CN104880729B - 一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，其具体步骤为：(1)建立槽波探测观测***；(2)震源采用锤击，锤击点位于检波器J2和检波器J3的中部；(3)反射槽波能量包络的提取；(4)通过反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演反射界面的位置；(5)利用连续跟踪探测对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上进行对比分析推断异常构造的位置；只需一个锤击点就可进行测试，而且测量精准度高，便于及时指导现场安全掘进。

Description

一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法

技术领域

本发明涉及一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，属于煤巷超前探测技术领域。

背景技术

我国是一个以煤炭为主要能源的国家，而且我国煤矿开采条件非常复杂，受水害、冲击地压、煤与瓦斯突出、地质断层、地温等多种自然灾害困扰。各种灾害日趋显现，煤矿安全问题日益突出，井下伤亡等矿难事故频发，严重制约着煤矿工业的安全生产。这些矿井灾害主要与煤矿地质构造有关，而在煤巷掘进时，经常遇到采空区、断层、陷落柱等异常构造，严重制约着煤巷的掘进进度，因此，预测预报煤巷前方异常构造对于安全掘进起着十分重要的现实意义。

目前煤矿主要的超前探测手段是采用钻探进行探测，但钻探施工效率低且存在一孔之见的局限，如果施工不当还可能导致瓦斯***及突水等事故。在这种背景下，地球物理方法最近几年得到突飞猛进的发展；目前在煤巷进行超前预报的地球物理方法主要包括地震类、电磁法类及其他类技术，其中用于煤巷前方构造探测主要采用地震类方法，如MSP技术、RTSP技术等；但MSP、RTSP技术通常需要在左右帮布置大量炮孔或锤击点及三分量检波点，施工时间长，后续处理步骤多，不利于及时指导掘进工作，并影响掘进工作进度。另外目前虽有通过反射槽波进行异常构造超前探测的方法，但是其探测过程是通过接收的反射槽波，然后检测出反射槽波的最大振幅及其所对应的时间，进而得出探测前方的异常构造；但是由于煤巷内环境比较复杂，导致接收的反射槽波的波形会受影响相互叠加，这样对后续检测出最大振幅比较困难，无法有效地检测出异常构造的位置。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，只需一个锤击点就可进行测试，而且探测精准度高，施工时间短，后续处理简单，便于及时指导现场安全掘进。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，其具体步骤为：

(1)建立槽波探测观测***：

在煤巷左帮布置一个检波器J1，距迎头0～35m；在煤巷迎头处布置两个检波器J2和检波器J3，检波器J2距左帮0～2m，检波器J3距右帮0～2m；在煤巷右帮布置一个检波器J4，距迎头0～35m；四个检波器均布置在煤层中部；

(2)震源采用锤击，锤击点位于检波器J2和检波器J3的中部；四个检波器将锤击后检测到的地震波数据存储在主机中；

(3)反射槽波能量包络的提取：

Ⅰ、对上述检测到的原始地震波数据进行归一化处理，包括振幅恢复、道间平衡和道内平衡；

Ⅱ、通过频谱分析和频散分析确定地震波信号的主频和频宽；

Ⅲ、对归一化的地震数据进行带通滤波；

Ⅳ、对滤波后的数据进行静校正；

Ⅴ、对静校正后的数据进行时频分析后，可以得到四个检波器的四道信号的时间(T)、频率(F)和能量(P)的对应值；

Ⅵ、对上述的四道信号的能量进行叠加，即将二维平面内相同点(T,F)对应的能量P值相加，完成一次反射槽波能量包络的提取，同时得出反射槽波能量包络所对应的时间t；

(4)根据反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演波阻抗界面的位置，其位于探测位置前后s＝v*t/2处；根据煤矿井巷掘进尺度，，每隔10～80m进行重复步骤(2)和(3)；得出多次反射槽波能量包络所对应的时间；

(5)通过连续跟踪探测，对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上进行对比分析，得出波阻抗界面的位置，即异常构造的位置，具体如下：

设第一次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T1；第二次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T2，两次探测掘进距离为S，槽波在煤层中传播的速度为V，则：

若则第一次探测前方处存在波阻抗界面，即异常构造；若则第一次探测后方处存在波阻抗界面，即异常构造；若则说明反射的能量包络来自顶底板；

综上所述，通过对巷道不同位置处连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时间和空间上的关系来预测波阻抗界面即异常构造的位置。

