Tomography method for adjacent channel frequency shift of transmitted in-Seam waves
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摘要:
槽波勘探是煤层工作面小构造探测的主要方法之一，该方法主要是利用槽波的能量衰减特征。当检波器的耦合差或工作面存在较大地质异常时，会显著影响槽波在不同频段上的能量分布，降低槽波探测结果的稳定性和准确性。利用槽波信号的质心频率变化特征进行反演成像是一种创新且有效的方法，但该方法存在震源质心频率准确估算及兼顾震源差异性的难题。为此，提出基于透射相邻道槽波信号，估算其质心频率相对变化量的层析成像方法。基于理论分析，推导出相邻道槽波质心频率相对变化量(Mi)的计算公式；采用二维数值模拟方法，验证槽波Mi值与传播距离的正向线性变化规律；通过槽波实测试验，对比分析了相邻道质心频率成像方法的效果。结果证明，槽波信号存在频移现象，槽波相邻道Mi值层析成像方法是有效，该方法克服了震源差异性和震源质心频率人为选择不当对成像结果造成的影响，为槽波勘探数据处理提供了一种新的思路。
Abstract:In-Seam Seismic is one of the main detection methods for small geological structures in the coal mining working face. In this method, the energy attenuation feature of in-seam waves is mainly utilized. In case of any significant geological anomaly or receivers coupling difference in coal working face, the energy distribution of the in-seam wave at different frequency bands will be significantly affected, and the stability and accuracy of in-seam wave detection results will be decreased. Using the centroid frequency change features of the in-seam wave signals for inversion imaging is an innovative, effective method. However, for this method, there are difficulties in eliminating diversity influence of seismic source. Therefore, the tomography method base on the adjacent in-seam frequency shift of transmitted in-seam waves, for the estimation of the relative variety of the centroid frequency, was proposed. On the basis of the theoretical analysis, the formula for calculating relative variation of the centroid frequency shift (Mi) based on the adjacent in-Seam transmitted channel waves was derived; the positive linear correlation between Mi and the propagation distance of in-seam wave was verified by two-dimensional numerical simulation; and the normal and new imaging results of field test signals were compared and analyzed. As demonstrated by the above experiment results, there is a frequency shift in in-seam wave signals, and the tomography method with the Mi value is effective. The above method overcomes the effects that are caused by the source difference and the improper artificial selection of source centroid frequency on imaging results, providing a new approach for the processing of in-seam wave data.
