CN110531415B - 一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法 - Google Patents

一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法，将三分量检波器放置在围岩松动圈的中部，利用围岩松动圈能将反射Love型槽波转换为Love型面波，并且该Love型面波振幅较强能被三分量检波器接收后反馈给地震仪进行记录，地震仪根据记录的Love型面波采用现有的叠前菲涅尔束偏移方法将该Love型面波的地震信号偏移成像，最终通过成像图得出小断层在迎头前方的位置。本发明施工简单、使用便捷，能精准的探测出迎头前方是否存在小断层并能确定小断层的位置，为后续煤巷的安全掘进提供指导。

Description

一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿超前探测方法，具体是一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法。
背景技术
据中国煤炭工业协会统计，3082次煤与瓦斯突出中有2525次突出与地质构造相关，比例高达81.9%。而引起突出事故的地质构造以小断层这类的小断层最为典型。目前地球物理超前探测方法较多，包括地震波法类、电磁法类以及其他类。地震波法最适宜对断层构造进行超前预报，其中在煤矿井下以槽波勘探方法最为典型。
槽波超前探测前方小断层的可行性数值模拟试验取得了显著成果，主要体现在：如杨思通等提出了在顶底板激发接收的Rayleigh型槽波煤巷小断层超前探测方法（煤巷小断层Rayleigh型槽波超前探测数值模拟，2012；厚煤层沿底板或顶板掘进煤巷反射槽波超前探测方法，发明专利申请号201711007670.6）；蒋锦朋等（基于槽波的TVSP超前探测方法，2018）通过三维数值模拟利用垂直顶板方向的Rayleigh型槽波进行槽波超前探测研究等。但上述现有技术，仍存在一定的不足之处：①传统反射超前探测技术对于落差较大断层及明显的断层反射界面效果显著，但超前探测小断层时效果不明显；②槽波可分为Love型和Rayleigh型槽波，而Rayleigh槽波激发的条件较为苛刻，当围岩和煤层参数不满足Rayleigh槽波激发条件时，无法采集到有效信号；③实际煤巷掘进地质条件复杂，在煤巷周围存在松动圈影响，路拓考虑了围岩松动圈影响（路拓，矿井巷道面波-转换横波超前探测技术研究，2016），通过回避松动圈对反射体波的干扰，从而提高槽波超前探测的准确性。另外其考虑的是二维剖面，而实际勘探条件是三维条件，顶底板剖面方向是围岩，平面方向是煤层，剖面及平面方向松动圈具有差异性，故二维剖面方向具有局限性。现有其他的方法为了避开围岩松动圈对反射槽波超前探测的影响，通过在煤巷壁施工钻孔或锚杆方式，将检波器布置在围岩松动圈以外区域，这样接收的地震波不经过围岩松动圈就能有效降低围岩松动圈对槽波勘探的影响，但是这种的方式实施非常困难，需要深部钻孔及将检波器深孔安装等多个步骤，因此无法方便快捷的实现槽波超前探测前方小断层。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法，施工简单、使用便捷，能精准的探测出迎头前方是否存在小断层并能确定小断层的位置，为后续煤巷的安全掘进提供指导。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法，具体步骤为：
A、在巷道左帮或右帮的中轴线且靠近迎头位置布置一个激震点，然后获取已知的围岩松动圈的范围；
B、采用钻孔的方式在巷道左帮或右帮的围岩松动圈中部位置成排布置多个三分量检波器，然后将各个三分量检波器均与地震仪连接，使地震仪记录各个三分量检波器反馈的地震波信号；
C、在步骤A确定的激震点采用横波震源激发SH型地震波，对煤巷迎头前方的小断层进行探测；
D、通过地震仪观察各个三分量检波器实时反馈的地震波信号并进行分析：
①在观察到反馈的地震直达波信号之后，对后续接收到的地震波信号采用道间平衡及道内平衡预处理后，若未发现振幅不低于直达波振幅的1/3且为同相轴的地震波信号，则确定迎头前方探测范围内不存在小断层；
②在观察到反馈的地震直达波信号之后，对后续接收到的地震波信号采用道间平衡及道内平衡预处理后，若发现振幅不低于直达波振幅的1/3且为同相轴的地震波信号，则对该地震波信号进行分析，若该地震波信号呈线性极化且具有频散特征，则确定该地震波信号为Love型面波，从而确定迎头前方探测范围内存在小断层；
根据Love型面波确定存在小断层原理为：发明人研究发现煤层松动圈与煤层的接触关系和地表覆盖层与下覆地层的接触关系类似，煤层松动圈的存在会导致面波发育。当Love槽波传至煤层松动圈与煤层的分界面时，在煤层松动圈内以及完整煤层表面形成Love型面波，Love型面波能量主要集中于煤层松动圈内，其中松动圈中部位置能量最强。
因此当SH型地震波传播后会在煤层中形成Love型槽波向前方传递；若迎头前方存在小断层，则Love型槽波接触到小断层后会形成反射Love型槽波，反射Love型槽波返回进入巷道侧帮围岩松动圈中转换为Love型面波；若迎头前方不存在小断层，则不能形成反射Love型槽波及转换的Love型面波；因此Love型面波为小断层是否存在的特征波。另外Love型面波被三分量检波器接收后在地震仪记录中表现为同相轴且具有频散特征，并且三个分量的地震波信号为线性极化。
E、利用已知的叠前菲涅尔束偏移方法对步骤D确定为Love型面波的地震波信号进行偏移成像，然后根据成像图得出小断层在迎头前方的位置。
现有技术中主要是对地震波受围岩松动圈影响进行估值，以去除围岩松动圈对其探测的影响，或者是将检波器尽可能避开围岩松动圈进行地震波的接收，与现有技术相比，本发明将检波器放置在围岩松动圈的中部位置，利用围岩松动圈能将反射Love型槽波转换为Love型面波，并且该Love型面波振幅较强能被检波器接收后反馈给地震仪进行记录，地震仪根据记录的Love型面波采用叠前菲涅尔束偏移方法将该Love型面波的地震波信号偏移成像，最终通过成像图得出小断层在迎头前方的位置。本发明施工简单、使用便捷，能精准的探测出迎头前方是否存在小断层并能确定小断层的位置，为后续煤巷的安全掘进提供指导。
附图说明
图1是本发明中三分量检波器的位置布设示意图；
图2是图1的俯视剖面图。
图中：1、巷道，2、三分量检波器，3、围岩松动圈，4、激震点，5、迎头，6、小断层。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，以图1的右方为前方进行描述，本发明的具体步骤为：
A、在巷道1左帮或右帮的中轴线且靠近迎头5位置布置一个激震点，然后获取已知的围岩松动圈3的范围；
B、采用钻孔的方式在巷道1左帮或右帮的围岩松动圈3中部位置成排布置多个三分量检波器2（即具有X、Y、Z三个分量接收功能的检波器），然后将各个三分量检波器2均与地震仪连接，使地震仪记录各个三分量检波器2反馈的地震波信号；
C、在步骤A确定的激震点4采用横波震源激发SH型地震波，对煤巷迎头前方的小断层6进行探测；每次探测前方的范围为80m～150m；
D、通过地震仪观察各个三分量检波器实时反馈的地震波信号并进行分析：
①在观察到反馈的地震直达波信号之后，对后续接收到的地震波信号采用道间平衡及道内平衡预处理后，若未发现振幅不低于直达波振幅的1/3且为同相轴的地震波信号，则确定迎头5前方探测范围内不存在小断层6；
②在观察到反馈的地震直达波信号之后，对后续接收到的地震波信号采用道间平衡及道内平衡预处理后，若发现振幅不低于直达波振幅的1/3且为同相轴的地震波信号，则对该地震波信号进行分析，若该地震波信号呈线性极化且具有频散特征，则确定该地震波信号为Love型面波，从而确定迎头前方探测范围内存在小断层6；
根据Love型面波确定存在小断层6的原理为：发明人研究发现煤层松动圈与煤层的接触关系和地表覆盖层与下覆地层的接触关系类似，煤层松动圈的存在会导致面波发育。当Love槽波传至煤层松动圈与煤层的分界面时，在煤层松动圈内以及完整煤层表面形成Love型面波，Love型面波能量主要集中于煤层松动圈内，其中松动圈中部位置能量最强。
因此当SH型地震波传播后会在煤层中形成Love型槽波向前方传递；若迎头前方存在小断层，则Love型槽波接触到小断层后会形成反射Love型槽波，反射Love型槽波返回进入巷道侧帮围岩松动圈中转换为Love型面波；若迎头前方不存在小断层，则不能形成反射Love型槽波及转换的Love型面波；因此Love型面波为小断层是否存在的特征波。另外Love型面波被三分量检波器接收后在地震仪记录中表现为同相轴且具有频散特征，并且三分量Love型面波为线性极化。
E、利用已知的叠前菲涅尔束偏移方法对步骤D确定为Love型面波的地震波信号进行偏移成像，然后根据成像图得出小断层6在迎头5前方的位置。

