巷道快速智能掘進超前探測技術與發(fā)展

張平松,李圣林,邱 實,郭立全,胡雄武

(1.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

煤礦智能化是適應現(xiàn)代工業(yè)技術革命發(fā)展趨勢、保障國家能源安全、實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐，作為煤礦生產的兩大核心環(huán)節(jié)，掘進與綜采系統(tǒng)智能化的發(fā)展需求極為迫切[1]。隨著我國科研能力的提升，煤炭開采裝備、技術等得到了長足發(fā)展，綜采工作面智能化初見成效;但受制于掘進工作面空間狹小、作業(yè)環(huán)境惡劣、臨時支護困難等問題，相比綜采智能化發(fā)展現(xiàn)狀，綜掘水平明顯滯后。煤炭開采，掘進先行，2020年，全國煤礦采煤、掘進機械化程度分別為78.5%與60.4%[2]，掘進速度很大程度上無法滿足回采生產需要，采掘失衡問題嚴重，直接制約了煤礦安全、高效、綠色、智能發(fā)展。因此，亟需深化理論研究、創(chuàng)新先進工藝、攻克關鍵技術，推動快速智能化掘進健康發(fā)展。

地質保障技術是煤炭智能化安全保障的基礎，是實現(xiàn)巷道掘進施工前、中、后地質預判、擾動感知與風險評估的基礎數(shù)據(jù)來源，是一切智能掘進關鍵技術實施的前提保障[3]。近年來，地球物理超前探測技術在巷道掘進安全保障中發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，智能化發(fā)展要求下的地球物理超前探測理論與體系應適應于掘進快速智能化發(fā)展，建設與之相匹配的超前探測體系是掘進快速智能化建設的重要有機組成部分，對提升巷道掘進智能化水平具有重大意義。筆者結合國內外學者已有研究成果，在總結分析我國隧道、井巷領域超前探測技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，提出了巷道快速智能掘進模式下超前探測技術的發(fā)展趨勢與方向。

1 超前探測技術現(xiàn)狀

20世紀70年代，為了更加有效地掌握坑道(隧道或礦井巷道等)施工期間掘進工作面前方的地質情況，實現(xiàn)減少或杜絕施工期間地質災害、保障生產安全的目的，人們開始注重施工過程中超前地質探測理論、技術研究及工程實踐工作，經過50多年的發(fā)展，逐漸形成了應對各種隱蔽致災地質因素的優(yōu)勢超前探測方法。2014年，李術才[4]、劉盛東[5]、程久龍[6]等對隧道工程以及礦井巷道工程超前地質預報技術的研究進展進行了總結，本文將不再贅述。

筆者主要總結分析了國內近5 a來坑道地球物理超前探測方法的最新研究進展，整體上依舊是結合不同地質條件進行單一方法或綜合方法進行超前探測應用，但探測精度方面有了很大的進步。另外，搭載在掘進施工裝備上的隨掘超前探測技術系統(tǒng)處于熱點研究階段。

1.1 常規(guī)超前探測方法應用

近年來，國內外學者圍繞隧道與井巷地球物理超前探測地質構造和含水地質體進行了深入研究，在觀測系統(tǒng)創(chuàng)新與高精度反演/成像算法等方面取得了諸多成果。圖1為常規(guī)超前探測方法研究進展梳理圖示。

1.1.1 隧道掘進超前探測研究進展

隧道掘進施工主要分為鉆爆法與TBM施工法，對于掘進超前探測而言，2種施工方法的探測環(huán)境有很大不同。目前，鉆爆法施工隧道超前探測技術取得了較大進展，形成了一批專用的地震方法、電磁法和電阻率法等超前探測地球物理方法、技術與設備;相對于鉆爆法，TBM 施工隧道的環(huán)境要復雜很多，由于龐大機械裝置幾乎占據(jù)掘進工作面后方幾十米內的全部空間，且金屬機械結構對電磁波場干擾很大，導致一些在鉆爆法施工隧道中可用有效的超前探測技術根本無法適用于TBM施工隧道環(huán)境，雖然針對TBM施工環(huán)境進行了專用探測技術與設備的研究，但仍還有一系列關鍵技術問題亟待突破。

(1)鉆爆法施工

① 地震方法。對于地震波類超前探測技術，由于特殊的探測空間條件，其觀測系統(tǒng)和成像方法與地面地震勘探技術區(qū)別較大。在成像技術方面，經過多年的研究，形成了如Kirchhoff 偏移、繞射疊加偏移以及逆時偏移等成像方法，在此基礎上，陳磊等[7]基于非標準橢圓方程，構建了隧道空間觀測方式橢圓展開方法，實現(xiàn)了掘進工作面前方不良地質的識別和定位，形成了基于橢圓展開共反射點疊加的隧道地震波超前探測成像新方法。LI Shucai等[8]將波束形成方法應用于逆時偏移成像過程，提出了一種掃描疊加模式逆時偏移方法及其計算方案。

而在觀測系統(tǒng)方面，婁國充[9]、SONG Ao[10]等在TSP，負視速度法，HSP，TRT，TST等傳統(tǒng)反射地震法探測模式的基礎上，提出了一種具有橫向和垂直偏移距的三維定向超前探測模式，試驗結果表明該探測模式下超前探測效果得到了提高。

② 電阻率法。電阻率超前探測技術的觀測方式是探測有效性的關鍵，目前應用于隧道超前探測的直流電阻率法主要有定點源三極法與聚焦電阻率法，其中，定點源三極觀測方式易受到測線附近旁側異常干擾，而聚焦觀測方式探測距離過短無法進行三維成像。李術才等[11]針對以上問題，提出了一種基于多同性源陣列電阻率的隧道超前探測新方法。王傳武等[12]將地面三維電阻率觀測模式引入到隧道超前探測中，提出了基于三維電阻率E-SCAN的隧道超前探測新型觀測模式。