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Keywords:
- in-seam seismic /
- centroid frequency /
- frequency shift /
- tomography
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近年来，随着我国能源供给侧结构性改革的不断推进与持续变革，煤炭能源保障与供给能力增强。全国煤矿年产120万t以上大型煤矿生产原煤占比超过总量的85%[1]。煤炭企业发展由多、小、散、乱逐渐转变为大煤矿、大集团和大基地。截至2021年末，全国千万吨级煤矿数量达到了72个。煤炭生产也逐步过渡为以机械化、自动化、信息化与智能化为主的高效作业方式。至2022年底，智能化采掘工作面增加到了1 019个，智能化煤矿也增加到572处，特别是大型煤矿的掘进机械化程度超过50%[2]。根据《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》，“十四五”末，掘进机械化程度将要达到75%左右[3]，这对矿井智能化、少人化建设目标提出了更高要求。我国煤炭资源的赋存条件与对煤炭资源的长期旺盛需求，使得煤炭开采逐步向深部化发展成为必然。深部煤矿特别是超千米深部煤矿建设将以大型煤炭企业、现代化智能煤矿为主，大资本投入以及对建设周期的要求将使得具有速度优势的大型机械化掘进设备进入矿井建设成为可能[4-5]。TBM工法具有机械化程度高、施工质量好、掘进速度快、节省劳动力、安全高效等优点，逐渐被煤矿岩巷掘进所接受，其掘进效率一般是传统钻爆法的3~10倍，是综掘法的2~8倍[6]。因此，采用圆形断面封闭式多重复合支护的TBM工法开展煤矿岩巷掘进施工，将会是大型矿井未来智能化建设与生产的优选方法和必然发展趋势[7-8]。但由于TBM对不良地质条件的适应性较差，煤矿复杂地层条件与地质构造会严重限制TBM掘进效率与优势的发挥。众多工程实践表明，在复杂地质环境和高地应力条件下，煤矿深部TBM工法施工将会面临着诸多隐蔽致灾因素的威胁和亟待解决的技术难题[9-10]。
安全高效生产是煤矿各项工作开展的第一要务，其中采掘地质保障技术水平的提高与创新是煤矿安全生产的重要基础。能够有效探查隐蔽致灾地质因素，开展灾害防治，对减少煤矿事故的发生意义重大[11-13]，因此，煤矿TBM掘进同样必须做到：有疑必探，先探后掘，先治后掘。现阶段TBM工法已经在“探−掘−护−锚”掘进工序中，实现了掘进、出渣、支护可交叉作业，同步进行，且施工时对围岩扰动干扰少，其最大特点是安全、高效。但现有“多地球物理方法综合探测加钻探验证”的超前探测模式难以在TBM掘进时施工，无法满足其快速掘进的地质保障需求。区别于常规地球物理探测手段，将探测仪器与掘进机械进行一体化设计，开展随机随掘探测可实现探掘平行，能够充分发挥TBM的掘进效率优势，是煤矿TBM掘进发展首先需要突破的关键技术，也是煤矿智能化发展的重要组成部分[14]。
因此，开展TBM掘探一体化技术研究，完善其理论技术体系，攻克关键技术难题，具有重要的实践意义和价值。本文在系统梳理TBM随掘随探技术发展现状的基础上，分析总结了煤矿岩巷掘探一体化技术研究存在的难题，并思考了未来的发展方向，为推进煤矿岩巷的安全、智能、精准、高效掘进提供参考指导。
1 岩巷TBM掘探一体化技术研究进展
岩巷前方存在破碎带、断层、软弱岩层及富水区等不良地质条件时，TBM掘进时容易出现坍塌、卡机、卡盾、涌水等安全隐患，轻则造成TBM刀盘损坏、机身故障，重则可能导致安全事故发生。因此，对TBM快速掘进超前地质预报提出了更高的要求。目前，国内外形成了以TBM与物探设备相结合的掘探一体化探测模式，促进了TBM掘进期间的超前地质预报技术的发展，其中随掘地震、随掘电法、随掘瞬变电磁3类探测技术是目前主要研究与应用的方法。前期上述方法多独立使用，随着TBM技术快速发展，超前探测系统形成多技术融合与TBM形成一体化技术是未来煤矿岩巷掘进的发展趋势。
1.1 隧道随掘地震探测技术
