CN110531419A - 一种利用Love型面波的陷落柱超前探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用Love型面波的陷落柱超前探测方法，将三分量检波器及单分量检波器成排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及单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陷落柱在迎头前方的位置。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陷落柱并能确定陷落柱的位置，为后续煤巷的安全掘进提供指导。

Description

一种利用Love型面波的陷落柱超前探测方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿煤层巷道超前探测方法，具体是一种利用Love型面波的陷落柱超前探测方法。
背景技术
陷落柱是由于石灰岩层等易溶地层产生溶洞，其上部地层在自重力等因素作用下发生地层塌陷而形成的一种地质体。在煤矿，陷落柱具有孤立随机分布的特点，通常由杂乱的岩石组成，在掘进过程中由于综掘机易割煤难割岩石，陷落柱通常需要人工放炮破除，严重制约掘进效率；此外，矿区陷落柱导致的突水其隐蔽性强、突水量大，给煤矿安全生产及当地人民生活带来了极大的危害。目前地球物理超前探测陷落柱的方法较多，包括地震波法类、电磁法类以及其他类。地震波法最适宜对陷落柱进行超前预报，其中在煤矿井下以反射体波、槽波勘探方法最为典型。
但现有的槽波勘探方法仍存在一定的不足之处：①传统反射体波超前探测技术对于直径较大的陷落柱探测的效果显著，但超前探测小型陷落柱的效果不明显；②反射槽波可分为Love型和Rayleigh型槽波，其中Love型槽波非常普遍(刘天放，槽波地震勘探，1994)，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Rayleigh型槽波信号；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，路拓在二维剖面上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，提高了反射体波超前探测的准确性。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，因此无法方便快捷地实现槽波超前探测前方陷落柱。
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Love型面波的陷落柱超前探测方法，施工简单、使用便捷，能精准的探测出迎头前方是否存在陷落柱并能确定陷落柱的位置，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Love型面波的陷落柱超前探测方法，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；并获取已知的围岩松动圈的范围；
B、采用钻孔方式在激震点所在同一帮的围岩松动圈中部位置，成排布置一个三分量检波器和多个单分量检波器，多个单分量检波器的朝向和三分量检波器的X分量的朝向均平行于煤层方向且垂直于巷道走向，然后将三分量检波器和多个单分量检波器均与地震仪连接，使地震仪记录三分量检波器和各个单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，对煤巷迎头前方的陷落柱进行探测；
D、地震仪实时记录三分量检波器和多个单分量检波器接收到的地震信号，将三分量检波器的X分量接收的地震信号和多个单分量检波器接收到的地震信号拼接整理成一个共炮点道集；
E、对共炮点道集采用频散分析方法进行处理：
①在地震仪记录到反馈的地震直达波信号之后，对共炮点道集中直达波后续的同相轴地震信号采用频散分析方法进行处理，若该同相轴地震信号无频散特征，则确定该同相轴地震信号为干扰波，说明迎头前方探测范围内不存在陷落柱；若该同相轴地震信号存在频散特征，则确定该同相轴地震信号为待确认波，进入步骤②；
②提取待确认波中三分量检波器X分量接收的同相轴地震信号的时窗范围，通过希尔伯特极化分析方法，分析在该时窗范围内三分量检波器X分量、Y分量和Z分量接收地震信号的极化特征，若三分量地震信号为线性极化，则确定步骤①中待确认波为Love型面波，说明迎头前方探测范围内存在陷落柱；若三分量地震信号非线性极化，则确定步骤①中待确认波为干扰波，说明迎头前方探测范围内不存在陷落柱；
根据Love型面波确定存在陷落柱的原理为：发明人研究发现围岩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，围岩松动圈的存在会导致面波发育。当Love槽波传至围岩松动圈与煤层的分界面时，在围岩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围岩松动圈内，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；若迎头前方存在陷落柱，则Love型槽波接触到陷落柱后会形成反射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；若迎头前方不存在陷落柱，则不能形成反射Love型槽波及转换的Love型面波；因此Love型面波为陷落柱是否存在的特征波。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。
F、利用叠前菲涅尔束偏移方法对步骤E确定为Love型面波的同相轴地震信号进行偏移成像，然后根据成像图得出陷落柱在迎头前方的位置。
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，并且松动圈中部位置能量最强的Love型面波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型面波的地震信号偏移成像，最终通过成像图得出陷落柱在迎头前方的位置。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陷落柱并能确定陷落柱的位置，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及单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，2.1、三分量检波器，2.2、单分量检波器，3、围岩松动圈，4、激震点，5、迎头，6、陷落柱。
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4；并获取已知的围岩松动圈的范围；
B、采用钻孔方式在激震点4所在同一帮的围岩松动圈3中部位置，成排布置一个三分量检波器2.1(即具有X、Y、Z三个分量接收功能的检波器)和多个单分量检波器2.2，多个单分量检波器2.2的朝向和三分量检波器2.1的X分量的朝向均平行于煤层方向且垂直于巷道走向，然后将三分量检波器2.1和多个单分量检波器2.2均与地震仪连接，使地震仪记录三分量检波器2.1和各个单分量检波器2.2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，对煤巷迎头前方的陷落柱进行探测；激发SH型地震波的探测范围为80m～150m；
D、地震仪实时记录三分量检波器2.1和多个单分量检波器2.2接收到的地震信号，将三分量检波器2.1的X分量接收的地震信号和多个单分量检波器2.2接收到的地震信号拼接整理成一个共炮点道集；
E、对共炮点道集采用频散分析方法进行处理：
①在地震仪记录到反馈的地震直达波信号之后，对共炮点道集中直达波后续的同相轴地震信号采用频散分析方法进行处理，若该同相轴地震信号无频散特征，则确定该同相轴地震信号为干扰波，说明迎头5前方探测范围内不存在陷落柱；若该同相轴地震信号存在频散特征，则确定该同相轴地震信号为待确认波，进入步骤②；
②提取待确认波中三分量检波器X分量接收的同相轴地震信号的时窗范围，通过希尔伯特极化分析方法，分析在该时窗范围内三分量检波器X分量、Y分量和Z分量接收地震信号的极化特征，若三分量的地震信号为线性极化，则确定步骤①中待确认波为Love型面波，说明迎头5前方探测范围内存在陷落柱6；若三分量的地震信号非线性极化，则确定步骤①中待确认波为干扰波，说明迎头5前方探测范围内不存在陷落柱6；
根据Love型面波确定存在陷落柱6的原理为：发明人研究发现围岩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，围岩松动圈的存在会导致面波发育。当Love槽波传至围岩松动圈与煤层的分界面时，在围岩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围岩松动圈内，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；若迎头前方存在陷落柱6，则Love型槽波接触到陷落柱后会形成反射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；若迎头前方不存在陷落柱6，则不能形成反射Love型槽波及转换的Love型面波；因此Love型面波为陷落柱6是否存在的特征波。另外Love型面波被三分量检波器2.1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。
F、利用已知的叠前菲涅尔束偏移方法对步骤E确定为Love型面波的同相轴地震信号进行偏移成像，然后根据成像图得出陷落柱6在迎头5前方的位置。

