CN106772557A - 利用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法，包括以下步骤：硬件连接与***布置；数据采集；地震数据预处理；数据处理分析和偏移成像；综合地质解释五个步骤，本发明与现有技术相比，本发明的优点有：本发明采用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法能及时预测左右侧工作面和掘进面前方的煤层赋存、地质构造和应力压力等情况，可以有效的控制煤矿地质灾害，减少因地质原因引起的人员伤亡。利用掘进机割煤震动作为震源进行地震探测，不会影响正常生产安排，经济高效；同时，避免使用***，施工更为安全。
Description
技术领域
本发明设计煤矿巷道掘进及采煤技术领域，主要用于探测煤矿巷道掌子面前方的小断层、陷落柱、采空区及冲刷带等地质异常情况，具体涉及一种利用随掘信号探测煤矿巷道各方向的地质构造方法。
背景技术
煤田地面勘探阶段容易遗漏一些小构造，比如煤层中小断层、陷落柱等，这些小构造在煤田普查勘探甚至矿区详查阶段，无论是钻探或是其他地球物理方法，都很难发现，即使增加勘察精度，效果也不明显，而且增大地面勘探精度造成的成本增加巨大，煤层中存在的这些地质构造，如小断层、陷落柱及冲刷带，严重威胁着煤矿安全生产，尤其在煤矿巷道掘进阶段，由于无法提前探明煤层地质条件，煤层中存在的地质构造往往会引起塌方、冒顶、突水及瓦斯突出等生产事故，给煤矿生产造成巨大的经济损失，并严重危害煤矿人员的生命安全，在煤矿巷道掘进期间，提前探测出前方的地质构造分布情况，然后进行合理规划和治理工作，从而可保障煤矿安全生产是煤炭生产企业主要工作之一。
根据资料显示，煤田80％的事故均是发生在采掘过程中，事故发生原因是不清楚掘进巷道四周的地质构造情况所发生的事故，虽然井下槽波地震勘探能很好的探测这些小构造，但是现有的槽波勘探方法存在如下问题：1、只能解决某一个方面的问题，比如探测巷道前方的地质构造，或者是巷道一侧的地质构造，或者是进行掘进开采微震监测；2、现有槽波技术还存在着需要人工激发震源，存在不安全的事故隐患，也耽误煤矿正常掘进开采工作、效率很低下；3.现有技术只是对某一区域做勘探、没有随时间的变化、也无法根据掘进揭露进行修正、准确度无法提升。
发明内容
根据上述阐述，本发明要解决的是提供一种采用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法，该方法在掘进完成的同时完成掘进面两侧及前方的地质构造情况，且不使用任何主动震源，实现连续探测巷道两侧煤层和掘进面前方地质构造，同时可以了解地质构造随着掘进开采推进引起的变化。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种采用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法，包括如下步骤：
1、硬件连接与***布置：在工作面的掘进巷道的左右侧帮、掘进掌子面布置检波器，各个检波器连接采集站，各采集站采用井下统一授时或地面GPS授时；
2、数据预处理：将采集的以掘进机或采煤机截割煤、岩时引起的震动作为震源的地震信号进行解编，并建立观测***；
3、数据采集，参考信号的采集和连续地震记录的干涉处理：利用掘进机或采煤机切割煤、岩时引起的震动作为点震源，将靠近掘进机、采煤机的检波器采集的信号作为参考信号，与其它各地震道数据进行互相关处理等干涉处理，以得到常规的地震记录。
4、数据处理和偏移成像：首先，将经过干涉处理而恢复为常规***震源类型的地震数据进行频率、能量和极化等分析，以获得地震信号的频率、能量和极化等特征参数；其次，通过滤波技术，提高地震记录的信噪比；然后，采用τ-ρ变换和F-K变换进行不同反射波的分离和P波与S波的波场分离；最终，对处理后的地震数据进行速度分析，以确定速度模型，再进行叠前偏移成像，以获得3D偏移成像结果图；