随掘地震探测技术通过布设在掘进工作面后方检波器接收盾构机破岩产生的震动信号，并通过数据处理与成像技术，以实现对隧道前方地质异常体的实时探测。由于TBM结构复杂、体积较大，其长度经过优化缩短，依然达到60 m左右，占据岩巷大部分空间，使得传统布设于掘进工作面及侧帮的地震超前探测技术由于施工条件限制，难以满足TBM工法施工需求。为此开展TBM随掘地震掘探一体化探测技术的超前地质预报方法研究，以保障TBM高效、安全快速掘进是当前关注的热点与难点。
1.1.1 地震数据采集系统
随掘地震观测系统的布置方式影响着不良地质体关键信息的有效采集。常规的巷道地震波超前探测方法以线性观测系统为主，探测数据量少，当掘进前方存在断层或者破碎带时，往往与巷道垂直或大倾角相交，这样掘进工作面前方岩体速度分布无法准确获得。为解决该问题，张凤凯[15]通过在掘进方向左右侧各布置一条测线来测量TBM破岩时产生的地震信号，有效提高探测数据采集量，针对前方岩体速度分布求取难的问题，采用精度较高的全波形反演来获取掘进工作面前方岩体速度分布。同时GFZ公司、海瑞克公司等科研单位设计了ISIS、SSP等超前探测系统开展TBM随掘探查。
1.1.2 地震有效信号提取
为适应TBM快速掘进，研究人员逐渐关注以TBM破岩震动为震源的随掘地震探测技术，与利用TBM停机期间，间接采用搭载于TBM上的特殊机械装置作为激发震源不同，该技术真正实现了随掘随探[16-19]。李术才院士团队在TBM随掘地震探测技术的研究方面取得了显著成果，主要集中在如何将TBM破岩震动记录中能够用于地震勘探的有效信号提取出来，实现“变噪为源”是随掘地震技术的首要环节，其研究主要包括以下2部分。
1) 震源产生机制分析
TBM破岩震源具有随机、不确定性，现场采集的地震记录无法直接识别和解释。为此，进行TBM破岩震源产生机制研究是十分必要的，也是后续有效信号提取的基础。针对TBM破岩特点，许新骥[18]将工作面进行网格化，并把所有网格点作为震源，采用多个不同频率、不同振幅的正弦波合成为每个震源点的连续随机信号，利用各个网格点上的震源激发的连续随机信号的相互作用模拟了TBM破岩震源产生机制，为TBM破岩震源的有效信号提取研究提供了理论基础。
2) 有效信号提取
噪声记录处理最常用的是地震干涉方法，TBM破岩震动有效信号提取同样以地震干涉法为核心开展相关研究。许新骥[18]利用互相关法处理TBM破岩震源地震记录，实现了地震记录等效脉冲转化，在此基础上采用归一化的手段处理单道地震记录，进一步压制了干扰噪声影响；为增强地震信号的信噪比，在数据处理过程中采用基于接收阵列的波束形成法，有效增强了来自巷道前方的有效反射波信号。张凤凯[15]在对比常用地震干涉方法效果的基础上，选用互相关法处理TBM破岩震源探测数据，并采用高阶累积量子波估计与波形修正法进一步处理了地震干涉所得的虚源地震记录，如图1所示，得到与主动源探测相一致的地震记录，实现了TBM随掘地震有效信号的提取。
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1.1.3 地震成像
1.1.2节提取的有效地震信号无法直接反映巷道前方地质体的形状与空间位置，还需要进一步的成像处理才能实现对地震超前探测资料的精准解释。
随掘地震成像与常规成像方法相似，其核心是如何准确获取探测区域的速度分布和选用何种成像方法。针对巷道施工环境下掘进工作面前方探测区域内的速度分布情况，宋杰[20]采用基于绕射扫描叠加的速度分析方法获取了巷道前方探测区域的速度分布，并在此基础上利用深度偏移算法进行反射界面成像，获取巷道前方的反射界面信息。Liu Bin等[21]对深度偏移成像方法进行改进，采用基于定向加权的等时平面法进行三维地震偏移成像，如图2所示。为进一步提高成像精度，张凤凯[15]采用全波形反演以获取巷道前方岩体的速度分布，并采用基于波动方程的逆时偏移成像方法对巷道前方反射界面进行成像，获得了更为准确的反射界面形态与位置信息。此外，针对TBM掘进速度快的特点，需要提高TBM随掘地震成像速度，以满足TBM快速掘进超前地质预报的需求。
1.2 隧道随掘电法探测技术
随掘电法探测技术是利用TBM刀盘布设电极实施测量，并在隧道两侧布设供电电极供电，从而构成电法数据采集系统，实现隧道随掘电法的数据采集。不同于随掘地震探测，TBM机械本身的强磁干扰会对随掘电法探测结果造成严重的影响，同时，因TBM施工工艺造成传统的直流电法超前探测数据观测方式不满足现有的探测需求，从而需要在数据采集方式、数据噪声压制和成像上进一步深入研究。
1.2.1 电法数据采集
