CN106772637B - 一种煤矿井下基于槽波的超前探测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于槽波超前探测TVSP扫描方法，包括直达槽波和反射槽波波场分离；直达槽波和反射槽波埃里相峰值差别较大的拾取点进行剔除；计算埃里相速度v_a；扫描震源到断层垂直距离h和断层走向角α；利用公式得到最终巷道中心线前方断层点位置d_c步骤，本发明有益点为充分利用直达槽波和反射槽波的埃里相信息，可有效的探测煤层中发育的小断层等地质构造，且探测距离远、分辨率高、抗干扰能力强；计算效率高、速度快、定位结果准确，可有效的减少巷道面波和绕射波的影响。

Description

一种煤矿井下基于槽波的超前探测方法

技术领域

本发明属于煤矿巷道掘进的矿井安全技术领域，主要用于精确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，具体涉及一种煤矿井下基于槽波的超前探测方法。

背景技术

煤层中存在的地质构造，如小断层、陷落柱及冲刷带等，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。

目前，用于煤矿巷道超前探测的地球物理方法包括电法和地震法类，其中电法类包括直流电法、瞬变电磁法和地质雷达法，直流电法技术体系较为成熟，但是探测效果仍存在争议；瞬变电磁法超前探测是准全空间探测，对低阻体较为敏感，但是由于电磁干扰、全空间效应、体积效应及探测盲区等影响，探测精度和效果存在争议；地质雷达法探测距离近，且受电磁干扰影响较大。地震法类包括：1、岩巷中基于体波的超前探测方法，其理论和应用较为成熟，探测距离远且精度高，主要应用于隧道工程；2、煤巷中基于槽波的超前探测方法正处于进一步发展和完善中，其能够有效的、精确的探测煤层中的小断层，因此，煤巷槽波超前探测方法能够更有效的解决煤矿巷道掘进中的地质问题，从而有效的保障煤矿安全生产。

发明内容

根据上述阐述，本发明的目的在于提供一种基于槽波的煤巷超前探测TVSP扫描方法，在煤矿井下煤层中的掘进巷道中，此方法可有效的、准确的确定出掌子面前方断层的位置。

本发明提出的基于槽波超前探测TVSP扫描方法，其技术原理为：首先，分别拾取直达槽波和反射槽波每一道的埃里相峰值旅行时间，拟合直达槽波埃里相旅行时间，计算得到槽波埃里相传播速度；然后，通过同时扫描断层走向角和震源到断层垂向距离，拟合反射槽波的埃里相旅行时间，以确定最佳的反射波时距曲线，最后利用反射波时距曲线与直达波时距曲线的交点来确定前方断层(反射界面)的位置。

本发明提供如下的技术方案：

一种基于槽波超前探测TVSP扫描方法，包括以下步骤：

1、直达槽波和反射槽波波场分离，对槽波地震记录分别进行F-K正视速度和负视速度滤波，以得到直达槽波记录和反射槽波记录；

2、拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值走时，对直达槽波和反射槽波记录各道分别进行多次滤波技术分析，拾取各道埃里相时间，并对差别较大的拾取点进行剔除；

3、计算埃里相速度v_a，估计震源到断层垂直距离h，对拾取的直达槽波埃里相峰值时间利用最小二乘法线性拟合确定时距曲线方程，从而得到埃里相传播速度v_a；获取震源位置处或附近地震道反射槽波埃里相峰值时间T₁，利用公式h＝T₁v_a/2，估计震源到断层垂直距离h；

4、扫描震源到断层垂直距离h和断层走向角α，h和α的范围大小以反射槽波时距曲线扫描区域覆盖反射槽波埃里相峰值时间为宜；

5、扫描完成后得到反射槽波拟合残差D关于α和h的二维图像，从图中可以得到最小残差D_min的位置，确定最优的α_s和h_s值。

6、确定巷道中心线前方断层点位置d_c，把得到的α_s和h_s值代入式计算得到d_s；利用公式δ＝ω|tanα|计算***误差δ，然后利用式d_c＝d_s+ω|tanα|得到最终巷道中心线前方断层点位置d_c。

上述技术方案中，所述步骤四中，h扫描范围一般选取震源到断层垂直距离h附近值，α扫描范围可以根据反射波弯曲程度进行选择。

本发明中，发明人利用煤层中产生并传播的槽波所具有频率高、能量强、传播距离远，且遇到煤层中小构造时槽波波场响应特征较为明显的特点，提出本发明的技术方案，其有效的克服了槽波频散引起的埃里相时间拾取不准确问题，合理的避开了巷道面波和巷道前方产生的绕射波的强烈干扰，可以有效的、准确的定位煤巷前方的小断层的位置。

