提高了超前探测图像的准确性；许新骥[20]开展了TBM 破岩震源数值正演模拟及处理成像研究，提出了基于现场探测数据解释的理论体系；张凤凯[21]着力于互相关干涉、逆时偏移成像方法的研究，为TBM 破岩震源探测数据的成像分析提供思路；Liu Bin 等[22]提出了一种基于正则化的分层反演方法，解决了狭窄空间中地震波速度分层层析成像的问题；卢松等[23-25]利用基于TBM 破岩震源的HSP 超前探测技术在TBM 施工隧道成功预测了不良地质构造，促进该技术的推广应用。

目前，TBM 破岩震源HSP 法(Horizontal Seismic Profiling Method)探测不良地质体预报方法，先后应用于多个TBM 施工项目，取得了良好的成效，但在煤矿巷道的应用研究还较为缺乏。煤矿巷道除断层破碎带、节理密集带等不良地质构造以外，煤层识别也是其核心内容。巷道常布置在近水平岩层中，地震波反射法采用反射与散射成像方法，对近水平的煤层特征的反射成像效果较差；TBM 掘进滚刀破煤岩互层过程，煤体强度较低，破裂引起的震动所产生的地震波会对后期有效信号的提取有一定的干扰[26-28]；煤矿巷道空间较小，TBM 掘进、支护、清渣等工序增加了探测噪声干扰的程度，不利于有效信号的提取。因此，笔者在系统梳理TBM 施工煤矿巷道环境特点的基础上，开展了狭小空间检波器布置方案优化设计，近水平小倾角煤线识别，对原始信号的处理及有效信号提取优化，通过互相关干涉处理有效信号并进行反射与散射联合反演成像等一系列研究，并在现场进行测试应用及反馈，对于提高HSP 法超前探测技术在煤矿TBM 掘进巷道的适应性提供了支持。

1 TBM 破岩震源超前探测方法

1.1 探测原理

TBM 破岩震源超前探测技术基于石油测井中的随钻地震探测技术SWD(Seismic While Drilling)，结合TBM 施工环境进行相应优化改进后的TSWD(TBM Seismic While Drilling)[29]。该方法利用TBM 刀盘破岩震动作为震源，通过TBM 刀盘附近合适位置安装的先导传感器来记录刀盘的破岩震动状态，并在巷道边墙空间设置三分量检波器，收集TBM 破岩震动信号，探测原理如图1 所示。刀盘破岩过程中能将破岩先导信号和检波器的接收的信号进行互相关处理，获得能够解释的地震记录，再利用垂直地震剖面VSP(Vertical Seismic Profiling)数据处理方法进行滤波、P 波和S 波拾取、波场分离、偏移成像等工作，最终获得掘进工作面前方一定区域内相应的探测结果。

图1 TBM 破岩震源超前探测原理Fig.1 Principle of advance detection based on the TSWD with TBM rock-breaking vibration as a seismic source

1.2 探测系统布置

由于TBM 掘进时刀盘及护盾几乎占据了掘进工作面的全部空间，导致隧(巷)道中地震观测系统的布置极为受限，所以观测系统通常布置在两侧边墙(图2 中区域①)，使得观测系统可以探测获取前方(图2 中区域②)一定范围的地质信息。由于掘进工作面前方(图2中区域②)断层、破碎带、软弱围岩等不良地质是影响TBM 高效安全掘进的主要因素，是探测的重点。L.Petronio 等[29]研究总结出了一套应用广泛的探测系统布置方法，如图2 所示，将检波器布置在TBM 刀盘后方10～20 m 范围内、安装在5～10 m 的钻孔中，该方法在一些TBM 隧道中开展了现场试验，能够获得掘进工作面前方100 m 范围内的地质情况。

图2 TSWD 超前探测系统布置Fig.2 Layout of the TSWD advance detection system

2 基于破岩震源的HSP 法煤矿TBM 掘进巷道超前地质探测技术

表1 中对比了目前常用的主动源地震探测方法的技术特点，及在煤矿TBM 巷道施工的适用性。根据表1对比分析可得，目前常用主动源地震探测方法多利用TBM 停机时间探测，往往难以满足TBM 快速施工的需求。与之相比，利用TBM 掘进时刀盘刀具切割岩石所产生的弹性波信号作为HSP 反射法预报激发信号[30]。以该技术为核心的HSP 超前探测方法结合了传统破岩震源探测方法实施方便高效的特点，探测准确性较高，适合TBM 煤矿巷道快速施工过程中的超前地质探测。

表1 主动源地震波超前探测方法技术特点Table 1 Comparative analysis of the technical characteristics of active-source seismic wave-based advance detection methods