在電阻率法成像技術方面，聶利超等[13]為滿足隧道三維電阻率超前探測快速化解譯與成像的要求，提出了一種基于GPU并行的蟻群算法與最小二乘方法相結合的混合反演算法，提高了隧道三維電阻率反演成像的精度，同時實現(xiàn)了三維電阻率反演的快速化成像。

③ 電磁法。電磁類超前探測技術的探測效果受隧道中金屬框架等電磁干擾影響嚴重，為解決此類問題，孫懷鳳等[14]在隧道超前鉆孔的基礎上，提出了隧道掘進鉆孔瞬變電磁超前探測方法，該方法將接收傳感器置于鉆孔之中，然后沿鉆孔不同深度進行測量，形成瞬變電磁響應的深度-時間剖面曲線，進而判定掘進前方是否存在含水構造。張樂文等[15]將中位值濾波、算術平均濾波和滾動平均濾波3種濾波算法用于改善瞬變電磁場強干擾環(huán)境下晚期衰減曲線的信噪比，提高了瞬變電磁方法的探測深度。在成像方面，翟明華等[16]為避免瞬變電磁數(shù)據(jù)成像二次微分運算中由于引入誤差的傳遞與積累造成的假異常現(xiàn)象，以合成孔徑雷達相干成像的思想引入瞬變電磁合成孔徑成像方法，通過相鄰測點對地質體成像的相關性進行了加權相關疊加。

另外，地質雷達是一種常用于隧道短距離超前探測的技術方法，但受現(xiàn)場探測環(huán)境、巖溶地質的復雜性以及解譯技術制約，導致探地雷達應用難以取得滿意的效果，因此，劉宗輝等[17]提出了基于探地雷達屬性分析的典型巖溶不良地質識別方法，提高了探地雷達目標的識別精度。

④ 其他方法。除以上技術發(fā)展外，針對深埋高地應力條件下巖爆災害難以預測的問題，邱道宏等[18]結合工程現(xiàn)場實測的主應力數(shù)據(jù)，采用徑向基函數(shù)神經網絡，反演了計算區(qū)域的初始地應力場，并基于TSP 探測結果，對掘進工作面前方長距離范圍內的巖爆強度進行了精細預測。

而且，一些新的探測技術也逐漸得到發(fā)展。席振銖等[19]依據(jù)宇宙射線μ子穿過高密度體物質時能量損失比穿過低密度體物質時大的物理特性，利用μ子低能損成像實現(xiàn)了對充氣及充水等低密度空洞的超前探測，為超前探測提供了一種可行的探測方法。林君[20-21]、林婷婷[22]等針對地面磁共振測深方法在隧道超前探測災害水源中的新應用開展了一系列的研究工作，為隧道磁共振超前探測方法的創(chuàng)新研究做出了重要貢獻。

(2)TBM法施工

針對TBM施工隧道環(huán)境超前探測技術研究，國內學者做了大量創(chuàng)新性工作。其中，孫懷鳳等[23]以隧道掘進機為例模擬了隧道強干擾環(huán)境下瞬變電磁超前探測的響應曲線，然后根據(jù)電磁場疊加原理，獲得了TBM的干擾響應信號，為TBM施工環(huán)境超前探測干擾去除提供了可行的思路。劉斌等[24]提出了一套以地球物理超前探測和基于“巖-機關系”預測巖體主要參數(shù)的解決方法。采用機器學習的手段挖掘了TBM機械電液參數(shù)與主要巖體力學參數(shù)的關系，并初步實現(xiàn)了TBM前方巖體單軸抗壓強度的預測。胡佳豪等[25]為了克服瞬變電磁法在TBM施工隧道內遇到的困難，嘗試提出了一種基于電性源激發(fā)、電場分量采集的隧道瞬變電磁超前探測裝置形式，研究結果表明該裝置形式具有在TBM施工隧道內進行超前探測的能力。

1.1.2 礦井巷道超前探測研究進展

礦井巷道分為煤巷與巖巷，其掘進方法主要包括鉆爆法與綜掘法，近年來，開始有礦井引進TBM掘進機開展TBM法掘進施工。不同于隧道施工中的鉆爆法與TBM施工法掘進超前探測區(qū)別較大，在礦井巷道，由于綜掘機較TBM掘進機而言，體積較小，而且超前探測施工前會將綜掘機遠離探測位置10 m之外，所以鉆爆法施工巷道中可用有效的超前探測技術往往同樣適用于綜掘法施工巷道，但也面臨著干擾嚴重的問題，超前探測技術體系需要不斷完善與發(fā)展。

(1)地震方法。槽波是在煤層中產生與傳播的進行煤層構造探測的專用地震波，研究初期主要用于工作面內的構造探測，近年來逐漸被應用于巷道超前探測。王季等[26]針對反射槽波受直達槽波與其他波場干擾嚴重的問題，提出了基于最小平方反褶積的反射槽波增強算法和基于徑向道變換的方法來壓制直達槽波與巷道聲波。蔣錦朋等[27]研究了煤礦巷道中的槽波TVSP超前探測方法的原理和實現(xiàn)過程。

在成像方面，WANG Bo等[28]利用Hilbert偏振分析方法，提出了高精度定位掘進前方斷層的Hilbert偏振成像方法。HUANG Lanying等[29]提出了一種基于廣義S變換時頻分析的時頻瞬時極化分析方法，實驗結果表明該方法比傳統(tǒng)時域極化分析方法具有更好的結果。