Claims (1)

1.一种利用Love型面波的陷落柱超前探测方法，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；并获取已知的围岩松动圈的范围；
B、采用钻孔方式在激震点所在同一帮的围岩松动圈中部位置，成排布置一个三分量检波器和多个单分量检波器，多个单分量检波器的朝向和三分量检波器的X分量的朝向均平行于煤层方向且垂直于巷道走向，然后将三分量检波器和多个单分量检波器均与地震仪连接，使地震仪记录三分量检波器和各个单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，对煤巷迎头前方的陷落柱进行探测；
D、地震仪实时记录三分量检波器和多个单分量检波器接收到的地震信号，将三分量检波器的X分量接收的地震信号和多个单分量检波器接收到的地震信号拼接整理成一个共炮点道集；
E、对共炮点道集采用频散分析方法进行处理：
①在地震仪记录到反馈的地震直达波信号之后，对共炮点道集中直达波后续的同相轴地震信号采用频散分析方法进行处理，若该同相轴地震信号无频散特征，则确定该同相轴地震信号为干扰波，说明迎头前方探测范围内不存在陷落柱；若该同相轴地震信号存在频散特征，则确定该同相轴地震信号为待确认波，进入步骤②；
②提取待确认波中三分量检波器X分量接收的同相轴地震信号的时窗范围，通过希尔伯特极化分析方法，分析在该时窗范围内三分量检波器X分量、Y分量和Z分量接收地震信号的极化特征，若三分量地震信号为线性极化，则确定步骤①中待确认波为Love型面波，说明迎头前方探测范围内存在陷落柱；若三分量地震信号非线性极化，则确定步骤①中待确认波为干扰波，说明迎头前方探测范围内不存在陷落柱；
F、利用叠前菲涅尔束偏移方法对步骤E确定为Love型面波的同相轴地震信号进行偏移成像，然后根据成像图得出陷落柱在迎头前方的位置。
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