与现有技术相比，本发明基于反射槽波信号并采用能量包络进行预测，当在煤层中激发地震波时，由于顶、底板围岩速度明显高于煤层中地震波的传播速度，当地震波入射角大于临界角时会发生全反射，经过多次全反射混合叠加，在煤层中形成槽波，槽波作为一团能量束缚在煤层中传播。如果遇到异常构造，槽波就会在分界面发生反射，通过反射槽波能量包络对应的时间来反演波阻抗界面(即异常构造)距探测位置的距离，并通过对巷道连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时间和空间上的关系来预测异常构造的具***置；只需一个锤击点就可进行测试，由于锤击后地震波的能量主要在煤巷内，因此测定反射槽波的能量包络，可得出异常构造的位置；其测量精准度高，后续处理简单，便于及时指导现场安全掘进。

附图说明

图1是本发明的槽波超前探测观测***图。

图2是本发明的槽波跟踪探测示意图。

图3是本发明的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的具体步骤为：

(1)建立槽波探测观测***：

在煤巷左帮布置一个检波器J1，距迎头0～35m；在煤巷迎头处布置两个检波器J2和检波器J3，检波器J2距左帮0～2m，检波器J3距右帮0～2m；在煤巷右帮布置一个检波器J4，距迎头0～35m；四个检波器均布置在煤层中部；

(2)震源采用锤击，锤击点位于检波器J2和检波器J3的中部；四个检波器将锤击后检测到的地震波数据存储在主机中；

(3)反射槽波能量包络的提取：

Ⅰ、对上述检测到的原始地震波数据进行归一化处理，包括振幅恢复、道间平衡和道内恢复；

a、振幅恢复：通过震源激发产生地震波后，由于地震波在地下介质中的扩散，以及地下介质对地震波的吸收作用，使得四个检波器所接收到的反射振幅减小。为了使反射振幅与介质的反射层的特点实际结合，需要进行振幅恢复处理，具体方法如下：

设地下介质均匀，则距震源r处地震波的振幅A为：

式中

A0—是无扩散、无吸收影响的真振幅值；

1/r—是地震波的扩散因子；

β—是介质的吸收系数；

t—为接收的反射振幅的旅行时间；

经上式逆推反射波的原始振幅值A₀

A₀＝Are^βt (2)

根据反射波实际旅行路径r＝vt，v是地震波在介质中传播的平均速度，则有：

A₀＝Avte^βt (3)

由式(3)可恢复反射波的振幅；

b、道间平衡

地震记录上反射能量随炮检距加大而衰减，另外也可能因为激发及接收条件的差异，使道与道之间的能量不均衡；而共深度点叠加时，会因能量不均衡形成不等灵敏度叠加，影响叠加效果，此时，进行与动平衡相似的处理，将各道乘上不同的权后输出，能量小的道乘以大权，能量大的道乘以小权，以使各道的能量达到均衡。具体方法如下：

设待均衡的记录道数为m道，其总的平均振幅为

每道的平均振幅为

式中i为道序号，j为道内采样点序号，n为记录道内采样点总个数，f_i,j为第i道第j点均衡前的振幅值；

由以上公式可计算出第i道上的权系数

对第i道的每个采样点来说，W_i是个常数，第i道均衡后的振幅为

F_i,j＝W_i×f_i,j

对每道记录都按上述方法处理，就完成了道间平衡处理；

c、道内平衡

把道中能量强的波相对压缩到一定的比例，再把能量弱的波相对增加到一定的比例，把弱波和强波的振幅控制在一定的动态范围之内。

设待均衡的记录道全长为N个采样点，将它均分成K段，每段为2M+1个采样点，设E_i为每段内的平均振幅

式中：

f_i—待均衡的振幅值

m—每个记录段内采样点顺序号

i—整道记录采样点顺序号

用平均振幅的倒数作为权系数，则均衡处理后的振幅为：

F_i＝W_i*f_i*C

上式中，C称为道内平衡系数，为常数，调整振幅值的显示幅度；

Ⅱ、通过频谱分析和频散分析确定地震波信号的主频和频宽；

A、频谱分析

通过傅立叶变换，将信号的幅值以频率的形式表示，分析其频率特性，求得地震波的主频，具体如下：

傅立叶变换：

使用计算机Matlab软件对信号进行频谱分析，进而通过频谱图读取信号的主频和频宽；

B、通过对SH型槽波相速度和群速度的频散分析，求得地震波的理论主频，具体如下：

SH型槽波相速度的频散曲线控制方程：

SH型槽波群速度的频散曲线控制方程：

式中，f是频率，d是煤层厚度的一半，c是SH型槽波在煤层中传播的相速度，β是S波在煤层中的传播速度，β_rf是S波在岩层中的速度，μ_c是煤层的剪切模量，μ_rf是顶底板的剪切模量；