(2)電阻率法。觀測方式的完善與創(chuàng)新同樣是礦井巷道電阻率法超前探測技術發(fā)展的關鍵。張金濤等[30]建立了煤巷超前探測災害性含導水構造雙頻激電法的解析數(shù)學模型，提出了利用所建解析數(shù)學模型通過觀測的視幅頻率數(shù)據(jù)快速確定災害性含導水地質構造的厚度及其距掘進工作面距離的方法。劉志民等[31]提出發(fā)展了基于雙頻激電法和電場掃描探測理論的礦用聚焦雙頻激電法超前探測技術。王敏等[32]為了提高礦井直流電法超前探測精度，通過分析二極裝置“U”型觀測方式與三極AMN、MNB裝置類型下的超前探測效果，建立了一套適用于掘進工作面超前探測的施工方式及數(shù)據(jù)處理體系。

在數(shù)據(jù)處理方面，劉洋等[33]利用電阻率三維非結構有限元數(shù)值模擬，給出了巷道超前探測的線性預測模型。然后引入Monte Carlo隨機化生成大量電阻率任意分布的地下巷道模型，與并行算法相結合，獲得了各預測模型的準確度及可靠性的估計，為巷道超前探測準確性和可靠性的定量化描述提供了新思路。

(3)電磁法。近年來，礦井巷道電磁類超前探測技術的發(fā)展主要是圍繞數(shù)據(jù)解釋精度提高、各類電磁干擾去除進行[34]。程久龍等[35]利用擴散場與波動場間的函數(shù)關系，將瞬變電磁法超前探測中瞬變電磁波場轉換為擬地震波場，實現(xiàn)波場轉換。同時，為了解決波場轉換后信號幅值偏弱的問題，利用雷達合成孔徑方法對波場轉換后的擬地震信號進行相關疊加處理，研究結果表明了方法的效果。在此基礎上，CHENG Jiulong等[36]又提出了更高解釋精度與分辨率的瞬變電磁2.5維反演方法。李明星等[37]將統(tǒng)計學理論引入礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)分析中，提出了基于標準差標準化算法的資料處理解釋方法，實現(xiàn)了異常的聚焦定位解釋。研究瞬變電磁場中的電性各向異性問題，對提高瞬變電磁法探測精度具有重要意義。程久龍等[38]采用改進的交錯網格有限差分方法實現(xiàn)了主軸各向異性介質的瞬變電磁場三維正演，得到了不同主軸各向異性介質對瞬變電磁場的影響特征。觀測方式的創(chuàng)新是瞬變電磁法避免干擾的有效途徑，姚偉華等[39]提出了一種在地面布設發(fā)射回線，在煤礦井下掘進工作面或工作面水平鉆孔中測量瞬變電磁場三分量信號的超前探測方法。范濤等[40]為解決鉆孔瞬變電磁法對鉆孔徑向異常體的準確定位解釋難題，提出了異常體象限確定準則。將由垂直分量計算得到的每一個視電阻率視為獨立異常體，基于K-means聚類算法對相應的水平分量異常曲線特征值進行二分類，實現(xiàn)全數(shù)據(jù)集的視電阻率象限自動劃分，得出了鉆孔瞬變電磁視電阻率立體成像方法。

巷道掘進定量化超前探測理論與技術是掘進超前探測技術研究的重點與趨勢，程久龍等[41]為了實現(xiàn)巖層富水性的定量預測，依據(jù)阿爾奇公式建立了掘進工作面前方巖層富水性不均勻的數(shù)學模型，并采用具有Lévy飛行特征的蝙蝠算法優(yōu)化BP神經網絡(LBA-BP)進行了富水性預測的仿真測試和現(xiàn)場試驗。

近年來，在常規(guī)井下探地雷達技術的基礎上，超寬帶探地雷達在煤礦領域得到了快速發(fā)展與應用。超寬帶是指中心頻率至少達到500 MHz，帶寬大于1.5 GHz或工作帶寬大于或等于中心頻率的25%的技術[42]，該技術由于頻譜中高頻含量豐富，可獲得更高的時空分辨率。舒龍勇等[43]探索了鉆孔雷達技術在采掘工作面異常地質結構體超前探測中的應用。鉆孔雷達以寬頻帶短脈沖的形式向介質內發(fā)射高頻電磁波，當其遇到不均勻體(界面)時會反射部分電磁波，達到識別隱蔽目標體的目的。另外，地質雷達可能是煤巖界面分辨最有潛力的儀器裝備。彭蘇萍等[44]開發(fā)出地質雷達儀器裝備在探測中懸于空中無需貼近煤壁、與采煤機聯(lián)動等技術，可實時動態(tài)獲取5 m以上范圍內的煤巖界面信息或判別出采煤機的截割狀態(tài)(割煤/割巖)，探測精度達到2 cm。超寬帶探地雷達技術具有更高的探測精度，李首濱等[45]提出采用輸出中心頻率為5.3～8.8 GHz、頻寬為1.65～4.40 GHz的超寬帶雷達技術，測量分辨率達到了4 mm。

(4)其他方法。核磁共振這一新的超前探測技術同樣被用于礦井巷道超前探水工作之中，但由于巷道核磁共振超前探測方法與傳統(tǒng)的地面核磁共振方法相比，其施工環(huán)境和線圈裝置都發(fā)生了巨大的變化，許多方法技術、理論，包括探測的距離都需要重新做一定的分析。因此，潘劍偉等[46]根據(jù)核磁共振超前探測方法的特點，分析討論了地磁場強度、地磁傾角、地層電阻率、巷道方向、線圈參數(shù)等自然和人為控制因素對超前探測距離的影響，總結出了影響規(guī)律。