TBM随掘电法观测系统主要利用盾构机本身的刀盘作为测量电极以及布设在侧帮的电极作为供电电极构成观测系统，不同的电极排列形成的不同观测模式影响着电法超前探测距离和数据采集的抗干扰能力，故TBM随掘电法超前探测的首要任务是采用适合TBM隧道环境中的观测模式。针对TBM隧道施工环境，国外最早开始了聚焦电流法研究，通过将刀盘布设探测电极，并向隧道掘进工作面注入探测电流，同时利用护盾上安装的保护电极向侧帮围岩注入同相同频的保护电流，起到屏蔽侧方干扰，聚焦电流至掘进工作面前方的作用，然后根据前方视电阻率的变化，推测前方地质情况，其观测系统如图3a[22-23]所示。此后，国内研究人员也开始了相关研究，借鉴多同性源阵列观测方式[24]，刘斌等[25] 在BEAM法的基础上，提出了一种适用于TBM复杂环境下的多同性源观测模式，即位于工作面边墙同一圈同性源供电电极系供电(A1—A4)，位于刀盘滚刀开孔处的测量电极系测量(M1—M9)，直至完成所有圈次，即可完成TBM观测模式的数据采集，该观测方式在提高抗干扰能力的基础上又极大地提高了探测距离。图3b为TBM多同性源阵列观测模式[25]。
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1.2.2 电法数据处理
随掘电法主要采集探测区域内的电压、电流信号，其单位基本在毫伏、毫安级，因此，TBM的强磁干扰和采集仪器的本底噪声会对电法观测数据产生严重影响。针对采集数据存在干扰问题，剪浩杰[26]采用小波变换法将原始采集的电位信号分解成不同频段且互不重叠的信号，使得不同频率信号所在的区间都能包含原始信号的所有频段，以此实现对原始电位信号的带通滤波去噪处理，提高了数据采集精度。为进一步降低采集仪器的本底噪声干扰，田明禛[27]提出软硬件相结合的联合去噪方法，即通过小波变换算法实现软件层面的滤波，并在硬件电路中设计巴特沃斯低通滤波，去除高频噪声和复杂噪声，实现了硬件层面的去噪。
1.2.3 电阻率反演成像
随掘电法采集的电压、电流数据经过1.2.2节数据处理后仍然无法直观地反映巷道前方的地质信息，需要进一步的反演成像才能用于地质资料的解释。此外，为适应TBM掘进的速度，对随掘电法反演成像的速度提出了更高的要求。
随掘电法受限于观测模式及TBM的干扰，易造成反演成像多解性，影响异常体定位精度。针对多解性和运算速度问题，王传武[28]通过在三维电阻率反演中利用已知的地质信息，施加基于松弛变量的不等式约束来压制反演的多解性；同时为提高运算速度，设计了基于Open-MP的总体系数矩阵cholesky分解与敏感度矩阵求解的并行计算算法，提高了三维反演速度。为了提高对异常的空间定位精度，聂利超[29]通过将观测数据加权函数与模型深度加权函数引入到光滑约束最小二乘反演中，改善了反演结果过度集中在浅部的问题，同时提高了对深部异常体的识别和定位精度。刘斌等[30]则采用改进遗传算法与最小二乘相结合的混合反演成像方法，减少了反演对初始模型的依赖程度，提高了对异常体的三维定位精度，并在实际工程应用中，取得良好的应用效果。
1.3 随掘瞬变电磁探测技术
随掘瞬变电磁是利用接地电极向工作面供电，并用布设在掘进工作面上的回线接收前方返回的感应电动势，并通过后续数据处理以实现对隧道掘进工作面的随掘超前探测。瞬变电磁法对巷道前方的良导地质体敏感性强，广泛用于探测巷道含水构造。但与电法类似，随掘瞬变电磁超前探测也易受到TBM的严重干扰，需要从实测信号中剔除TBM干扰源以得到真实反映隧道前方地质条件的感应电动势曲线，并进行成像处理来解释前方地质情况。
1.3.1 瞬变电磁数据采集
随掘瞬变电磁法的观测模式对数据的采集精度和抗干扰能力有较大影响。为了最大限度地接收到来自隧道前方的异常响应，胡佳豪等[31-32]基于TBM感应二次电场的水平分量场值较小、电性源二次场电性分界面法向分量连续的特点，提出了一种阵列电性源激发、电场分量采集的TBM随掘瞬变电磁超前探测装置，降低了TBM对电性源瞬变电磁的二次电场影响，图4为其完成的掘进工作面观测点电场3个分量衰减曲线。
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1.3.2 数据处理
由于瞬变电磁法是通过接收从巷道前方产生的二次感应涡流场，进而获取掘进工作面前方探测介质的电阻率信息，因此，会不同程度地受到TBM、异常体的大小、掘进工作面到异常体的距离等因素的影响，故而TBM随掘瞬变电磁探测数据处理的核心是找到这些因素的影响规律并予以校正，获得真实反映巷道前方地质信息的感应场。其中，TBM是隧道TBM随掘瞬变电磁法最严重的干扰源，需要从实测信号中剔除TBM干扰信号，针对此问题，卢绪山[33]通过直接模拟TBM响应信号，并从实测感应电动势中减去模拟的TBM纯异常响应电动势，从而获得只包含掘进工作面前方异常体的响应，来完成TBM干扰剔除，模型实验结果显示该方法可以有效消除TBM干扰。与前一种方法不同，孙怀风等[34]通过将纯隧道空腔体响应与包含TBM模型的隧道空腔体响应做差间接获得了TBM响应信号，并以此为干扰背景，从实测信号中剔除了TBM干扰；通过异常体大小、异常体与掘进工作面的距离等干扰源进行分析，认为其主要差别只存在于晚期，可以看作为异常体自身响应差别，同时，认为巷道掘进工作面测得的瞬变电磁响应可以近似看作是隧道空腔、TBM和纯异常响应的叠加。