5、综合地质解释：结合已有地质资料和偏移成像结果，根据偏移成像图，开展地震地质解释，解释出不同的反射界面对应的不同的地层界面，最终，分析得出巷道前方及两侧探测范围内的地质构造的空间分布情况。
步骤1中，采集站采用分布式采集站，采用井下恒温晶振走时的方式。
步骤1中，采集站采用集中式采集站，采用线同步的方式保持时间同步。
本发明与现有技术相比，本发明的优点有：
1、本发明采用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法能及时预测左右侧工作面和掘进面前方的煤层赋存、地质构造和应力压力等情况，可以有效的控制煤矿地质灾害，减少因地质原因引起的人员伤亡。
2、本发明采用每次探测工作面侧面距离可达300米，利用连续震源信号能量叠加，掘进面前方探测距离可达100米，其掘进过程就是探测过程，探测效率较以前方法而言大为提高，同时又可以进行微震监测，获得了更多更丰富的掘进过程对巷道顶底板压力变化的信息。
3、利用掘进机割煤震动作为震源进行地震探测，不会影响正常生产安排，经济高效；同时，避免使用***，施工更为安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为煤矿井下随掘全方位地震探测方法原理示意图；
图2为3D含巷道超前探测模型Z＝30m时XY切片示意图；
图3为实际煤矿井下采煤机械震动产生的一段震动信号；
图4为随掘震源下速度y分量合成地震记录；
图5为随掘震源下速度z分量合成地震记录；
图6为速度y分量互相关处理后的地震记录；
图7为速度z分量相关后的地震记录；
图8为45度倾斜界面模型偏移成像3D透射图。
1、反射波示意；2、炮点；3、检波器；4、断层；5、煤体；6、巷道；7、地层一；8、地层二；9、地震测线。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，实施例为一个典型的巷道超前探测3D模型，模型中含有1个巷道，巷道掌子面前方存在一个45度倾斜断层，断层2侧为不同地层岩石。在模型中的巷道2侧布置地震测线，如图2所示的地层一与地层二具***置，通过基于3D弹性波动方程数值模拟，可获得测线位置的3分量地震记录，以用于后续的数据处理和成像方法的说明，该3D超前探测模型的物性参数具体如表1所示。采用基于波动方程的有限差分数值算法进行3D超前探测模型中的地震波波场传播数值模拟，可获得测线上的原始地震记录数据。
表1典型超前探测模型的物性参数
应用本发明提出的利用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质情况的方法，其具体可通过以下步骤实现：
步骤1：通过实际煤矿井下巷道中布置观测***，在工作面的掘进巷道的左右侧帮、掘进掌子面布置检波器，各个检波器连接采集站，各采集站采用井下统一授时或地面GPS授时；
步骤2：数据预处理：将步骤1的以掘进机或采煤机截割煤、岩时引起的震动作为震源的地震信号进行解编，并建立观测***中获得的连续地震记录进行解编；
步骤3：如图5和6所示，参考信号的采集和连续地震记录的干涉处理：利用掘进机或采煤机切割煤、岩时引起的震动作为点震源，将靠近掘进机、采煤机的检波器采集的信号作为参考信号，与其它各地震道数据进行互相关处理等干涉处理，以得到常规的地震记录；
步骤4：数据处理和偏移成像：首先，将经过干涉处理而恢复为常规***震源类型的地震数据进行频率、能量和极化等分析，以获得地震信号的频率、能量和极化等特征参数；其次，通过滤波技术，提高地震记录的信噪比；然后，采用τ-ρ变换和F-K变换进行不同反射波的分离和P波与S波的波场分离；最终，对处理后的地震数据进行速度分析，以确定速度模型，再进行叠前偏移成像，以获得3D偏移成像结果图；
步骤5：结合已有地质资料和偏移成像结果，根据偏移成像图，开展地震地质解释，解释出不同的反射界面对应的不同的地层界面，最终，分析得出巷道前方及两侧探测范围内的地质构造的空间分布情况。
