地质环境超前探测与成像技术研究综述
2022-10-25 20:18:22
admin001
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地质环境超前探测与成像技术研究综述
导读：
地质环境感知对提高巷道掘进作业安全系数和效率具有特别重要的现实意义。本文从超前探测技术和地质成像技术2个方面阐述了该领域的研究进展，对比分析了各种超前探测技术工作原理与应用场合。本文较全面梳理总结了巷道掘进超前探测技术方法，介绍了超前探测新技术新方法研究成果信息。目前，智能化巷道快速掘进已成为发展新趋势，对超前探测技术要求更高，需要创新很多种地球物理探测技术与方法。
内容提纲
0 引言
随着煤矿开采深度的不断增加，煤层的瓦斯爆炸岩层垮塌、突水等地质灾害也时有发生，造成人民生命财产极大损失，也严重制约着煤炭工业的发展。采掘工作是煤矿开采最重要的生产环节，其工作面前端的地质环境直接影响采掘工作的安全程度。因此，深入研究掘进巷道前端的地质环境超前探测、构建地质模型数据等理论技术和方法，对提高掘进作业安全系数和效率具有特别重要的现实意义。本文从超前探测方法和地质成像技术2个方面详细介绍了地质环境识别的研究现状和发展趋势。1 超前探测技术研究进展
自20世纪60年代以来，地质超前探测技术研究工作取得了十足的发展。目前，超前探测方法主要有钻探法和物探法2类。物探法又分为直流电法、瞬变电磁法、探地雷达法、地震波法及其他红外线探测法等。各类探测方法的探测原理及应用状况如表1所示。表1 各类探测方法应用对比
采用钻孔方法确定下伏地层是否存在采空区是最为传统的采空区探测方法。按照探测方式，可分为冲击钻和回转取芯钻。冲击钻是根据钻进速度的变化、钻压、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其他情况获取地质构造；回转取芯钻是通过钻孔取芯鉴定地质构造。该方法探测结果比较直观可靠、操作简单、预报准确度和可信度比较高，但施工周期比较长、探测距离较短，严重影响生产效率。同时，对掌子面前端的小构造水体探测会出现盲区，从而影响探测精度。直流电法又称为电阻率法。该探测技术是使用独立的1个或2~3个单极-多极排列装置进行数据采集，利用人工作图法确定异常地质构造具体位置，属于三维全空间地质探测。常规的直流电法主要有视电阻率法、激发激化法、自然电场法、充电法等。随着计算机技术、电磁学理论不断发展，直流电法在探测方式及数据处理方法方面取得显著成果。对三点源法存在异常体反映信号弱、探测精度低及数据处理与解释技术低等缺陷，戴香华将供电电极从3点增加到7点，即在掘进工作面两侧帮分别等间距布置3个供电电极，在掘进工作面正前方布置1个供电电极，形成七点源法直流探测技术，提高地质和水文的探测准确度。王运彬将水平钻孔和直流电法相结合，即在钻孔内布置探测电极，完成超前钻孔直流电法模型正演研究，有效地避免受巷道内干扰体的影响，使探测电性异常体识别更灵敏，方法更有效。瞬变电磁法作为先进的超前探测方法，其理论研究和实践应用渐趋成熟。因其具有探测距离长、周期短、准确率较高等诸多优点，而被广泛应用于煤矿井下巷道掘进工作面前方的富水异常体探测。在早期研究中，瞬变电磁法主要采用装置有中心回线、重叠回线、大回线、偶极回线等。李好通过坏点剔除、计算视电阻率、时深转换、测点数据扇形化、物探成果图绘制等数据处理技术，实现矿井下含水体超前探测功能。程久龙利用扩散场与波动场间的函数关系，将瞬变电磁波场转换为拟地震波场，实现波场转换，并利用瞬变电磁法合成孔径成像方法提高电性界面信息的信噪比和界面几何分辨率。探地雷达是利用物质的不同介电特性对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁探测技术。近年来，探地雷达应用于地质探测得到了诸多学者的关注。许献磊等设计并开发了一种分体插拔式低频组合天线，应用于地质探测，可有效探测30m以上直径大于准3m的地质灾害源的位置和深度，突破了目前30m探深局限，最大探测深度可达到80m，很好解决了探地雷达技术在矿井灾害源超前探测中存在的探测范围小、精度低的难题。李尧等提出一种改进BP算法，实现对裂隙网络的位置和形态进行成像。LiuCai等提出一种奇异值分解(SVD)方法，解决探地雷达信号随机噪声的去噪与直波消噪问题，通过选择合适的奇异值，支持向量机方法能有效地消除探地雷达数据中的随机噪声和直达波，提高探地雷达数据的质量。Wei Xue等提出了一种新的广义S变换及其参数优化方法来分析探地雷达信号。首先用弹性窗口函数代替S变换的固定窗口函数，然后用时频集中准则对窗口函数的参数进行优化，提高S变换的时频分辨率和适用性。地震波法探测是利用不同岩层物理性质的差异，将地震波在物理介质中通过反射、折射等现象，推断地质成分组成。该技术主要包括TSP技术和TRT技术。