聯(lián)合反演在解決物探方法多解性問題、提高探測精度等方面具有獨特的優(yōu)勢。CHENG Jiulong等[47]利用粒子群優(yōu)化算法，提出了一種基于瞬變電磁和直流電法的同步非線性聯(lián)合反演方法，實驗結果表明聯(lián)合反演有助于提高探測資料的解釋效果。

1.2 隨掘超前探測方法

隨掘超前探測指的是在掘進施工的同時同步進行超前探測工程，實現(xiàn)探掘協(xié)調作業(yè)，達到對掘進前方地質災害實時預報的目的，更好地保障掘進安全，是未來巷道快遞智能掘進超前探測技術研究的重點與趨勢。圖2為隨掘超前探測方法研究進展梳理展示。

圖2 隨掘物探方法研究進展Fig.2 Research progress of geophysical prospecting while tunneling method

近年來，國內學者針對不同的掘進施工環(huán)境對該技術方法體系進行了深入研究，取得了許多重要成果。

1.2.1 隧道隨掘超前探測

隧道隨掘超前探測技術主要與TBM施工方法進行一體化設計，近年來主要發(fā)展了隨掘地震與隨掘電法2種技術，其中隨掘地震還可與鉆爆法掘進施工協(xié)調作業(yè)。

(1)隨掘地震。TBM施工機械化程度高、掘進速度快，對超前探測方法的一體化集成和自動化實時探測提出了較高的要求。基于TBM破巖震源的隨掘地震技術可分為2種，一種是利用反射波技術，另一種是利用透射波技術。針對反射波TBM破巖震源超前探測技術，許新驥等[48]開展了TBM破巖震源波場特征及正演模擬方法、基于互相關干涉的地震記錄重構方法、基于接收陣列的TBM破巖震源地震波束形成方法的理論研究，并系統(tǒng)開展了數(shù)值正演模擬及處理成像研究，總結歸納了其偏移成像特征，為現(xiàn)場探測資料的處理解釋提供了理論支撐。張鳳凱等[49]開展了互相關干涉方法、全波形反演方法、逆時偏移成像方法相關研究，實現(xiàn)了TBM破巖震源探測數(shù)據(jù)的全波形反演與逆時偏移成像。

另外，針對透射波TBM破巖震源超前探測技術，吳豐收[50]、汪旭[51]等基于多源地震干涉技術開展了系列研究工作，為該方法的實際應用做出了重要貢獻。

(2)隨掘電法。目前，針對隧道隨掘電法超前探測技術，比較成熟的是BEAM系統(tǒng)中的BEAM綜合法，該方法使用2個電壓源向TBM周圍的地質體通電，第1個連接刀盤向地質體中輸送探測電流，用于測量前方地質體的視電阻，第2個連接護盾向地質體中輸送屏蔽電流，用于屏蔽旁側地質體的干擾和聚焦探測電流。但在實際施工過程中，護盾與刀盤被主驅動軸承連接在一起，2者之間相互導通且電阻極小，使得探測電流和屏蔽電流之間失去了隔離，2者之間存在相互流通的泄露電流，而泄露電流的存在會影響對探測電流的測量，使得算出的視電阻出現(xiàn)誤差，影響地質預報，嚴重時會導致對地質災害的漏報。為了避免和消除泄露電流對視電阻計算的影響，高昕星等[52]提出了基于光纖電流傳感的BEAM隧道超前地質預報方法，通過在主軸承外緣安裝光纖電流傳感器，測出分布于主軸承內部的接觸電流的大小，消除了它對視電阻測量的影響，提高了BEAM綜合法的探測精度。

1.2.2 礦井巷道隨掘超前探測

適用于礦井巷道的隨掘超前探測技術，目前主要發(fā)展了基于綜掘機的隨掘地震探測技術與基于盾構機的隨掘電法探測技術。

(1)隨掘地震。基于綜掘機的隨掘地震探測技術主要利用掘進機截割煤巖層時產生的隨機振動作為震源來進行超前探測，其基本原理是利用反射波地震法，該技術應用的核心及難點是掘進機震源信號的脈沖化處理，圍繞如何將掘進機連續(xù)隨機信號處理為可用的、類似炸藥信號的擬脈沖信號。2001年，TAYLOR Neil等[53]首次提出了利用掘進機作為震源開展巷道超前探測的想法，借助相關分析技術來進行掘進機信號的脈沖化處理。由于西方國家能源政策的轉變以及國內技術發(fā)展的滯后，隨掘地震技術發(fā)展一直處于停滯階段。國內學者自2014年開始開展了大量的工作。程久龍等[54]提出了以相關函數(shù)為核心，輔以低通濾波、極化濾波的隨掘地震去噪方法，并在偏移成像研究的基礎上，探討了時間反轉聚焦方法的成像效果。相繼，覃思等[55]開展了基于相關分析技術的隨掘地震反射波超前探測試驗研究。然后，在相關分析的基礎上，我國研究人員又提出了其他輔助性的處理。LI Shenglin等[56-57]提出了在相關分析前引入最佳維納濾波反褶積方法來去除掘進機震源多峰值脈沖干擾，提高脈沖化處理效果的思路。劉強等[58]基于相關分析處理后的隨掘信號，提出了在隨掘信號噪聲衰減過程中嵌入L1 范數(shù)的約束，然后通過快速迭代算法以達到噪聲衰減的目的。

