巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)

1. 引言

目前，相應(yīng)的在國內(nèi)外使用的巷道超前預(yù)報(bào)預(yù)測設(shè)備主要有：國外的有瑞典生產(chǎn)的TSP203探測系統(tǒng)[1]、美國生產(chǎn)的TRT7000探測系統(tǒng)[2]，俄羅斯生產(chǎn)的TGS-360Pro探測系統(tǒng)[3]等；國內(nèi)的有北京同度工程物探技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TST探測系統(tǒng)[4]、北京市水電物探研究所生產(chǎn)的TGP206探測系統(tǒng)[5]和云南航天工程物探檢測股份有限公司生產(chǎn)的AGI-T3探測系統(tǒng)[6]，以及還有在煤礦井下巷道掘進(jìn)前方作預(yù)報(bào)預(yù)測的MSP探測設(shè)備[7] [8]。這些設(shè)備在使用過程中預(yù)報(bào)預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性還有待提高，主要存在的問題如下：在現(xiàn)有設(shè)備中，基本采用傳感部件與采集部件分開設(shè)計(jì)，也有把傳感部件安裝于鉆孔中，例如，KDZ1114-6B30礦井巷道地質(zhì)探測儀中的孔中傳感器是由三個正交的單分量速度傳感器安裝在鋼管里制作而成[9]。單分量速度傳感器選擇動圈傳感器，頻率響應(yīng)不超過400 Hz，響應(yīng)頻帶窄，工作時，適應(yīng)于豎直安裝，而置入孔中時，動圈傳感器并不是豎直安裝，這大大降低了傳感器靈敏度，有效的微弱信號無法感知。另外，施工時孔中傳感器置于預(yù)先打好的鉆孔中，利用打氣裝置對其打氣把孔中傳感器壓緊在孔壁，采集裝置放在孔外使用信號線纜連接孔中的傳感裝置，施工極其不便，而且有效信號損失比較嚴(yán)重。所以，現(xiàn)有巷道地質(zhì)超前探測設(shè)備在使用過程中無法接收極微弱信號，對斷層、陷落柱、老空等較大構(gòu)造的反射信號反應(yīng)較為明顯，對較小斷層、軟弱結(jié)構(gòu)、溶洞和含水層反映不明顯，特別在電磁波干擾較大、地形復(fù)雜的環(huán)境中，其探測精度和準(zhǔn)確率更是無從談起。

2. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成和功能

2.1. 組成和功能

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)是由“井下”和“地面”兩大部分組成的。其中，井下部分主要是由1個無線主機(jī)、3個無線探頭、1個無線觸發(fā)器、1個震源銅錘、1個錘墊、1根觸發(fā)信號線以及其它配件(如：蜂鳴器等)組成。主要功能是進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和存儲，井下設(shè)備都是本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，并且通過了國家煤礦安全機(jī)構(gòu)的防爆性能檢測和安全認(rèn)證。地面部分主要是由PC機(jī)、儀器電源適配器(充電器)和分析軟件組成的，其主要功能是對所采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)儲、深度解析、分析處理和形成成果報(bào)告文件，亦即預(yù)報(bào)結(jié)果。預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)如圖1所示。

Figure 1. Schematic diagram of the high-precision borehole seismic prediction system for tunnel excavation

圖1. 巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成示意圖

2.2. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)各部件功能簡介

(1) 無線主機(jī)：在數(shù)據(jù)采集之前，無線主機(jī)可對3個無線探頭進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和命令，同時，在數(shù)據(jù)采集時實(shí)時接收3個無線探頭發(fā)送的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、預(yù)處理以及各種實(shí)時顯示；數(shù)據(jù)采集開始時，通知3個無線探頭(A1、A2、A3)執(zhí)行提前并行數(shù)據(jù)采集；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，可把數(shù)據(jù)無線傳輸給計(jì)算機(jī)；(2) 無線探頭：無線探頭集成了MEMS三分量加速度模塊、數(shù)據(jù)調(diào)理處理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微控制器模塊、WIFI通訊模塊、無線觸發(fā)接收模塊、電源模塊(包括充電電路)、電池以及天線等。當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，3個無線探頭接收到無線主機(jī)的觸發(fā)命令時，同時同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并把采集的地震數(shù)據(jù)傳送給無線主機(jī)；(3) 無線觸發(fā)器：通過觸發(fā)信號線連接安裝在震源銅錘上的蜂鳴器，把震源銅錘激發(fā)蜂鳴片產(chǎn)生的觸發(fā)信號發(fā)送給無線主機(jī)。無線觸發(fā)器有3種觸發(fā)方式：先短后斷觸發(fā)、先斷后短觸發(fā)和外部信號觸發(fā)；(4) 震源銅錘：采用8磅銅錘，激發(fā)產(chǎn)生地震波和觸發(fā)信號為地震數(shù)據(jù)采集提供信號；(5) 錘墊：供震源銅錘激發(fā)時使用；(6) 觸發(fā)信號線：連接蜂鳴器與無線觸發(fā)器；(7) 蜂鳴器：產(chǎn)生觸發(fā)信號。

