CN103217719B - 基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法，该方法包括煤巷迎头底板位置布置一个炮点并激发地震波、确定断失翼煤层断点绕射波波列、选择绕射波波列中振幅值最大的一个周期的绕射波并计算该绕射波的主极化方向 、绘制以检波点为端点并与检波点水平线逆时针夹角为的射线、在上述周期长度绕射波中找出最大振幅值对应的时间、画出以检波点为圆心并以为直径的弧线、取出射线与弧线交点即为断失翼煤层断点位置。该方法不仅可以利用断失翼煤层断点绕射波主极化方向、振幅两种动力学特征信息进行超前预报，而且探测准确，易于操作，填补了矿井下采用地球物理方法探测断失翼煤层方法的空白，给矿井施工带来了很大的便利。<b/>

Description

基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法

技术领域

本发明涉及一种断失翼煤层的探测方法，尤其是基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法。

背景技术

在煤层赋存不规律矿井煤巷掘进过程中，通常存在因无法判定断失翼煤层位置而导致的无效巷道进尺及盲目施工钻孔，严重影响巷道掘进效率和安全，其中在云、贵、川、湘、赣及豫地区尤为突出，因此研究快捷有效的方法进行超前探测断失翼煤层位置就显得十分必要。目前在巷道进行的地球物理方法主要包括电磁法类、地震类及其他类物探技术，针对地质构造超前探测主要采用地震类方法；此类方法多借鉴隧道地震超前探测技术，如TSP及TRT，但该类技术检波点及炮点布置多，不利于现场快捷施工；在该背景下，提出一种单一检波点及炮点的简单易行的观测***，并基于该观测***接收地震信号，运用地震信号进行断失翼煤层位置判定显得非常迫切。

根据煤田地震勘探原理，因断层错开的断失翼煤层断点位置会产生绕射波，由于煤层与围岩波阻抗差异明显，绕射波信号通常振幅能量很强，从运动学特征上易于识别，故在现场探测时可利用断点绕射波信号反演断失翼煤层断点位置；需要指出的是，反演过程中需要利用顶或底板岩层纵波速度v，而该速度利用常规地震手段便可获取，确定了断点位置便可判断清楚断失翼煤层，从而可指导现场安全掘进。

发明内容

为了解决在煤层赋存不规律的矿井中无法判定断失翼煤层位置的问题，本发明提供一种基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法，该方法不仅可以利用断失翼煤层断点绕射波主极化方向、振幅两种动力学特征信息进行超前预报，而且探测准确，成本低，易于操作，填补了矿井下采用地球物理方法探测断失翼煤层方法的空白，给矿井施工带来了很大的便利。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法其具体步骤为：

(1)煤巷迎头底板位置布置一个炮点，激发地震波，在炮点正后方20m处布置一个具有X、Z两分量的检波点，在巷道布置的地震仪可获取地震记录；

(2)根据地震波传播时间的先后顺序，地震记录中可确定X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列；

(3)比较X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列中的振幅值，选择振幅值最大的一个周期长度的绕射波；

(4)计算步骤(3)周期长度绕射波(n采样点*采样间隔)的主极化方向β₁，包括的步骤有：

1)计算n个采样点X分量振幅平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{X}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i$

2)计算n个采样点Z分量振幅平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{Z}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_i$

3)构建矩阵

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\end{array}\right]$

4)求矩阵的主特征向量(b₁,b₂)，得出检波点水平线顺时针夹角β₁：

${\mathrm{\&beta;}}_1=\arctan \left|\frac{b_2}{b_1}\right|$

(5)绘制以检波点为端点，检波点水平线顺时针夹角β₁的射线L₁；

(6)从步骤(3)周期长度绕射波中确定最大振幅值对应的时间t，求解直径R，R＝v×t，式中v为顶或底板岩层纵波速度；

(7)以检波点为圆心，以R为直径画弧线L₂，则射线L₁与弧线L₂交点即为断失翼煤层断点位置，该位置即为断失翼煤层位置。

本发明的有益效果是，该方法不仅可以利用断失翼煤层断点绕射波主极化方向、振幅两种动力学特征信息进行超前预报，而且探测准确，成本低，易于操作，填补了矿井下采用地球物理方法探测断失翼煤层方法的空白，给矿井施工带来了很大的便利。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的观测***布置图。

图2是X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列分布示意图。

图3是断失翼煤层断点绕射波周期时窗示意图。

图4是L₁射线示意图。

图5是确定绕射波波列最大振幅值对应时间t示意图。

图6是L₁射线与L₂圆弧交汇示意图。

具体实施方式

在图中，该基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法其具体步骤为：

(1)煤巷迎头底板位置布置一个炮点，激发地震波，在炮点正后方，每20m处布置一个具有X、Z两分量的检波点，在巷道布置的地震仪可获取地震记录，观测***布置如图1，图中向右为掘进方向；

(2)根据地震波传播时间的先后顺序，地震记录中可确定X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列，如图2所示；

(3)比较X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列中的振幅值，选择振幅值最大的一个周期长度的绕射波，如图3中，选取33.4ms-35.9ms时窗的地震波形；

(4)计算步骤(3)周期长度绕射波(n采样点*采样间隔)的主极化方向β₁，包括的步骤有：

1)计算n个采样点X分量振幅平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{X}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i$

2)计算n个采样点Z分量振幅平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{Z}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_i$

3)构建矩阵

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\end{array}\right]$

4)求矩阵的主特征向量(b₁,b₂)，得出检波点水平线顺时针夹角β₁：

${\mathrm{\&beta;}}_1=\arctan \left|\frac{b_2}{b_1}\right|$

(5)绘制以检波点为端点，检波点水平线顺时针夹角β₁的射线L₁，如图4所示；

(6)从步骤(3)周期长度绕射波中确定最大振幅值对应的时间t，如图5所示，求解直径R，R＝v×t，式中v为顶或底板岩层纵波速度；

(7)以检波点为圆心，以R为直径画弧线L₂，如图6所示，则射线L₁与弧线L₂交点即为断失翼煤层断点位置，该位置即为断失翼煤层位置。

Claims (2)

1.基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法，其特征在于，该方法的步骤包括，煤巷迎头底板位置布置一个炮点，激发地震波，在炮点正后方20m处布置一个具有X、Z两分量的检波点，在巷道布置的地震仪可获取地震记录；根据地震波传播时间的先后顺序，地震记录中可确定X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列；比较X、Z分量断失翼煤层断点绕射波波列中的振幅值，选择振幅值最大的一个周期长度的绕射波；计算该周期长度绕射波的主极化方向；绘制以检波点为端点，检波点水平线顺时针夹角的射线L₁；在上述周期长度绕射波中找出最大振幅值对应的时间t，求解直径R，R＝v×t，式中v为顶或底板岩层纵波速度；以检波点为圆心，以R为直径画弧线L₂，则射线L₁与弧线L₂交点即为断失翼煤层断点位置，该位置即为断失翼煤层位置。

2.根据权利要求1所述的基于单一炮检对观测***的煤巷超前探测断失翼煤层的方法，其特征在于，所述计算一个周期长度的绕射波的主极化方向β₁包括的步骤有，计算n个采样点X分量振幅平均值：计算n个采样点Z分量振幅平均值：构建矩阵

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\end{array}\right]$

求矩阵的主特征向量(b₁,b₂)，得出检波点水平线顺时针夹角β₁：

${\mathrm{\&beta;}}_1=\arctan \left|\frac{b_2}{b_1}\right|.$