1.3.3 拟地震成像
目前，TBM随掘瞬变电磁数据成像算法与常规隧道成像方法相同，但需要提高成像速度以满足TBM超前地质预报的需求。为了更好地获得反映隧道前方不良地质体的电性与构造信息，在1.3.2节数据去噪处理的基础上，借鉴地震偏移成像技术，实现瞬变电磁数据的拟地震处理。戚志鹏等[35]通过波场变换原理将瞬变电磁数据转换成虚拟波场数据，并在建立的虚拟波场速度模型上，采用克希霍夫法进行波场延拓，以实现瞬变电磁虚拟波场偏移成像，理论模型与实测结果表明，该方法能够有效识别地质灾害体的分布情况。图5为其完成的随掘瞬变电磁实测数据克希霍夫偏移成像结果。
1.4 煤矿岩巷随掘电法探测技术
TBM工法应用于煤矿起步较晚，我国于1999年首次将TBM引入王家岭煤矿平硐建设，2014年在张集煤矿开展开拓巷道掘进。近5年，不同煤矿生产单位陆续在十余座矿井引入TBM，进行岩巷掘进。因此，针对煤矿岩巷掘探一体化技术研究相对不足相关研究文献也不丰富。在煤矿领域的研究依然有很多的技术问题需进一步探索。
综合现有文献分析，目前主要以赵栓峰团队的岩巷随掘电法探测为主[36-38]，与隧道随掘电法相比，煤矿岩巷随掘电法在数据采集装置和反演成像算法上取得了一定的进步。在数据采集上，提出采用以盾构机的刀盘作为激励和测量电极的移动阵列观测系统进行数据采集，该装置由刀盘上的一排刀头充当测量电极，后方边墙内的锚杆为接地电极，顺序通电，其完成的超前探测系统装置如图6所示；成像上，采用三维电阻率层析成像方法实现对测量数据的反演成像，同时为提高反演成像速度，引入了虚拟接地电极，并用等效模型代替了原有的保护电极模型；物理模拟与数值反演试验结果表明该方法能较好地反映异常体的位置。
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2 TBM掘探一体化发展方向与思考
基于获取的文献资料分析，岩巷TBM掘探一体化技术体系研究与应用取得了长足的进步，但还存在以下问题：(1) TBM掘探一体化技术体系尚未成熟。目前仍以探测理论研究为主，特别是TBM随掘探测全空间观测系统布设、有效数据提取、异常体成像方法等还需要进一步的完善与发展。(2) TBM掘、探装备未实现有机融合，降低了现场施工效率。目前TBM掘进与探测设备相对独立，主要以在同一施工环境集中使用为主，未完全实现掘进装备与探测设备一体化耦合，造成TBM掘探设备整装程度不高，极大限制了TBM掘进探测综合效率。(3) TBM掘探一体化智能综合控制平台开发相对滞后。以掘进地质条件判识为目标，亟需完善施工过程中的智能化综合管控平台，协同“掘进−探测−处理−反馈”机制，提升整套系统一体化管控水平。(4) TBM掘探一体化理念需不断深入。掘探一体化重在解决多环节任务“打包”，以掘为主，探在其中。由过去单次施工的“长探长掘”，到掘探一体化的“常探常掘”，体现在随掘而探，大数据覆盖，多频次叠加，从而提升对前方地质条件的预报精度，提高地质保障智能化水平。针对以上4类问题，本文给出了相应的思考和认识。
2.1 掘探一体化超前探测体系构建
掘探一体化超前探测体系主体包含观测系统布置、有效信号提取、数据成像表达及其地质解释预报内容。其中最主要的是解决好地震、电磁、红外等探测方法与TBM机械的耦合问题，且在复杂的背景场条件下获得有效的震动、地电、温度场等数据，并利用数据进行单一或融合利用，对前方地质条件进行成像、解释与预测。观测单元的安装、信号的采集控制、异常条件表达与预警等需要利用控制平台进行观察与监控，才能实现掘探一体化体系功能。图7为TBM随掘地震掘探一体化体系示意。
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图 7 TBM随掘地震掘探一体化体系Figure 7. Integrated tunneling and detection system of TBM with seismic while tunneling2.1.1 观测系统
1) 随掘地震观测系统
传统的巷道地震超前探测观测主要在巷道左(右)侧帮、顶板和掘进工作面布设测线构成二维、三维观测系统，主要测量大倾角断层构造，当不良地质体的走向与测线呈小倾角或平行时，观测效果会大打折扣甚至无效，因而，针对TBM破岩掘进的地震随掘探测，需要利用左右侧帮及顶板等全空间条件布设三分量检波器，实现巷道三维空间全方位多波多分量探测，有效降低不良地质体漏报率。
2) 随掘电法观测系统