本发明与现有技术相比，本发明的优点有：

1、充分利用直达槽波和反射槽波的埃里相信息，可有效的探测煤层中发育的小断层等地质构造，且探测距离远、分辨率高、抗干扰能力强。

2、通过扫描震源到断层垂直距离h和断层走向角α和计算反射槽波拟合残差的方法，有效的克服了由于频散现象导致的槽波埃里相走时时间确定不准确的问题，从而提高了槽波超前探测的适用性和准确性。

3、与基于体波的超前探测方法相比，本发明的技术方案计算效率高、速度快、定位结果准确。

4、本发明的技术方案选用垂直分量(Z分量)记录来进行槽波超前探测数据处理，可有效的减少巷道面波和绕射波的影响。

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为槽波超前探测原理示意图；

图2为提取的直达槽波和反射槽波埃里相峰值旅行时间示意图；

图3为数值模拟得到的速度三分量地震记录；

图4为经过F-K滤波分离后的z分量直达槽波和反射槽波记录及拾取的埃里相时间点图；

图5为断层走向角α和震源到断层垂向距离h扫描图像；

图6为扫描α和h得到的反射槽波埃里相峰值时间拟合残差图。

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。

实施例为在一个典型含煤、含巷道和断层的地质地球物理3D模型中，如表1为理论模型物性参数，表1所示数值模拟得到的槽波地震记录，采用的地质地球物理模型为典型煤巷超前探测模型，包含了一个巷道和一个走向与巷道轴线夹角30°的断层，断层断距为1/2倍煤厚，煤层厚度为2m。检波器平行于巷道壁布置，与震源位于同一条直线上，震源和检波器均位于煤层深度中心面。

表1理论模型物性参数

根据图3所示，通过数值模拟得到速度三分量地震记录，图3a为x分量地震记录，图3b为y分量地震记录，图3c为z分量地震记录，应用本发明提出的基于槽波超前探测TVSP扫描法，其具体可通过以下步骤实现：

步骤1：直达槽波和反射槽波波场分离。基于Z分量槽波地震记录，采用F-K等方法分别分离出直达槽波波场和反射槽波波场记录，如图4中所示实施例中经波场分离后的直达波，如图4a所示和反射槽波如图4b所示波场记录的剖面显示。

步骤2：拾取直达槽波和反射槽波埃里相时间。采用多次滤波技术进行频散分析，根据频散曲线，确定各道槽波埃里相时间点，如图4中实点即为拾取的直达和反射槽波埃里相时间点。如果出现某地震道和其相邻地震道的埃里相时间差较大的时间点时，应剔除这个差别较大的时间点。

步骤3：拟合计算埃里相速度v_a；然后，计算震源到断层垂直距离h_est。首先，采用最小二乘法拟合直达槽波埃里相时间，确定直达槽波时距曲线方程，如图5所示，从而计算出槽波埃里相速度v_a。其次，获取震源位置处或附近地震道反射槽波埃里相峰值时间T₁，利用公式h＝T₁v_a/2，将拾取的时间T₁和槽波埃里相速度v_a代入上式可计算出震源到断层垂直距离h。

如图5所示，步骤4：扫描震源到断层垂直距离h和走向角α。h和α的范围大小以反射槽波时距曲线扫描区域覆盖反射槽波埃里相峰值时间为宜。如图6所示，扫描完成后得到反射槽波拟合残差D关于α和h的二维图像，图6中的最小值位置即为最小残差Dmin的位置，确定最优的α_s和h_s值。

步骤5：计算巷道中心线前方断层点位置d_c。

步骤3、4和5所陈述的方法的具体计算原理如下：

(1)步骤3中直达槽波时距曲线的确定

对于直达槽波时距曲线，只需线性拟合直达槽波埃里相峰值时间就可以确定时距曲线方程(公式1)，从而得到埃里相传播速度v。拟合方法可以选用线性最小二乘法，得到的埃里相速度v计算公式如下：

(2)步骤4中反射槽波时距曲线的确定

从反射槽波时距曲线方程(公式2)可以看出，需要确定的参量有：震源到断层垂直距离h，断层走向角α，埃里相速度v。因为确定直达波时距曲线后已经获得v，如图2所示，根据震源位置或附近接收的反射波时间T₁，可以通过公式h＝T₁v/2，计算h的估计值h_est。

公式2中的α参量，可以通过对α扫描来计算反射槽波时距曲线，然后拟合反射槽波埃里相峰值时间，以确定最佳的α。由于估计的h_est比较粗糙，因此也需要同时对h_est附近的值进行扫描。这样就得到反射槽波埃里相峰值时间拟合残差D关于α和h的关系，计算公式如下：

通过公式4，最终计算得到方差D关于α和h的二维图像，从图中可以找到最小残差D_min对应的α_s和h_s值，即可确定最佳的反射槽波时距曲线。

在计算反射槽波时距曲线之前，需要确定α和h的扫描范围。根据前面的讨论，α值正负不影响反射波时距曲线，因此，走向角α扫描的最大范围是[0°,90°]。实际计算中，可以对数值进行合理选择。h扫描范围的选择，可以h_est为中心，选择一个合适范围进行计算。如图6所示，h和α的范围大小以反射槽波时距曲线扫描区域覆盖反射槽波埃里相峰值时间为宜。