TSP技术主要运用地震反射波法原理，探测地质结构和围岩地质状况；TRT技术主要由美国NSA公司开发，采用垂直剖面法的观测方式，利用爆炸震源和加速度型H分量传感器采集地震波数据，并采用克希霍夫数据处理方法实现偏移成像。王长江采用机械能激发地震波的无损方式，应用于隧道地质超前预报，并通过数值模拟和现场试验验证该方法的可行性。刘静武等通过无线电波透视法和震波反射共偏移法2种物探方法技术能力的相互弥补，对宜兴矿工作面内构造发育情况进行探测，提高对回采工作面两巷已揭露构造及工作面内隐伏构造发育情况的探查精度，更好地为工作面的安全高效回采提供有效保障。红外线探测技术是一种非接触式无损探测方法，根据红外辐射场曲线的变化规律，全空间、全方位探查地质异常体。当掌子面前方存在含水构造时，红外辐射场的曲线出现数据突变；反之，数据曲线近似为1条直线。因该方法存在预报距离短、受现场施工影响大、预报结果简单等缺点，同时不能定量推测水压、水量、水体宽度及其准确位置。因此，其应用于隧道地质超前预报中进行突水预测是一种新的尝试。2 地质成像技术研究进展
随着数据处理技术和计算机图像图形学的发展，以地质原始数据为基础，运用地质成像技术建立能够反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律的数字化模型。该技术既能充分有效地利用多源数据，又减少了大量野外填图工作量，打破了传统平面地质图的限制，实现三维立体地质成像。钻孔成像技术是利用光学成像原理直接勘测钻孔内地质构造的结构和成分，其发展历程经历了钻孔照相、钻孔摄像和三维可视化钻孔成像3个阶段。钻孔照相是根据照相原理，通过微型照相机拍摄钻孔内部地质的图片资料获得地质信息；钻孔摄像通过摄像探头、深度计数器和摄像机等元器件组成成像仪进行摄像，形成钻孔内全景成像；三维可视化钻孔成像即数字式光学成像，建立原图像与全景图像的变换关系，并通过数字图像处理技术实现全景图像的逆变换。目前，应用于医学成像的基于超声波合成孔径技术(SAFT)也逐步应用于地质勘测成像领域，加强钻孔岩壁的特殊区域显示，有效克服分辨率低和噪声干扰的影响，提高钻孔图像的分辨率和图像质量。地震波成像技术是认识地球内部结构，实现资源勘探的最新、最有力的工具，主要分为层析成像和偏移成像。地震波层析成像是用地震波数据来反演地下介质的物质属性，并逐层分析，绘制其图像的技术。张波采用衰减层析成像技术研究地震波在煤层中传播规律、煤层模型的建立以及煤层中小构造对波场的影响，得出波场变化特征，为煤矿小构造的勘探提供一定理论依据。刘兆勇等采用TRT地震波三维成像技术对隧道工作面前方围岩工程地质和水文地质的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报。白明洲等以TRT系统的特点及其存在的问题为切入点，提出相应的改进方法和多频次TRT成果图像。地震波偏移成像实质为在一定的数学、物理模型，如声介质，弹性介质等的基础上，应用地震波理论，将在地面观测得到的数据反传，以消除地震波的传播效应，进而获得模型分布图像的过程。宋亮等在各向同性介质偏移成像基础上，考虑各向异性介质参数信息，推导出适用于VTI介质裂步傅里叶波场延拓算子，实现VTI介质叠前深度偏移成像。近年来，极化成像和散射成像逐渐应用于矿井掘进工作面超前探测地震成像。极化成像主要有贝叶斯压缩感知算法、三分量极化偏移成像算法、激发极化法反演成像法等，使得成像质量得到显著提高。散射成像利用散射效应实现透过散射介质或复杂介质成像，具有超分辨的特性。方修政等提出基于逆散射成像条件(ISC)的最小二乘逆时偏移方法，成像质量得到显著提高。郭继坤等提出了一种基于Born近似的逆散射成像算法，实现精确重建目标物的相关信息。金红娣等提出基于惠更斯原理的散射成像方法，充分利用地震信号的全波场信息，通过绕射扫描叠加方法、基于等效偏移距成像方法和散射成像方法3种方法的对比，验证了散射成像方法应用于巷道超前探测的可行性。程久龙等提出基于共散射点等效偏移距的叠前时间偏移成像方法，研究该方法在倾斜界面尤其是产生绕射波部位的界面有更好的成像效果，为矿井掘进工作面超前探测提供了新的思路。3 结语
（1）在超前探测技术方面，理论趋于成熟。但由于地质复杂、环境非常恶劣，单一的探测方法不能够全面地进行全空间矿井地质构造的判断。因此，钻物探相结合和综合物探技术仍然是地质结构探测的研究趋势，以克服单一地球物理场勘探方法的局限性，降低其多解性，提高探测精度。（2）在地质成像技术方面，各类探测方法的成像过程及物理模拟和数值模拟取得了显著成果，但是对钻探物探相结合和综合物探技术联合反演研究较少，缺少适用于联合物探方法的正演模拟、物理模拟和数据处理方法。因此，有必要对钻探物探一体化的基础理论与新技术新方法进行深入研究，同时结合物理模拟实验，建立空间三维立体观测系统，设计联合反演算法，进一步提高地质小构造探测精度和探测效率。原文来源：煤炭技术
作者简介：王力，南京理工大学 紫金学院 智能制造学院副教授，博士研究生，主要研究方向：掘进巷道环境感知技术研究.