(2)隨掘電法。礦井巷道隨掘電法超前探測技術與隧道一致，同樣是結合TBM施工進行探測，ZHAO Shuanfeng等[59]針對該方法進行了系列實驗研究，提出了一種基于三維電阻層析成像方法的盾構機超前探測實時監(jiān)測系統(tǒng)，為盾構機在巷道掘進過程中實現(xiàn)隨掘超前探測提供了技術參考。

1.3 現(xiàn)有技術方法

經過多年的發(fā)展，坑道掘進超前災害隱患的探測精度和預測準確度大大提高，在探測分辨率、抗干擾能力、探測距離、有效觀測模式、先進反演/偏移成像理論、數(shù)據(jù)解譯方法、定量探水理論以及巖體參數(shù)預測等方面都取得了進一步的突破。另外，圍繞隨掘超前探測技術進行了深入研究，取得了許多成果。

雖然掘進災害隱患超前探測技術研究取得了顯著的成效，但坑道探測空間有限、物探方法多解性等“老難”問題并沒有得到根本性解決;隨掘超前探測技術雖然被廣泛關注，但目前仍處于初步研究階段，還無法全面有效地指導掘進生產。而且，隨著信息技術的深度融合和掘進機械化水平的進一步提高，快速智能掘進模式對超前探測技術提出了更高的要求。尤其是在煤炭開采向深部發(fā)展、隧道建設向西部山區(qū)和巖溶地區(qū)開拓背景下，將面臨越來越復雜化的地質問題，現(xiàn)有的技術方法需不斷提升其安全保障能力。

2 巷道快速智能掘進超前探測技術發(fā)展面臨的關鍵問題

2.1 快速掘進條件下超前探測地質問題極具復雜性

巷道掘進過程中，煤與瓦斯突出、突水等災害嚴重威脅著掘進生產安全和礦工的人身安全。煤與瓦斯突出大多發(fā)生在煤體破碎的“構造煤”中，煤體破壞程度越嚴重，突出危險性越大。突水災害主要涉及老空水與底板承壓水，由于地層結構的多樣性，礦井水體分布的非均質性、流動性特征，礦井突水災害源預測的難度較大[44]。

常規(guī)掘進條件下，在綜合地球物理方法加鉆探的超前探測模式下，災害隱患的探測精度和預測準確度能夠在較大程度上滿足安全生產需要，但快速掘進條件下要求探測與預報實時程度高，探測時間短，常規(guī)探測模式無法正常使用。在不能滿足常規(guī)超前探測工序、時間等需求的情況下，為保障施工安全，必須轉變探測模式。也就是說，在保證相同探測效果下，快速掘進模式會使超前地質問題變得更加復雜。

另外，我國煤礦開采深度以平均10～25 m/a的速度快速向深部延伸，與淺部開采相比，深部煤巖體處于高地應力、高瓦斯、高溫、高滲透壓以及較強時間效應的惡劣環(huán)境中，煤與瓦斯突出、沖擊地壓、突水等動力災害問題更加嚴重，并且有多重災害耦合發(fā)生的趨勢，深部煤礦開采將面臨更為復雜的地質問題。圖3對復雜超前地質問題進行了梳理展示。

圖3 快速掘進模式超前地質問題Fig.3 Advance geological problems of fast tunneling mode

所以，快速掘進條件下超前地質問題變得極度復雜化，亟需研發(fā)相匹配的超前探測技術體系，對于全面提升煤礦巷道掘進生產力，確保巷道安全、高效、綠色、智能掘進具有極其重要的意義。

2.2 快速智能掘進超前探測技術選擇局限性

實現(xiàn)快速掘進，需要提高單次掘進效率以及縮短掘進輪次間隔時間。目前，在“探-掘-護-錨”掘進工序中，超前探測多采用地球物理方法加鉆探驗證的模式進行，如果地球物理探測工作時間較長或探測疑似異常較多，就會導致超前探測效率的降低，進而影響掘進進度。所以，為提高掘進超前探測效率，需要從縮短探測施工時間與提高探測精度入手。

目前，能夠滿足巷道掘進快速超前探測需求的技術主要為隨掘探測技術以及超長鉆孔孔中探測技術等。其中，隨掘超前探測技術主要有基于綜掘機的隨掘地震技術、基于TBM盾構機的隨掘地震與隨掘電法技術;孔中探測主要為孔中瞬變電磁技術。而其他大部分常規(guī)探測技術會因時效性問題將不適用于快速超前探測模式。另外，綜掘機以及TBM盾構機巨大的電磁干擾也限制了電磁類方法隨機隨掘的研究發(fā)展。

因此，進一步發(fā)展和完善隨掘探測以及超長鉆孔孔內探測技術理論與體系是未來快速掘進模式下重要的發(fā)展方向，與其相匹配的高精度探測方法及數(shù)據(jù)解譯算法也是研究的重點。

另外，巷道掘進智能化發(fā)展下，要求超前探測技術具備與智能掘進技術相配合的能力，滿足“智能化”的要求。

3 巷道快速智能掘進超前探測關鍵技術發(fā)展思考

在未來巷道快速智能掘進過程中，超前探測保障體系需要進一步提高地球物理勘探精度，發(fā)展與完善聯(lián)合反演、隨掘探測、隨鉆感知、超長鉆孔孔中探測等關鍵技術及其配套高精度探測方法及數(shù)據(jù)解譯算法，融合5G通訊、大數(shù)據(jù)、云平臺等現(xiàn)代智能技術，重點提高巷道超前地質透明化程度，構建快速智能掘進綜合地質保障平臺。圖4對快速智能掘進地質保障體系進行了說明。