由于煤矿巷道施工断面一般较小，同时锚网索支护、通风系统、运输轨道等都占据了巷道大部分空间，导致TBM 掘进煤矿岩巷工程观测系统的布置空间相对狭小，锚杆钻机频繁施工在巷道小空间范围产生大量噪声，对探测数据处理过程中有效信号的提取影响较大，另外，部分巷道高瓦斯浓度需要探测设备达到防爆安全标准，需识别与巷道轴向小角度相交煤线的存在对探测结果的精准度提出特殊要求。基于这些特点，开发适合TBM在煤矿巷道掘进地质条件的HSP 超前探测技术，才能更好地指导TBM 施工。

2.1 探测设备改进

由于煤矿巷道TBM 掘进环境存在信号干扰源丰富、湿热变化大等显著特点。对HSP 地质预报仪的稳定性、信号采集准确性、预报系统布设、提出更高要求。目前HSP 地质预报系统已经实现了震动信号多通道无线传输、较强的设备抗干扰能力、宽频带弯扭式检波器，搭载了TBM 环境噪声滤除、有用信号提取、反射成像等技术模块软件。且针对煤矿巷道瓦斯含量高的特点，选用搭载了防爆装置的预报仪，符合煤矿巷道使用规范，探测设备在煤矿TBM 掘进巷道现场安装使用情况如图3 所示。

图3 HSP 法超前地质预报设备(YHSPT-8 型)Fig.3 Equipment for HSP-based advance geological prediction (YHSPT-8)

2.2 探测系统布置

1)检波器布置方法

HSP 法探测系统检波器需与基岩接触并耦合，通常布置在钻孔内并采用黄油或石膏耦合。煤矿巷道相比隧道工程断面狭小，若采用钻孔内布置检波器的方法，一方面需要重新打孔增加时间成本不利于快速掘进，另一方面煤矿巷道以锚杆索支护为主，巷道锚杆索钻孔较多，检波器钻孔布置空间受到较大的局限性。针对这些特点，煤矿巷道采用夹持式检波器进行探测系统的布置，利用已安装好的锚杆进行布置，将检波器与锚杆尾部端头连接，并进行耦合处理，如图4 所示。

图4 探测系统-检波器现场布置Fig.4 In-situ layout of geophones in the detection system

2)检波器布置方式

HSP 法探测系统检波器布置方式分为直线类和空间类[31]。根据几何地震学原理得到两种观测方式的反射波路径如图5 所示。通过分析可发现在相同测线长度下，空间观测方式(图5b)对前方异常体可探测识别区域明显大于直线观测方式(图5a)，对同巷道走向小角度相交构造的识别能力也较强。在煤矿巷道地质环境中，经常存在与巷道轴线方向有小角度相交的煤线，且瓦斯治理巷道一般也要求与工作面煤层保持一定的距离，有利于对煤层瓦斯进行抽采。所以在煤矿瓦斯底抽巷等巷道进行地质超前探测系统布置时，选用空间观测方式能更好地探测煤层走向趋势，不仅可以防止掘进过程误揭煤线现象的发生，而且可以指导巷道掘进走向。

图5 不同观测方式反射波路径Fig.5 Reflected wave paths derived from different observation methods

2.3 探测数据处理及分析

1)数据分析原理

HSP 法超前地质预报系统以弹性波理论为基础，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理[25]。当地震波传播至2 种介质的分界面时，一部分产生反射，另一部分产生折射并穿过分界面在另一介质中继续传播。反射系数表示为：

2)数据处理

胰腺癌具有较高的患病率，且病情进展快速、病灶容易转移，为提高患者预后质量，临床需早日对患者的病情进行诊断，以便于临床进一步有效治疗。随着现代临床医疗技术的不断发展和完善，临床诊断胰腺癌的准确率也得到了进一步提升，常规诊断手段主要有CT、MRI、胰胆管造影技术等，其中临床比较常见MRI与CT检查，为临床诊断胰腺疾病提供了有效手段[1]。本文以80例胰腺癌患者作为观察对象，特此对照观察了MRI与CT诊断的效果。现做如下报道。

(1) 时域分析[24]。刀具剪切岩体时，会产生不同振幅、相位、没有固定排列顺序的子波，被不同位置的检波器采集，根据子波序列时间差进行计算基准纵波速度(多组数据取平均值)，用作时深转换。