2.3. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有獨(dú)特和精細(xì)的設(shè)計(jì)風(fēng)格，并應(yīng)用最先進(jìn)的電子技術(shù)，該系統(tǒng)普遍采用高集成度、高精度、低噪聲、低功耗、小封裝器件，在硬件、軟件和設(shè)備組成上加強(qiáng)抗干擾措施，同時，極大限度地簡化常規(guī)地震數(shù)據(jù)采集中所有的模擬電路和數(shù)字電路，這樣，既可以減小硬件電路結(jié)構(gòu)體積，又能避免因模擬器件的閥門效應(yīng)而造成有效信號不可挽回性丟失。其特點(diǎn)如下：

(1) 采用專用模擬–數(shù)字抗干擾設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾中微弱有效信號的采集；

(2) 錘震或炮震探測施工方式可選；

(3) 采用高性能三分量加速度檢波器，提高探測精度及距離；

(4) 同時對反射波、繞射波進(jìn)行反演分析，保證分析成果的準(zhǔn)確度；

(5) 波場分離采用F-K濾波，消除噪聲提高信噪比；

(6) 三維觀測三維成像；

(7) 數(shù)據(jù)通訊可選擇為無線或有線傳輸方式；

(8) 具有遠(yuǎn)程升級功能；

(9) 低通、高通、帶通、陷波四種數(shù)字DSP濾波方式；

(10) 錘震探測距離80 m以上，炮震探測距離150 m以上。

2.4. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

Table 1. Key technical specifications of the high-precision borehole seismic prediction system for tunnel excavation

表1. 巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1. 無線主機(jī)結(jié)構(gòu)簡介

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)無線主機(jī)組成主要包括：主板、液晶顯示、面板、錳酸鋰電池組、無線路由器、WIFI模塊、2.4 G-WIFI天線、外殼、密封圈、電池盒、托架等，如圖2所示為無線主機(jī)外觀示意圖。

Figure 2. Appearance diagram of the wireless host in the high-precision borehole seismic prediction system for tunnel excavation

圖2. 巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)無線主機(jī)外觀示意圖

3.2. 無線探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的無線探頭主要包括：MEMS三分量加速度傳感模塊、信號處理采集模塊、2.4 GHz-WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、1.0GHz無線模擬接收模塊、電源電路、錳酸鋰柱狀電池組、圓柱外殼、圓柱電池盒、推桿、連接部件、天線等。無線探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，外觀圖如圖4所示。

Figure 3. Structural diagram of the wireless probe in the high-precision borehole seismic prediction system for tunnel excavation

圖3. 巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)無線探頭結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 4. Appearance diagram of the wireless host in the high-precision borehole seismic prediction system for tunnel excavation

圖4. 巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)無線主機(jī)外觀示意圖

3.3. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)硬件布置主要是采集到有效的微弱信號。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，本設(shè)計(jì)調(diào)研了目前市場上同類產(chǎn)品的使用狀況，充分了解這些產(chǎn)品應(yīng)用過程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)，在這基礎(chǔ)上進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、反復(fù)試驗(yàn)、步步把關(guān)，克服了其它設(shè)備存在的缺陷，設(shè)計(jì)出優(yōu)良的巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)。其硬件特點(diǎn)如下：

(1) 無線主機(jī)和無線探頭分開設(shè)計(jì)，并利用無線聯(lián)系，避免它們之間因有線聯(lián)系而產(chǎn)生的互相干擾。

(2) 無線主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)簡單，探測時置于巷道空曠處；無線探頭包括FPGA微處理中央單元、高性能MEMS三分量加速度傳感器、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無線觸發(fā)接收電路、無線WIFI通訊電路以及電源電路等，設(shè)計(jì)時把這些電路合理設(shè)計(jì)成模塊板，各板布局得當(dāng)、合理安排，使獲取微弱信號能力最強(qiáng)，抗干擾能力最強(qiáng)。