随掘电法主要以刀盘作为测量或供电电极构成电法观测系统，受限于TBM施工空间狭小，如何使供电电极发射的电流更多地流向前方，同时从侧方接收返回的携带地质信息的电位信息，并克服TBM带来的干扰是未来研究的重点。在聚焦观测基础上，结合不同的阵列式供电电极和测量电极构成的观测系统，在克服TBM本身干扰的同时，可以有效提高探测距离。
3) 随掘瞬变电磁观测系统
传统的瞬变电磁主要利用掘进工作面及巷道两帮布设二维线性或三维空间测点进行一次场激发和二次场的接收，而以TBM掘进的施工巷道占据了大部分巷道空间，压缩了测点布设的空间。为适应TBM施工巷道环境，在设计观测系统时可以借鉴隧道多点阵列式探测模式，以刀孔为测点位置布设阵列式采集系统，可以提高数据采集的通道数，而且能够增强抗噪能力。此外，考虑到TBM对电场水平分量的影响较小，采用电性源激发、水平电场分量接收的随掘瞬变电磁超前探测观测系统具有重要意义。
2.1.2 有效信号提取
1) 随掘地震
针对以TBM破岩震动为震源的地震探测新模式，如何有效识别破岩震源信号特征，从巷道复杂噪声中提取出有效地震记录和压制干扰噪声是后续数据处理的基础。
(1) TBM破岩震源与信号特征
以TBM刀盘破岩震动代替传统的炸药或锤击震源采集到的地震信号是一种随机、连续噪声记录，无法直接利用。开展TBM破岩震源及其信号特征分析可以为后续提取地震有效信号奠定基础，进一步实现“变噪为源”。
TBM破岩震源及其信号特征分析的重点是揭示TBM破岩震源数据的时频特征，并分析构建出震源函数。刀盘上的滚刀切割岩石具有随机性、相互干扰性，造成其震源机制及其信号特征的复杂性。通过对TBM不同工作状态下的破岩震动数据进行时频域特征分析，结合TBM机械施工力源特征与震源信号激发机制分析，构建出震源函数；并获取TBM掘进期间切割不同岩石的时频域特征，汇聚频谱，构建数据库，为后续的数据处理和成像解释提供支撑。
(2) 提取有效信号
在TBM破岩震源与信号特征分析的基础上提取有效信号，得到用于反演、成像的虚源地震记录，是随掘地震数据处理的首要目标。
目前针对随掘地震信号的处理多以互相关等常规地震干涉技术为主，其在一定程度上可以有效地将TBM产生的随机信号恢复到类脉冲化的震源信号，但随掘震源影响导致的多峰值脉冲等干扰仍然存在，需要进一步针对TBM破岩震源信号干扰特征进行针对性的处理。为此，开展以常规地震干涉技术为基础结合最佳维纳滤波、小波分析等的多技术联合的处理算法研究，得到可直接用于后续数据处理、成像解释的有效地震信号。另外，地震干涉技术在“变噪为源”的过程中，同时改变了地震信号准确的振幅与相位信息，会影响后续成像的准确性，如何校正或消除该影响同样需要更进一步的研究。
2) 随掘电法
随掘电法主要是通过供电电极向掘进工作面前方供电，并采集掘进工作面探测区域返回的电位信号。其有效数据提取的核心是降低本底噪声干扰，提高采集电位信号的信噪比。
考虑到矿井防爆性要求，电法采集设备的功率相对较小，且采集的电位信息基本在毫伏级，仪器的本底噪声会对采集的电位数据产生较大干扰，故需要降低采集仪器本身的本底噪声对采集数据的影响，提高采集数据的信噪比。针对此问题，在数据处理时采用以小波变换为基础的复合滤波处理算法，压制背景噪声干扰，同时在采集电路设计时考虑到硬件的本底噪声，并采用低通滤波等处理手段，降低采集仪器本底噪声的干扰，实现有效信号的提取。
3) 随掘瞬变电磁
瞬变电磁法是一种感应类电磁法，受金属干扰影响较大，而TBM本身作为一个强金属干扰源，如何从实测信号中剔除TBM干扰信号是随掘瞬变电磁数据处理的核心。
剔除TBM干扰信号的重点在于如何获取TBM在巷道中的响应曲线：(1) 可以通过直接模拟TBM施工巷道环境下的TBM响应信号，再从实测信号中减去纯TBM信号；(2) 间接利用不包含TBM的纯巷道空腔响应与包含TBM时巷道的实测响应信号的差值，得到纯TBM的响应曲线，然后从实测信号中运算消除。
2.1.3 高精度成像
1) 地震高精度成像
随掘地震高精度成像的前提是充分利用巷道全方位立体空间和多波多分量的地震波场信息，在地震有效记录提取的基础上，进一步开展高精度的成像研究，提高对巷道反射界面的形状和范围的探测精度。
常规的巷道偏移算法主要利用椭球绕射偏移法进行巷道反射界面二维、三维成像。该方法利用炮点和检波点作为椭球焦点，二维平面网格、三维空间网格同一到时的振幅集中到椭球等时面上，这也造成了该方法在偏移成像时具有空间对称性，无法确定异常体产状，同时在进行三维偏移时，计算效率偏低。针对此问题，一方面，在原有偏移算法基础上，深入开展三分量极化偏移等方法研究，另一方面，在常规逆时偏移方法基础上，进一步发展基于反演理论的最小二乘逆时偏移成像方法与弹性波全波形反演方法研究，提高巷道前方反射界面的成像精度；此外，为提高成像计算效率，开展MPI(Message Passing Interface)、OpenMP(Open Multi-Processing)等多核多线程并行计算方法研究，通过合理构建随掘地震成像并行程序架构，解决成像程序运行过程中的数据通信、数据之间的依赖。