(3)步骤5中断层点位置d_c的确定

断层点在巷道前方的位置即为直达槽波和反射槽波时距曲线交点位置。联立公式1和公式2求交点可得到公式5。把α_s和h_s值代入公式5即可计算出断层点位置d_s。

如图1所示，震源和检波器布设在巷道附近或巷道壁上。根据上述方法计算得到的断层点位置应是测线与断层线交点，而不是巷道中心线与断层线交点。

设测线与巷道中心线之间距离为w，计算得到的测线前方断层点位置为d_s，巷道中心线前方断层点位置为d_c，则有：

d_c＝d_s+w|tanα| 公式6

其中δ＝w|tanα|称为***误差。巷道前方断层点位置相对于巷道中心线而言，因此最终计算结果需要加上***误差。

槽波超前探测TVSP扫描法基本原理为：

设有如图1所示的模型及观测方式，其中“*”和“▼”分别表示震源和检波器排列。从震源激发的地震槽波，直接传播到检波器的称为槽波直达波，继续传播并经断层反射回来的为槽波反射波。简单推导可得，直达槽波和反射槽波时距曲线方程如下：

直达槽波：

反射槽波：

方程(1)，(2)和图1中的符号表示：

x：接收点与震源之间距离(沿着巷道掘进方向)；

x_m：巷道掌子面与震源之间距离；

d：巷道前方断层点与震源之间距离；

α：断层走向角(相对于y方向)；

v：槽波传播速度；

h：震源到断层垂直距离(h＝dcosα)；

t_m：直达波到达巷道掌子面时间(t_m＝x_m/v)；

T₁：震源位置接收到的反射波时间(T₁＝2h/v)。

直达波具有正视速度，反射槽波具有负视速度，它们的延长线相交于x＝d，该位置即为断层在巷道掌子面前方的位置。

公式1和公式2是槽波TVSP定位断层的主要依据，获得这两条时距曲线，就可以定位断层的位置。由于槽波具有严重频散特性，导致直达波和反射波初至时间难以准确提取，因此，提出了扫描计算方法来确定两条时距曲线的关键参数。

从理论分析和数值计算验证可知，相同大小的正走向角和负走向角时距曲线相同，槽波传播速度的大小对断层点位置的确定并没有影响。

通过以上所述方法处理计算典型含煤超前探测模型中的地震波记录数据后，对比模型设计的断层点位置60m，断层走向角30°，可知，该方法所计算的断层位置绝对误差-1.63m，相对误差为2.72％，走向角绝对误差-5.5°，相对误差为18.33％。因此，采用本发明所述方法可以快速、准确的定位出煤巷前方的断层的空间位置和走向角。

上述实施例中以超前探测煤巷前方断层为例进行了具体实施方式的详细阐述。煤层中存在的断层、陷落柱、采空区及侵入岩等地质异常，其完全阻断或部分阻断了地震槽波在煤层中的传播通道，在原理上煤层中地质异常(断层、陷落柱、采空区及侵入岩等)对地震波场传播产生的响应特征是等价的，因此，本发明方法同样可以直接应用于煤巷超前探测陷落柱、采空区及侵入岩等地质异常。

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 (1)

1.一种基于槽波超前探测TVSP扫描方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一、直达槽波和反射槽波波场分离，对槽波地震记录分别进行F-K正视速度和负视速度滤波，以得到直达槽波记录和反射槽波记录；

步骤二、拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值走时，对直达槽波和反射槽波记录各道分别进行多次滤波技术分析，拾取各道埃里相时间，并对差别较大的拾取点进行剔除；

步骤三、计算埃里相速度v_a，估计震源到断层垂直距离h，对拾取的直达槽波埃里相峰值时间利用最小二乘法线性拟合确定时距曲线方程，从而得到埃里相传播速度v_a；获取震源位置处或附近地震道反射槽波埃里相峰值时间T₁，利用公式h＝T₁v_a/2，估计震源到断层垂直距离h震源到断层垂直距离h_est；

步骤四、扫描震源到断层垂直距离h和断层走向角α，h和α的范围大小以反射槽波时距曲线扫描区域覆盖反射槽波埃里相峰值时间为宜；

步骤五、扫描完成后得到反射槽波拟合残差D关于α和h的二维图像，从图中可以得到最小残差D_min的位置，确定最优的α_s和h_s值；

步骤六、确定巷道中心线前方断层点位置d_c，把得到的α_s和h_s值代入式计算得到d_s；利用公式δ＝ω|tanα|计算***误差δ，然后利用式d_c＝d_s+ω|tanα|得到最终巷道中心线前方断层点位置d_c。