圖4 快速智能掘進地質保障體系Fig.4 Geological guarantee system of fast intelligent tunneling

3.1 快速超前探測技術基礎性研究

將探測儀器與掘進機械進行一體化設計，開展隨掘探測是保障巷道快速掘進最有效的方式之一，可實現(xiàn)探掘平行、災害精確治理，能夠充分發(fā)揮掘進機械的生產效率，是未來一段時期內巷道快速智能化掘進發(fā)展最急需的保障技術。目前，巷道快速智能掘進發(fā)展主要以懸臂式掘進機及其改進機械以及盾構掘進機為基礎機械，懸臂式掘進機主要用于煤巷，盾構掘進機主要用于巖巷。基于此，適用于巷道快速超前探測的技術體系可發(fā)展為兩種，一種是應用于煤巷的掘進機震源隨掘地震技術與超長鉆孔孔中瞬變電磁聯(lián)合的技術體系;另外一種是應用于巖巷的TBM震源隨掘地震技術與BEAM隨掘電法聯(lián)合的技術體系。

以上2種探測體系所應用的基礎超前探測技術都是近年來新發(fā)展的技術，理論與方法體系還不夠完善，還需進行大量的基礎性研究工作。

3.1.1 適用于煤巷的快速超前探測關鍵技術

(1)掘進機震源隨掘地震技術。基于掘進機震源的隨掘地震技術，解決了以炸藥震源為主的傳統(tǒng)礦井震波類勘探存在的很多局限性問題，可在掘進施工過程中同步、實時連續(xù)監(jiān)測，同時也符合安全綠色經濟的理念。由于其特殊的震源特征，該技術研究的核心及難點是掘進機震源信號的脈沖化處理。近年來，筆者所在團隊在掘進機震源信號的脈沖化處理方面進行了一系列的基礎研究工作。相對于常規(guī)炸藥震源爆炸僅僅持續(xù)短暫時間來講，掘進機在施工過程中會保持一段長時間的連續(xù)工作，相當于一個連續(xù)震源。而且截割頭與煤巖層每一次接觸切割會持續(xù)一段時間，所以每一次的地震波激發(fā)都會有一定的延續(xù)時間;另外，由于掘進機的工作狀態(tài)(截割頭的磨損程度、壓力、轉速等)是隨機變化的，所以，掘進機震源信號與炸藥等常規(guī)震源產生的脈沖信號不同，是具有一定延續(xù)時間的連續(xù)變頻信號(圖5，6)。

圖5 掘進機震源原始單道波形信號Fig.5 Original single trace waveform signal of roadheader seismic source

圖6 隨掘地震技術組成Fig.6 Technical composition of the seismic while tunneling

互相關干涉是目前掘進機震源信號脈沖化處理最常用的方法，但從結果分辨率來看，脈沖化算法還需要進行進一步的研究。

(1)

式(1)為筆者團隊在互相關干涉基礎上提出的復合干涉處理算法，該算法將互相關與最佳維納濾波約束下的脈沖反褶積有效結合起來，可以提高脈沖化處理分辨率，算法魯棒性更高。

(2)高精度地震探測方法及精細成像技術。使用掘進機震源隨掘地震技術，除了原始信號的脈沖化處理外，為提高探測精度，還需發(fā)展高精度地震探測方法及其精細成像技術。解決探測空間局限以及全空間效應影響等問題，是巷道地震超前探測技術向高精度探測發(fā)展的重要方向。

常規(guī)線性探測方式下地震數(shù)據(jù)有限，充分利用巷道頂、底板、側幫等空間條件，開展全空間三維立體探測研究，在局限的探測空間內，最大限度的獲取空間地震數(shù)據(jù)，是提高探測精度的有效途徑。在全空間效應影響下，地震波場極其復雜，只利用單一類型波進行無方向性的成像難以滿足高精度地震超前探測的需求。實際探測中至少采用三分量地震記錄，接收全波場信息，按照波的類型和激發(fā)、接收與成像點的3者關系，根據(jù)地質條件提取不同波型，進行多波成像，相互補充與驗證，提高成像的可靠性和成像精度。

槽波超前探測在小構造超前探測方面具有一定的優(yōu)勢，需要進一步發(fā)展和完善槽波超前探測理論和方法。數(shù)據(jù)接收方面，同樣采用三分量接收，理想情況下，采用煤層三分量和頂板三分量同時接收，形成槽波、體波六分量記錄，作為槽波、體波聯(lián)合勘探的基礎數(shù)據(jù)[60]。

另外，開展地震超前探測精細成像技術研究也是提高勘探精度的重要方式。充分利用三維立體空間探測數(shù)據(jù)以及多波多分量波場信息，進一步完善與發(fā)展體波與槽波單一、聯(lián)合探測背景下的繞射疊加、極化、散射、地震干涉等偏移成像技術體系。

(3)超長鉆孔孔中瞬變電磁技術。孔中瞬變電磁、地孔瞬變電磁等新興技術，可以從根本上避免巷道中電磁干擾信號、錨網、掘進機等干擾影響，進而提高探測精度，是發(fā)展高精度瞬變電磁法探測技術的重要研究方向之一。而且，隨著我國煤礦井下智能化定向鉆探技術的發(fā)展，推動順煤層定向鉆孔實現(xiàn)了深度從“1 000 m”跨越到“3 000 m”，“十三五”期間，我國學者提出并創(chuàng)建的3 000 m近水平超長孔鉆進理論與技術體系，成功在神東保德煤礦完成了最大順煤層孔深3 353 m的貫通定向鉆孔[61]。定向鉆孔技術的成功發(fā)展為孔中瞬變電磁技術應用與創(chuàng)新提供了基礎條件，孔中瞬變電磁可利用掘進工作面前方500～3 000 m 長度定向鉆孔開展超長距離水害的隨鉆超前探測工作，有效保障巷道高效快速掘進(圖7)。

