1. 引言

目前，相應(yīng)的在國(guó)內(nèi)外使用的巷道超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)設(shè)備主要有：國(guó)外的有瑞典生產(chǎn)的TSP203探測(cè)系統(tǒng)[1]、美國(guó)生產(chǎn)的TRT7000探測(cè)系統(tǒng)[2]，俄羅斯生產(chǎn)的TGS-360Pro探測(cè)系統(tǒng)[3]等；國(guó)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(cè)系統(tǒng)[4]、北京市水電物探研究所生產(chǎn)的TGP206探測(cè)系統(tǒng)[5]和云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司生產(chǎn)的AGI-T3探測(cè)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(cè)的MSP探測(cè)設(shè)備[7] [8]。這些設(shè)備在使用過(guò)程中預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性還有待提高，主要存在的問(wèn)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(cè)儀中的孔中傳感器是由三個(gè)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(dòng)圈傳感器，頻率響應(yīng)不超過(guò)400 Hz，響應(yīng)頻帶窄，工作時(shí)，適應(yīng)于豎直安裝，而置入孔中時(shí)，動(dòng)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(hào)無(wú)法感知。另外，施工時(shí)孔中傳感器置于預(yù)先打好的鉆孔中，利用打氣裝置對(duì)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(hào)線纜連接孔中的傳感裝置，施工極其不便，而且有效信號(hào)損失比較嚴(yán)重。所以，現(xiàn)有巷道地質(zhì)超前探測(cè)設(shè)備在使用過(guò)程中無(wú)法接收極微弱信號(hào)，對(duì)斷層、陷落柱、老空等較大構(gòu)造的反射信號(hào)反應(yīng)較為明顯，對(duì)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(cè)精度和準(zhǔn)確率更是無(wú)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(gè)無(wú)線主機(jī)、3個(gè)無(wú)線探頭、1個(gè)無(wú)線觸發(fā)器、1個(gè)震源銅錘、1個(gè)錘墊、1根觸發(fā)信號(hào)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，井下設(shè)備都是本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，并且通過(guò)了國(guó)家煤礦安全機(jī)構(gòu)的防爆性能檢測(cè)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(duì)所采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)、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(jiǎn)介

(1) 無(wú)線主機(jī)：在數(shù)據(jù)采集之前，無(wú)線主機(jī)可對(duì)3個(gè)無(wú)線探頭進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和命令，同時(shí)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)實(shí)時(shí)接收3個(gè)無(wú)線探頭發(fā)送的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、預(yù)處理以及各種實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)采集開始時(shí)，通知3個(gè)無(wú)線探頭(A1、A2、A3)執(zhí)行提前并行數(shù)據(jù)采集；現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后，可把數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給計(jì)算機(jī)；(2) 無(wú)線探頭：無(wú)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(wú)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，3個(gè)無(wú)線探頭接收到無(wú)線主機(jī)的觸發(fā)命令時(shí)，同時(shí)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(wú)線主機(jī)；(3) 無(wú)線觸發(fā)器：通過(guò)觸發(fā)信號(hào)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(hào)發(fā)送給無(wú)線主機(jī)。無(wú)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(hào)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(hào)為地震數(shù)據(jù)采集提供信號(hào)；(5) 錘墊：供震源銅錘激發(fā)時(shí)使用；(6) 觸發(fā)信號(hào)線：連接蜂鳴器與無(wú)線觸發(fā)器；(7) 蜂鳴器：產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

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(shí)，極大限度地簡(jiǎn)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(hào)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(hào)的采集；

(2) 錘震或炮震探測(cè)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(cè)精度及距離；

(4) 同時(shí)對(duì)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(chǎng)分離采用F-K濾波，消除噪聲提高信噪比；

(6) 三維觀測(cè)三維成像；

(7) 數(shù)據(jù)通訊可選擇為無(wú)線或有線傳輸方式；

(8) 具有遠(yuǎn)程升級(jí)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(cè)距離80 m以上，炮震探測(cè)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(wú)線主機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

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

3.2. 無(wú)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(wú)線探頭主要包括：MEMS三分量加速度傳感模塊、信號(hào)處理采集模塊、2.4 GHz-WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、1.0GHz無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(hào)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，本設(shè)計(jì)調(diào)研了目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的使用狀況，充分了解這些產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)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(wú)線主機(jī)和無(wú)線探頭分開設(shè)計(jì)，并利用無(wú)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(wú)線主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，探測(cè)時(shí)置于巷道空曠處；無(wú)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(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線觸發(fā)接收電路、無(wú)線WIFI通訊電路以及電源電路等，設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)能力最強(qiáng)，抗干擾能力最強(qiáng)。

(3) 無(wú)線主機(jī)和無(wú)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(wú)線傳輸和集中處理方式，核心芯片選用美國(guó)Altera公司片上可編程SOPC技術(shù)，F(xiàn)PGA控制人機(jī)對(duì)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(hào)的放大、去噪、實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，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(chǔ)，最后把有效的地震數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)由后臺(tái)分析軟件來(lái)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(cè)系統(tǒng)，首先對(duì)三維波場(chǎng)中縱橫波信號(hào)進(jìn)行分離和共接收點(diǎn)信號(hào)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(hào)(負(fù)速度)，濾除巷道側(cè)面及其它方向的干擾信號(hào)；接下來(lái)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(cè)到的縱橫波信號(hào)進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的偏移成像。該系統(tǒng)通過(guò)上述系列處理過(guò)程即可解決波場(chǎng)分離和速度分析問(wèn)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(hào)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(hào)處理軟件、通訊控制軟件、電源管理監(jiān)控軟件以及檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程中存在的安全隱患，在礦井安全生產(chǎn)預(yù)測(cè)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(lái)，應(yīng)用次數(shù)超過(guò)百例，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率超過(guò)90%，帶來(lái)較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

探測(cè)案例：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)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(cè)，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(gè)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(gè)平面上。

(2) 探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程得到驗(yàn)證。

Figure 5. 3D prediction results diagram

圖5. 三維預(yù)測(cè)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(guò)程中的驗(yàn)證，其有益效果在于：

(1) 采集部件與振動(dòng)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(hào)的能力。

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

(3) 探測(cè)施工時(shí)，無(wú)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(cè)介質(zhì)耦合得更好，更容易感知微弱的地震信號(hào)。

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(duì)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(cè)準(zhǔn)確性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

NOTES

*通訊作者。