(3) 無線主機(jī)和無線探頭硬件設(shè)計(jì)是基于最先進(jìn)的強(qiáng)大電子技術(shù)的基礎(chǔ)上完成的，它采用分布式控制、無線傳輸和集中處理方式，核心芯片選用美國Altera公司片上可編程SOPC技術(shù)，F(xiàn)PGA控制人機(jī)對話、機(jī)機(jī)通訊以及相關(guān)的各種算法和控制，F(xiàn)PGA控制信號的放大、去噪、實(shí)時采集和存儲，接著把采集的地震數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行顯示和存儲，最后把有效的地震數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)由后臺分析軟件來處理。

4. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)分析軟件基于所設(shè)計(jì)硬件作為觀測系統(tǒng)，首先對三維波場中縱橫波信號進(jìn)行分離和共接收點(diǎn)信號編排，然后應(yīng)用“F-K”二維波速濾波方法，提取保留掌子面前方的回波信號(負(fù)速度)，濾除巷道側(cè)面及其它方向的干擾信號；接下來進(jìn)行圍巖速度掃描分析，確定圍巖的速度分布；最后是在圍巖波速的基礎(chǔ)上，應(yīng)用觀測到的縱橫波信號進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的偏移成像。該系統(tǒng)通過上述系列處理過程即可解決波場分離和速度分析問題，具有先進(jìn)水平。

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括嵌入式軟件、初始化軟件、信號調(diào)理和處理軟件、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制軟件、數(shù)據(jù)存取控制軟件、觸發(fā)信號處理軟件、通訊控制軟件、電源管理監(jiān)控軟件以及檢測警示軟件。

5. 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用

巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于探測巷道前方150米以內(nèi)軟弱帶、破碎帶或裂隙發(fā)育情況以及探測巷道前方斷層、陷落柱、采空區(qū)或賦水情況等。預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，可以有效解決巷道在掘進(jìn)過程中存在的安全隱患，在礦井安全生產(chǎn)預(yù)測預(yù)報(bào)中起著重要作用。自巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)上市以來，應(yīng)用次數(shù)超過百例，預(yù)測預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率超過90%，帶來較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

探測案例：

(1) 現(xiàn)場施工：本施工案例為在山西潞安集團(tuán)某礦工作面巷道掘進(jìn)前方進(jìn)行探測，進(jìn)一步了解工作面前方的地質(zhì)情況。在布置中，左右兩側(cè)各布置12個間距2 m的錘擊點(diǎn)，其中錘擊點(diǎn)距掌子面最近5 m左右，錘擊點(diǎn)距檢波器1為5 m左右，錘擊點(diǎn)距檢波器2為5 m左右，檢波器1、檢波器2在同一個平面上。

(2) 探測結(jié)果(如圖5所示)：①在掘進(jìn)頭前方24 m附近有反射界面，推測為陷落柱局部裂隙較發(fā)育及巖層變化影響所致。實(shí)際情況在20 m處發(fā)生巖性變化，泥巖變砂巖；②在60 m附近為異常界面二，推測為陷落柱中部裂隙及巖層變化影響所致；③在98~108 m范圍為異常帶三，推測為陷落柱邊界，煤巖層變化影響所致。以上結(jié)果在后期施工過程得到驗(yàn)證。

Figure 5. 3D prediction results diagram

圖5. 三維預(yù)測預(yù)報(bào)成果圖

6. 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了巷道掘進(jìn)中孔中地震高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)以及在應(yīng)用過程中的驗(yàn)證，其有益效果在于：

(1) 采集部件與振動傳感部件各自獨(dú)立而集成一體，避免線纜連接易受到外部電磁波干擾，增強(qiáng)采集極弱信號的能力。

(2) 啟動觸發(fā)信號和數(shù)據(jù)均采用無線傳輸，沒有線纜受損而影響施工的問題，數(shù)據(jù)采集完成后立即被數(shù)字化保存并進(jìn)行無線傳輸，不受環(huán)境干擾。另外，無線主機(jī)與無線探頭因采用無線傳輸而沒有線纜連接，無線主機(jī)對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生不了干擾，簡化施工復(fù)雜度，減少工作量，提高了采集極弱信號的能力和探測效率。

(3) 探測施工時，無線探頭埋在鉆孔中，不受外部環(huán)境影響，降低外部干擾，提高了采集數(shù)據(jù)分辨率，而且埋在孔中的傳感器，與被測介質(zhì)耦合得更好，更容易感知微弱的地震信號。

綜上所述，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在巷道掘進(jìn)中的地震勘探，對高精度、高靈敏度以及準(zhǔn)確率的需求，與目前同類產(chǎn)品相比具有更高的穩(wěn)定性和探測準(zhǔn)確性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

NOTES

*通訊作者。