步骤3和4中所陈述的方法的具体原理如下：
(1)步骤3中所陈述的互相关等干涉处理方法，其具体原理如下：
在掘进机附近和巷道侧壁安置传感器，那么钻头附近的传感器(先导传感器)作为参考信号，巷道侧壁的传感器可接收到直达波和反射波信号以及各种强振幅的干扰波(尤其是强相干噪声)。
如果用表示离散钻头噪声信号，表示钻柱的传播响应，掘进机附近传感器接收到的先导信号P(t)可表示为：同理，如果在巷道侧壁布置一条或多条传感器排列，共n道接收，用Gi(t)表示地面第i道(n＝1，…，N)传感器接收到的信号，Ei(t)表示该道的地层传播响应，将先导信号与地面传感器记录作互相关，可得互相关后的记录：
Ei(t)＝P(t)**Gi(t) (1-1)
式中：“**”表示互相关。经反褶积、钻柱传播时间校正等处理后，即可获得与可控震源地面地震勘探单炮记录相类似的随钻地震单炮记录。
(2)步骤4中所陈述的滤波方法可采用τ-p变换技术，其具体数学原理如下：
τ-p变换是Radon变换用于地震资料的一种派生形式，通常称为倾斜叠加，即地震剖面沿着直线t＝τ+px积分(投影)，t表示双程时间，x为偏移距，m(τ,p)表示τ-p域中的倾斜叠加信号，τ＝t-px为截距时间，p＝dt/dx＝1/v为直线斜率，因其为视速度v的倒数，又称为慢度。对于连续排列，和m(τ,p)在t-p正反变换的关系式为：
离散形式为：
式中，N为地震道数，J为p的取值个数。
通过以上所述方法处理以随掘震动信号为震源的地震数据后，可得3D叠前偏移成像图。根据最终获得的叠前偏移后数据的图像，我们可结合相关地质资料，对地震剖面图像进行地质解释，可解释出地质构造的产状及其空间分布范围。其中，地震地质解释方法与地面地震地质解释分析方法相同。从而，通过本发明提供的方案，可利用随掘震动信号为震源进行煤矿掘进巷道各个方向的地震探测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.利用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、硬件连接与***布置：在工作面的掘进巷道的左右侧帮、掘进掌子面布置检波器，各个检波器连接采集站，各采集站采用井下统一授时或地面GPS授时；
步骤二、数据预处理：将采集的以掘进机或采煤机截割煤、岩时引起的震动作为震源的地震信号进行解编，并建立观测***；
步骤三、数据采集，参考信号的采集和连续地震记录的干涉处理：利用掘进机或采煤机切割煤、岩时引起的震动作为点震源，将靠近掘进机、采煤机的检波器采集的信号作为参考信号，与其它各地震道数据进行互相关处理等干涉处理，以得到常规的地震记录。
步骤四、数据处理和偏移成像：首先，将经过干涉处理而恢复为常规***震源类型的地震数据进行频率、能量和极化等分析，以获得地震信号的频率、能量和极化等特征参数；其次，通过滤波技术，提高地震记录的信噪比；然后，采用τ-ρ变换和F-K变换进行不同反射波的分离和P波与S波的波场分离；最终，对处理后的地震数据进行速度分析，以确定速度模型，再进行叠前偏移成像，以获得3D偏移成像结果图；
步骤五、综合地质解释：结合已有地质资料和偏移成像结果，根据偏移成像图，开展地震地质解释，解释出不同的反射界面对应的不同的地层界面，最终，分析得出巷道前方及两侧探测范围内的地质构造的空间分布情况。
2.根据权利要求1所述的利用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法，其特征在于：步骤一中，采集站采用分布式采集站，采用井下恒温晶振走时的方式。
3.根据权利要求1所述的利用随掘信号探测煤矿掘进巷道各方向地质构造的方法，其特征在于：步骤一中，采集站采用集中式采集站，采用线同步的方式保持时间同步。
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