2) 电法高精度成像
巷道三维电法超前探测成像技术主要通过布设在巷道掘进工作面及侧帮的三维电法观测系统，采集巷道前方空间电位信息，然后进行数据处理与反演计算。所以，进行电法高精度成像，需要准确获取巷道全方位、三维空间电位信息。
为了充分利用TBM施工隧道空间，采用同性源阵列式随掘电法超前探测系统，获取更多的三维空间电位数据，不仅提高了探测距离，而且保留了传统聚焦观测抗干扰能力强的优势。此外，针对三维反演成像过程中灵敏度矩阵计算时间过长、内存占用过大等问题，在选择反演成像算法时，优先选择不完全计算或不计算灵敏度矩阵的反演算法，以提高程序运行效率，节约存储空间。
3) 瞬变电磁高精度成像
随掘瞬变电磁成像与常规隧道瞬变电磁成像方法一致。基于虚拟波场理论，将瞬变电磁数据处理成拟地震数据并进一步进行偏移成像是瞬变电磁数据高精度成像方法的又一进步，其成像方法的核心在于波场反变换。波场反变换是由瞬变电磁扩散场求取波场的过程，是不适定问题，需要可靠的数值求解方法，采用预条件共轭梯度法可以很好地实现波场反变换计算。此外，借鉴地震逆时偏移思想，开展瞬变电磁逆时偏移成像方法的研究，进一步拓展瞬变电磁场的内涵，为瞬变电磁数据的高精度成像理论提供理论支撑。
2.2 掘探一体化装备技术研发
岩巷TBM掘探一体化设备研发不仅需要提高TBM掘进设备和探测设备的一体化兼容能力，还需要加强TBM掘进设备和物探探测设备的有机结合，构建以TBM为中心的“机−井下−地面”一体综合管理控制系统，以提升掘探一体施工效率。
(1) 提高物探设备与TBM一体化兼容性。TBM掘进设备与物探设备一体化不是简单地将物探探测设备加载到TBM上，而是有机融合成一个系统。探测设备与TBM系统之间的兼容性、掘进部件与探测传感器之间的相互干扰等问题，都需要构建一个兼容性更大的平台，以解决TBM掘探一体化设备的整机智能性。
(2) 研发多源数据一体化采储系统装备。常规的超前探测需要针对不同的探测任务更换对应的探测设备，不同设备切换极大地降低了现场探测效率，故研发多源数据一体化采集储存系统装备，使得一台仪器可以同时采集多种不同类型的感知参数，可提高TBM掘探一体化的效率。
(3) 开发多参数融合−大数据叠加处理技术。随掘随探感知参数多，动态数据量大，有效利用地质地球物理大数据，特别是对掘进工作面前方多频次探测数据的叠加处理，融合高精度判识至关重要，开发相应的数据处理与诊断技术是掘探一体化装备技术的重要组成部分。
2.3 智能控制系统开发
当前，TBM岩巷掘进与探测设备系统相对独立，缺乏协调整个巷道施工期间的掘进与探测管理的智能控制系统平台。TBM掘探一体化包括掘进、探测、状态显示、信息反馈、指控发布等多个部分，以往多采取分散式管理，各工种之间的通信消耗时间增加，效率难以有效提高，为此构建以TBM掘进刀盘感知为基础的TBM智能化控制系统，辅以随掘探测超前预报，综合多元信息融合、惯性导航、远程视频监控技术、物联网等技术，实时掌握掘进设备的状态和巷道前方地质情况，及时调整掘进机的姿态。此外，智能控制系统平台借助AI智能辅助决策技术，辅助给出决策建议，实现掘进参数优化选取与智能支护，同时结合矿井5G网络实现掘进方向与设备状态远程控制。图8为TBM智能化控制系统示意。
2.4 掘探一体化实践体系研究
目前，应用于煤矿岩巷TBM掘探一体化探测的工程案例很少。借鉴于隧道岩巷TBM掘探一体化探测技术，基于现有文献分析认为，煤矿岩巷TBM掘探一体化工程应用中还需要提高对TBM掘探一体化认知，强化一体化管理与发展等方面研究。
(1) TBM掘探一体化实施理念。目前TBM掘探一体化在工程应用中还停留在掘、探分离阶段，即TBM掘进与超前探测是由各自独立完成，两者之间的一体化协同程度不高。从TBM钻机研发、操控平台开发、工程现场应用，到相关科研院所，都要不断提高认识，加大科技投入，持续推动TBM掘进与探测一体化聚力发展。
(2) TBM掘探一体化数据管理。当前TBM掘探一体化仍以长距离、低频次探测为主，而TBM快速掘进对近距离超前探测精度提出了更高要求。因此，需要开展高频次、短距离、多覆盖的随掘探测，重点要解决前方50 m以内的地质问题，通过工程实践进一步掌握掘进地质条件的信号特征，确立信号背景场、异常场并入库管理，实现异常体信息智能识别，其中，研发TBM掘探一体化数据管理系统是关键。
(3) TBM掘探一体化发展方向。未来TBM掘进与探测设备的自动化、智能化水平不断提高，需超前研究掘进地质条件透明化的适配性，与TBM装备融合搭载，实现掘进前方地质异常信息数据实时掌控，软件处理实时化、可视化、智能化，实现近距离地质条件高精度分辨，远距离地质条件高效率预报，动态交互更替，随掘随测随报，少人无人超前操控，突显一体化成效。