圖7 孔中瞬變電磁超前探測示意Fig.7 Schematic diagram of transient electromagnetic advanced detection in hole

由于孔中瞬變電磁技術與常規(guī)礦井瞬變電磁技術不同，其裝置屬于二維工作裝置，隨收發(fā)距改變數(shù)據(jù)特征差異較大，對資料的處理解釋帶來了很大困難[62]，常規(guī)資料解釋方法已經難以滿足工程需要。所以，未來需要重點研究有無異常情況下孔中瞬變電磁信號的數(shù)據(jù)特征，然后，在此基礎上開展數(shù)據(jù)處理解釋的研究。

數(shù)據(jù)處理解釋的研究方向可分為2類：一類是根據(jù)數(shù)據(jù)特征直接進行地質解釋，另外一類是高精度的反演方法。目前，瞬變電磁波場轉換、合成孔徑雷達技術以及全程全空間視電阻率反演是常規(guī)礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理成像的研究熱點，未來可結合孔中瞬變電磁數(shù)據(jù)特征利用以上新技術開展研究工作。而且，在數(shù)據(jù)處理過程中加入機器學習、濾波算法等也為提高孔中瞬變電磁解釋精度和探測分辨率提供了有效的解決途徑。

瞬變電磁場中的電性各向異性問題研究以及基于瞬變電磁數(shù)據(jù)的巖層富水性定量預測同樣可以為提高孔中瞬變電磁法探測精度做出重大貢獻，可以在巷道快速智能掘進中發(fā)揮重要的作用。而且，隨著超長鉆孔深度的增加，電磁感應類探測裝備的隨鉆適用性以及井下特殊的安全性要求也是重要的研究方向。

3.1.2 適用于巖巷的快速超前探測關鍵技術

(1)TBM震源隨掘地震技術。目前發(fā)展出的基于TBM破巖震源的隨掘地震技術主要應用于隧道掘進中，煤礦巖巷TBM震源隨掘地震技術的研究可借鑒該方面的基礎工作(圖8)。

與掘進機震源隨掘地震技術類似，其原始信號的脈沖化即重構處理是方法研究的重點，在目前已有的研究中，互相關干涉為最主要的技術，解決該技術分辨率不足的問題，創(chuàng)新魯棒性更高的算法是未來重要的發(fā)展方向。另外，完善理論與方法體系，發(fā)展全空間三維立體探測、多波多分量方法、全波形反演、極化、散射、地震干涉等偏移成像技術也是該技術未來的研究重點與趨勢。

(2)BEAM隨掘電法技術。巖巷中的隨掘電法技術研究主要圍繞BEAM綜合法展開，該系統(tǒng)隨TBM掘進在線監(jiān)測掘進前方地層視電阻率的變化，能夠實現(xiàn)實時在線的超前地質探測(圖9)。

圖9 BEAM綜合法超前探測系統(tǒng)Fig.9 BEAM synthesis method advanced detection system

但由于該技術屬于聚焦電流探測的一種，其技術與理論體系還不完善，還有許多基礎工作需要研究。目前，探測距離過短是制約該方法的關鍵問題。

另外，數(shù)據(jù)解釋過程中可以結合數(shù)據(jù)本身進行分析，不再局限于常規(guī)電阻率成像結果的研究。而且，建立巷道掘進前方含水異常體實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及發(fā)展巷道掘進定量化超前探測理論與技術也是該技術研究的重點。

3.2 聯(lián)合反演成像

巷道超前探測中，掘進前方斷層構造、富水區(qū)等地質異常會引起多種地球物理場的響應特征，集成應用多種方法開展綜合超前探測可以提高地質判識和解釋精度，而且，該思路是目前解決物探方法多解性的惟一有效途徑。

應用多種物探方法開展多源數(shù)據(jù)融合交互解釋，可以分為2種層級，第1層級是進行多物探結果之間的交叉驗證，更高層級是開展多源異構數(shù)據(jù)之間的聯(lián)合反演。聯(lián)合反演在解決物探方法多解性問題、提高探測精度等方面較交叉驗證有了更進一步的提升，是通過地質體的巖石物性和幾何參數(shù)之間的相互關系共同反演得到同一地質-地球物理模型，是在數(shù)據(jù)級別上進行的處理，具有更高的優(yōu)勢。因此，進一步發(fā)展和完善巷道超前探測多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演理論和方法是一個很重要的發(fā)展方向。

充分利用高精度物探方法獲得的多源數(shù)據(jù)，完善巷道超前探測聯(lián)合反演技術體系，主要方向為基于相同物性參數(shù)的聯(lián)合反演和基于不同物性參數(shù)的聯(lián)合反演。對應2種巷道快速超前探測技術體系，重點發(fā)展煤巷中的地震體波-槽波/地震-瞬變電磁聯(lián)合反演以及巖巷中的地震-電法聯(lián)合反演技術。

基于交叉梯度約束的聯(lián)合反演弱化了以往對參與數(shù)據(jù)的物性要求，只要求數(shù)據(jù)間有相似的結構特征，更易實現(xiàn)相同或不同物性數(shù)據(jù)間的聯(lián)合反演。以應用于煤巷的隨掘地震與孔中瞬變電磁超前探測數(shù)據(jù)為例，構建聯(lián)合反演目標函數(shù)為

(2)