(2) 频谱分析[25]。对机械和围岩震动信号进行频谱分析和滤波处理，提取有效信号。

(3) 相关分析[25]。通道间在同一时间接收的信号中子波序列具有相同的排序特征，对其进行互相关干涉处理，获取虚拟震源道和反射特征曲线。

(4) 反演成像。采用能量叠加最大化原理，对特征波形曲线进行反射与散射联合反演成像，获取全空间地层反射能量成果图。

(5) 成果解释。结合基础地质资料、特征数据库和反射特征进行地质解译。

数据处理分析流程如图6 所示。

图6 HSP 法地质超前预报数据分析流程Fig.6 Data analysis flow chart of HSP-based advance geological prediction

3 HSP 法在首山一矿底抽巷的应用

3.1 工程概况

河南平宝煤业有限公司首山一矿己15-17 一采区煤层下伏岩层瓦斯抽采巷道，采用“平宝号”TBM(ø4.33 m)进行掘进。巷道布置如图7a 所示。巷道直径约4.33 m，地面高程 +151～+187.8 m，埋深约850 m，巷道所在层位主要位于石炭系太原组上部灰岩段，平均厚度26 m，距离己15-17 煤层底板30 m 左右，巷道腰线附近存在一条煤线，巷道围岩分布如图7b 所示。根据TBM 已掘进里程揭露结果表明，灰岩层中存在连续软弱夹矸，局部区域有煤线侵入，部分区域受断层构造影响裂隙较发育。目前TBM 施工至己15-17-12150 机抽巷开口处，巷道地质条件变差，为防止出现卡机事故，亟需进行超前地质预报，指导TBM 施工。

图7 TBM 掘进巷道布置平面图Fig.7 Layout plan of roadway excavation using a TBM

3.2 双护盾TBM 探测系统优化布置

根据HSP 地震波超前探测技术观测系统设计原理，考虑煤矿巷道断面较小、空间狭窄的特点，对观测系统布置参数进行优化调整。通常设计破岩震动源与其最近的检波接收器之间的距离在10～20 m，由于“平宝号”TBM 为实现小转弯半径采用了双护盾外加主梁式结构设计，且在主梁后方搭载了2 台液压锚杆钻机，导致刀盘至锚杆钻机约12 m 范围内无法布置检波器。充分考虑现场空间后，利用锚杆钻机与司机控制室之间的工作平台区域进行检波器布置，设计最优距离为15 m。检波器之间的偏移量通常在1～5 m，结合现场空间设计偏移量为3 m。采样率通常为0.25～0.6 s，有助于预测掘进工作面前方50～150 m 的地质条件，一般需探测掘进工作面前方100 m 范围，设计采样率为0.51 s。采用多个单分量检波器，以巷道轴向方向纵波为主；检波器采用速度型，主频38 Hz，采样频率是62.5 μs。现场探测系统布置情况如图8 所示。

图8 12150 机抽巷道超前地质探测系统布置Fig.8 Layout of the advance geological detection system in the No.12150 machine pumping roadway

3.3 探测结果分析

“平宝号”TBM 掘进期间对巷道掘进工作面前方进行了超前地质探测，采用空间阵列式数据采集，并对提取的有效信号进行互相关干涉处理，最后通过反射波提取、叠加，开展反射与散射联合反演成像。现场测试里程约为100 m(里程K1+473-K1+578)，探测结果如图9-图12 所示。

图9 数据处理过程Fig.9 Data processing process

数据处理步骤为：通过分析傅里叶变换后的机械震动和围岩震动信号频谱特征，如主频范围、相位特征、F-K域分布特征等，进行差异滤波，最大程度上获取有效信号。各个检波器(1-6 号，对应0-5 号通道)同时接收到多组震动信号(图9a 中①-③)，其内部子波序列对存在关联关系，对其进行互相关干涉处理，获取一个虚拟震源信号(图9b)，通过这个虚拟震源的波场信号再进行三维聚焦成像。数据处理过程如图9 所示。

2)成果成像分析

在传统的地震反演中，主要利用地震波的反射信息来推断地下介质的结构和属性，而散射反演则是通过利用地震波的散射信息来获取地下介质的微观特征和非均匀性。反射与散射联合反演技术将反射和散射数据进行联合处理，通过综合利用2 种数据的信息来超前探测结果成像的精度和分辨率。对于煤矿巷道来说，围岩多为层状岩体，反射和散射联合反演技术对不同岩层间出现断层和岩性变化导致的地震波反射、折射路径改变捕捉灵敏程度较高，有利于对煤层和岩层的识别。