3 结 语
随着煤矿机械化、智能化程度不断提高，TBM巷道施工将会成为未来现代化大型矿井的发展趋势。基于透明地质保障体系架构，积极利用好装备和探测技术优势，可以有效获得对前方地质条件的预测判断效果。其中装备开发、控制平台、方法融合与成像是关键，由过去单方法、单次探测，向多方法、融合随掘随探转变，重点是把TBM岩巷掘进过程中“低频次、长距离、高精度”的需求转变成“高频次、短距离、多覆盖、高精准”，实现安全、精准、智能掘进，进一步提升巷道掘进的工作效率及成效，向TBM掘探一体智能化发展。
具体来说，面对煤炭工业高质量发展要求，就要完善TBM掘探一体化技术体系，实现超前感知、超前预报、超前控制的实时决策。在现有隧道TBM随掘探测的基础上，对观测系统、数据有效提取和地质异常成像等方向进行优化与创新，促进TBM及配套技术装备的升级，发展和完善适合煤矿岩巷TBM随掘探测一体化技术。同时，需要进一步提高装备的耦合程度，实现TBM、探测设备、传感器等有机结合，提升TBM装备的自动化，信息化、智能化水平；需要研发TBM智能化控制及大数据快速处理系统平台，为TBM施工提供最佳掘进参数和超前地质预报智能决策依据，提高TBM施工掘探一体化水平；需要在室内强化1∶1模型推演以及工程实践跟踪探测体系研究，对煤矿巷道施工等条件的背景数据及典型地质异常响应特征进行有效掌控，不断提升成像方法、地质地球物理大数据的效能。通过TBM掘探一体化技术体系的建立，对前方地质模型的精准重建实现实时地质导航，为矿井地质条件透明化及智慧矿山建设作出贡献。
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图 3 槽波模拟信号的质心频率fR及衰减参数Mi
Fig. 3 Centroid frequency of in-Seam wave stimulation signals and Mi
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图 4 1311工作面煤层开采地质简图及透射槽波试验观测系统
Fig. 4 Geological sketch of coal seam mining at 1311 working face, and test observation system of transmission in-seam wave
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图 5 第4共炮点道集的信号fR和Mi
Fig. 5 Signal fR from 4th shot of common shot point gather, and Mi
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6 槽波质心频率衰减和能量衰减成像结果对比
6 Imaging result comparison of in-Seam wave centroid frequency attenuation and energy attenuation
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图 7 基于实测槽波信号的相邻道质心频率层析成像结果
Fig. 7 Frequency tomography results of adjacent channel centroid based on measured in-seam wave signals
表 1 数值模型1物理参数
Table 1 Physical parameters of numerical model 1
介质 纵波波速
vp/(m·s−1)横波波速
vs/(m·s−1)密度
ρ/(kg·m−3)品质因子Q 煤层 1 700 1 000 1 300 50 围岩 3 500 2 000 2 600 150 
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表 2 数值模型2物理参数
Table 2 Physical parameters of numerical model 2
介质 纵波波速vp/(m·s−1) 横波波速vs/(m·s−1) 密度ρ/(kg·m−3) 品质因子Q 煤层 1 700 1 000 1 300 50 围岩 3 500 2 000 2 600 150 异常体(X=390~410 m) 1 000 500 1 000 10
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