C、通过步骤A和步骤B分别得到地震波的主频，取其平均值作为带通滤波的中心频率ω₀；

Ⅲ、对归一化的地震数据进行带通滤波，中心频率为ω₀，频宽从频谱图中读取；

Ⅳ、对滤波后的数据进行静校正；

如图1在观测***中，共炮点的4道检波器的位置不同，接收到的信号会有时差，在地震记录上将这些时差从观测时间中去掉，使测得的地震数据表现为同一水平面上；

Ⅴ、对静校正后的数据进行时频分析，可以得到四个检波器的四道信号的时间(T)、频率(F)和能量(P)的对应值；

时频分析用来分析信号中频率分量和时间分量之间的关系；能够反应任意时刻频率的密度或强度；

基于连续小波变换的时频分析设计：

在构建连续小波变换时，Morlet小波是母波函数。

Morlet小波的函数方程：

式中，为小波容许准则，C_σ为归一化常数，其定义如下：

Morlet小波所对应的傅立叶变换为：

中心频率ω_ψ是由Morlet小波所对应的傅立叶变换的最大值所决定的，这个中心频率的解为：

参数σ决定了时域和频域之间的关系，对于煤层中的槽波，波形频率随时间变化很快，因此，σ不能取很小的值。当限制条件σ>5时，κ_σ会变得很小，近似于0，则式(5.1)变为：

这里σ为无量纲频率，这里取σ＝π(2/ln2)^1/2＝5.336满足允许条件，C_σ为归一化常量，这里C_σ＝1。Morlet小波的傅立叶变换为：

为了确保信号之间在每一个缩放因子s下的Morlet变换具有可比性，需要将每一个缩放s下的小波函数做归一化处理，使其具有相同的单位能量，其公式如下所示：

在每个缩放因子s下，有

N为频率因子。

Ⅵ、对上述的四道信号的能量进行叠加，即将二维平面内相同点(T,F)对应的能量P值相加，当T＝T1＝T2＝T3＝T4，F＝F1＝F2＝F3＝F4时，求P＝P1+P2+P3+P4；完成一次反射槽波能量包络的提取，同时得出反射槽波能量包络所对应的时间t；

(4)根据反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演波阻抗界面的位置，其位于探测位置前后s＝v*t/2处(v-槽波在煤层中的速度)；根据煤矿实际掘进尺度，每隔10～80m进行重复步骤(2)和(3)；得出多次反射槽波能量包络所对应的时间；

(5)利用连续跟踪探测对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上进行对比分析推断出波阻抗界面的位置，即异常构造的位置，具体如下：

设第一次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T1；第二次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T2，两次探测掘进距离为S，槽波在煤层中传播的速度为V，则：

若则第一次探测前方处存在波阻抗界面，即异常构造；若则第一次探测后方处存在波阻抗界面，即异常构造；若则说明反射的能量包络来自顶板或底板；

综上所述，通过对巷道不同位置处连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时间和空间上的关系来预测波阻抗界面即异常构造的位置。

Claims (1)

1.一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，其特征在于，其具体步骤为：

(1)建立槽波探测观测***：

在煤巷左帮布置一个检波器J1，距迎头0～35m；在煤巷迎头处布置两个检波器J2和检波器J3，检波器J2距左帮0～2m，检波器J3距右帮0～2m；在煤巷右帮布置一个检波器J4，距迎头0～35m；四个检波器均布置在煤层中部；

(2)震源采用锤击，锤击点位于检波器J2和检波器J3的中部；四个检波器将锤击后检测到的地震波数据存储在主机中；

(3)反射槽波能量包络的提取：

Ⅰ、对上述检测到的地震波数据进行归一化处理，包括振幅恢复、道间平衡和道内平衡；

Ⅱ、通过频谱分析和频散分析确定地震波信号的主频和频宽；

Ⅲ、对归一化的地震数据进行带通滤波；

Ⅳ、对滤波后的数据进行静校正；

Ⅴ、对静校正后的数据进行时频分析，可以得到四个检波器接收到的四道信号的时间(T)、频率(F)和能量(P)的对应值；

Ⅵ、对上述的四道信号的能量进行叠加，即将二维平面内相同时间及频率的点对应的能量P值相加，完成一次反射槽波能量包络的提取，同时得出反射槽波能量包络所对应的时间t；

(4)根据反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演波阻抗界面的位置；根据煤矿井巷掘进尺度，每隔10～80m进行重复步骤(2)和(3)；得出多次反射槽波能量包络所对应的时间；

(5)通过连续跟踪探测，对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上进行对比分析，得出波阻抗界面的位置，即异常构造的位置，具体如下：

设第一次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T1；第二次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T2，两次探测掘进距离为S，槽波在煤层中传播的速度为V，则：

若则第一次探测前方处存在波阻抗界面，即存在异常构造；若则第一次探测后方处存在波阻抗界面，即存在异常构造；若则说明反射能量来自顶板或底板；

综上所述，通过对巷道不同位置处连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时间和空间上的关系来预测波阻抗界面即异常构造的位置。