图10、图11 为己15-17-12150 机抽巷道K1+473-K1+578 段超前地质预测反演分析成像结果。横轴左端表示探测里程的起点，垂直轴代表探测的高度。反演结果图像中的红、绿、蓝条纹表示岩体反射能量的变化，色谱是能谱量值做过归一化处理后的结果。蓝色条纹代表能量低，表明岩体强度高且结构完整；红色、绿色能量较高表明岩体强度较低且结构破碎。能量条分布较少的区域岩体均匀致密，对应波速曲线上的高波速区；能量条密集且差异较大的区域表示构造复杂、裂隙发育，说明岩体的均匀性差，存在的破碎区域导致能量分布的连续性较差，对应波速曲线上的低波速区。从反演分析成像结果图像来看，K1+495-K1+501、K1+537-K1+565 里程段存在能量反射异常区域，推测存在地质异常体。

图10 K1+473-K1+578 里程探测反演分析成果(XOY 面切片Z 方向0 m)Fig.10 Inversion analysis results for the detection of the K1+473-K1+578 mileage (XOY slice,Z direction,0 m)

图11 K1+473-K1+578 里程探测反演分析成果(3D)Fig.11 Inversion analysis results for the detection of the K1+473-K1+578 mileage segment (3D)

3)层速度分析

地震波在岩土体中传播时，传播速度会受到岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体结构状态的影响，导致巷道内断层及破碎带、软弱夹层等不良地质体与周边完整地质体的波速存在较大差异。通过观察波速在不同岩层分布上的变化，可以大致推断巷道前方不良地质体的性质和位置。层速度分布如图12 所示。

图12 层速度分布Fig.12 Interval velocity distribution

4)地质预报结果解释

根据探测分析结果(图10-图12)，并结合地质资料，可以归纳出己15-17-12150 机抽巷道掘进工作面前方100 m 范围内的地质情况大致可分为以下几段，见表2，并绘制巷道掘进地质概况预测剖面如图13 所示。

表2 地质预报结果分析汇总Table 2 Summary of geological prediction results

图13 12150 机抽巷K1+473-K1+578 里程地质概况预测剖面图Fig.13 Profile showing the geological setting prediction of the K1+473-K1+578 mileage in the No.12150 high-pumping roadway

3.4 开挖揭露岩体与超前探测对比

TBM 施工过程中，对开挖结果进行跟踪调查，探测结果反演分析与开挖岩体揭露情况对比如图14 所示。在掘进工作面前方22～28 m(里程K1+495-K1+501)巷道帮部有煤线侵入，煤线起伏较大，巷道帮部存在轻微破碎区(图14a)；在掘进工作面前方64～70 m(里程K1+537-K1+543)揭露岩体较破碎，顶板局部岩体坍塌或掉块，需要用锚网加固(图14b)；在掘进工作面前方75～83 m(里程K1+548-K1+556)揭露断层破碎带，围岩完整性差，TBM 换步过程撑靴接触区域空腔化严重，左右撑靴伸出行程差异化较大，TBM 推进缓慢(图14c)；在掘进工作面前方88～92 m(里程K1+561-K1+565)揭露岩体相对破碎，节理裂隙发育，顶板存在掉块塌陷，自稳能力差(图14d)。对比探测结果与开挖揭露情况可知，两者吻合度较高。因此，HSP 超前地质探测技术能够较好地识别出地质异常体。

图14 探测结果反演分析与开挖岩体揭露情况对比Fig.14 Comparison between the inversion analysis of detection results and the results revealed by excavated rock masses

4 结论

a.煤矿巷道TBM 掘进环境存在噪声复杂多变、信号干扰源多、含有瓦斯气体等显著特点。采用防爆硬件一体化设计的HSP 探测仪器，基于TBM 破岩震源超前探测技术原理、探测系统布置及数据分析方法，提出了一种适合TBM 掘进煤矿巷道的HSP 超前地质探测新方法，通过在煤矿TBM 掘进巷道的现场应用，验证了该方法的可行性，可以有效提高超前地质探测的效率。

b.针对煤矿巷道断面较小、空间狭窄、双护盾TBM 主梁结构等因素对观测系统布置的影响，优化了双护盾TBM 巷道狭小空间检波器阵列式布置方法及参数，采用夹持式检波器布置在锚杆尾部的检测方式，得到震源与首检波器间最优距离为15 m，通过构建的空间型观测方式实现了与巷道小角度斜交煤线的识别，预测了岩层中煤线的走势，有效避免了掘进过程误揭煤层现象的发生。

c.通过分析傅里叶变换的频谱特征进行差异滤波，最大程度上获取有效信号，并通过互相关干涉处理获取虚拟震源道和反射特征曲线，对特征曲线进行反射与散射联合反演成像，获取地层的三维空间反射能量图谱，能够有效地识别出TBM 掘进岩巷工作面前方100 m范围内不良地质体，探测结果与现场实际开挖揭露情况高度契合。

符号注释：

R12为反射系数；Z1、Z2分别为介质1 和介质2 的波阻抗。