如圖10所示的地震與瞬變電磁聯(lián)合反演應用案例中，使用基于交叉梯度約束的聯(lián)合反演方法，融合了地震記錄與瞬變電磁視電阻率數(shù)據(jù)，反演后的反射波同相軸(圖中色彩線束)在縱橫向上均具有更高的分辨率，斷層構造能得到更精細的解釋。

以上聯(lián)合反演為巷道空間下的小尺度反演，所需時間較少，且對于探測分辨率有較大的提升，可以滿足巷道快速智能探測要求。

3.3 大數(shù)據(jù)綜合利用

隨著巷道快速智能掘進深度發(fā)展，其地質保障所需基礎數(shù)據(jù)量級及類型均呈爆炸式增長，利用大數(shù)據(jù)技術針對鉆探、物探、化探等多源海量數(shù)據(jù)進行集成分析與數(shù)據(jù)價值挖掘，實現(xiàn)動態(tài)診斷與輔助決策，成為巷道掘進快速智能化的關鍵。

以高分辨率三維地震勘探為核心、井上下一體化、掘前掘中多手段配合的地質保障技術體系可以為掘進超前探測提供海量的基礎數(shù)據(jù)，構建綜掘工作面探測信息大數(shù)據(jù)分析平臺，進行多源地質數(shù)據(jù)的融合交互，實現(xiàn)綜掘工作面前方地質體的精準探測;充分利用含水異常體實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、隨掘探測等系統(tǒng)提供的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，創(chuàng)新數(shù)據(jù)智能解釋技術，開發(fā)探測結果實時處理、動態(tài)成像等技術，提高探測時效性;通過異常判識精度與速度雙重突破，促進掘進快速智能發(fā)展。

5G是第5代移動通訊系統(tǒng)的簡稱，具有超高數(shù)據(jù)速率、超低延時和超大規(guī)模接入等特點，是巷道快速智能掘進過程中數(shù)據(jù)信息高效互聯(lián)互通的優(yōu)勢輔助技術。隨著5G技術生態(tài)的逐漸成熟，必將實現(xiàn)信息技術、探測技術、傳感器技術、智能裝備等技術的深度融合，豐富綜合超前探測理論實踐體系，促使實時動態(tài)電法監(jiān)測系統(tǒng)、隨掘探測系統(tǒng)等技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展[63]。圖11為探測信息大數(shù)據(jù)利用的架構展示。

圖11 探測信息大數(shù)據(jù)利用架構Fig.11 Exploration information big data utilization architecture

3.4 透明化地質條件構建

在推進巷道快速智能掘進建設中，首先需要解決地質條件的透明化問題，以確保掘進條件的可視、可預和可控[64]。構建高精度三維巷道地質地球物理模型，動態(tài)展示隨掘巷道三維空間地質條件，進行安全生產環(huán)境判識，可以為實現(xiàn)掘進機智能截割、智能導航、智能協(xié)同控制、遠程智能測控提供精準地質支持，是巷道快速智能掘進地質保障系統(tǒng)發(fā)展的主要攻關內容。

高精度三維巷道地質地球物理模型構建，主要包含2個部分：其一是掘進前期靜態(tài)地質模型構建，其二是掘進過程中動態(tài)模型修正。

靜態(tài)地質模型通過采用“空—天—地—井—孔”全方位立體化的探測模式，獲得巷道范圍內地下巖層巖性分布、三維地質構造形態(tài)等多參量的三維數(shù)據(jù)，同時融合巷道建設的基礎地質信息等多域大數(shù)據(jù)，對鉆孔、地層、物性等各類參數(shù)重建，獲得多元素三維數(shù)據(jù)體，構建其靜態(tài)參數(shù)模型。重點是反映原始地層條件、地質構造發(fā)育形態(tài)、地下水空間分布范圍等多元信息。

動態(tài)模型修正是獲取掘進過程中實時地質地球物理參數(shù)，通過進一步加強多介質、多相、多態(tài)、多維、多源數(shù)據(jù)的有機融合，進行多參數(shù)聯(lián)合反演，完成對實時地質信息的監(jiān)控和動態(tài)預測。然后對靜態(tài)地質模型參數(shù)注入和改造，反演地質及災害源條件的變化狀態(tài)，實現(xiàn)對巷道前方地質條件的透明化(圖12)，為多災源預測提供關鍵指標參數(shù)支撐。

圖12 巷道掘進地質地球物理模型Fig.12 Geological and geophysical model of roadway tunneling

4 結 語

雖然巷道掘進災害隱患超前探測技術研究取得了顯著的成效，但巷道探測空間有限、物探方法多解性等技術難題并沒有得到根本性的解決。而且，隨著信息技術的深度融合和掘進機械化水平的進一步提高，快速智能掘進模式會對超前探測技術提出更高的要求。尤其是煤炭開采向深部發(fā)展，面臨著越來越復雜化的地質問題，現(xiàn)有的技術方法還難以形成有效的安全保障，因此，還需進一步完善和發(fā)展超前探測理論體系，構建基于透明地質模型的隨掘超前探測保障與云地質診斷平臺是重要研究方向。

煤礦安全地質保障體系構建已不是一個單一的專業(yè)問題，它涉及多領域、多學科的交叉，在未來巷道快速智能掘進過程中，超前探測保障體系需要產學研用技術協(xié)同，進一步提高地質地球物理勘探精度，完善與發(fā)展聯(lián)合反演、隨掘探測、隨鉆感知等關鍵技術，提升技術與裝備的結合程度，融合5G通訊、大數(shù)據(jù)、云平臺等智能技術，重點提高巷道超前地質透明化水平，高效高精度預報掘進空間存在的地質異常體，助推礦井的智慧化高質量發(fā)展建設。