Claims (1)

1.一种利用围岩松动圈影响的三维小断层超前探测方法，其特征在于，具体步骤为：
A、在巷道左帮或右帮的中轴线且靠近迎头位置布置一个激震点；然后获取已知的围岩松动圈的范围；
B、采用钻孔方式在巷道左帮或右帮的围岩松动圈中部位置成排布置多个三分量检波器，然后将各个三分量检波器均与地震仪连接，使地震仪记录各个三分量检波器反馈的地震波信号；
C、在步骤A确定的激震点采用横波震源激发SH型地震波，对煤巷迎头前方的小断层进行探测；
D、通过地震仪观察各个三分量检波器实时反馈的地震波信号并进行分析：
①在观察到反馈的地震直达波信号之后，对后续接收到的地震波信号采用道间平衡及道内平衡预处理后，若未发现振幅不低于直达波振幅的1/3且为同相轴的地震波信号，则确定迎头前方探测范围内不存在小断层；
②在观察到反馈的地震直达波信号之后，对后续接收到的地震波信号采用道间平衡及道内平衡预处理后，若发现振幅不低于直达波振幅的1/3且为同相轴的地震波信号，则对该地震波信号进行分析，若该地震波信号呈线性极化且具有频散特征，则确定该地震波信号为Love型面波，从而确定迎头前方探测范围内存在小断层；
E、利用叠前菲涅尔束偏移方法对步骤D确定为Love型面波的地震波信号进行偏移成像，然后根据成像图得出小断层在迎头前方的位置。
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