CN110850471B - 一种基于冲击波激发震源的转换sh波探测冲刷带方法 - Google Patents

一种基于冲击波激发震源的转换sh波探测冲刷带方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于冲击波激发震源的转换SH波探测冲刷带方法，通过在回采工作面进风巷的入口处、中间处以及切眼处分别施工钻孔，然后在每个钻孔内进行多次冲击波激发，从而产生三个共炮点道集组，然后建立坐标系后，通过对每个共炮点道集组提取存在转换SH波信号的地震记录进行分析，SH波是由Love型槽波转换形成，因此未遇到冲刷带前转换SH波能量弱，遇冲刷带后Love型槽波大量转换发育后使得转换SH波能量变强，因此利用转换SH波在不同时段的能量差异性进行成像；最终叠加后得出冲刷带的位置成像；为后续的安全生产提供技术指导。

Description

一种基于冲击波激发震源的转换SH波探测冲刷带方法
技术领域
本发明涉及一种探测工作面内冲刷带的方法，具体是一种基于冲击波激发震源的转换SH波探测冲刷带方法。
背景技术
由于地质条件的影响，冲刷带在一定程度上影响了煤层的赋存与展布情况，在智能的、高效化的、精准化的开采背景下，冲刷带的存在严重阻碍了工作面回采，因此，冲刷带精细探测是煤矿生产迫切需求的。
目前，针对煤层工作面内冲刷带的探测，主要方法有地质规律法、煤岩力学参数法以及地面三维地震勘探等，其中地质规律法和煤岩力学参数法受到钻探、巷探工作量的限制，由于钻探、巷探的成本高，施工周期长，且钻探“一孔之径”探测范围有限，导致探测冲刷带的精度较低。而地面三维地震勘探受到复杂地形及浅部采空区的影响，由于地面距离目标***置远，当遇到这些上覆地质异常体，地震波能量大部分反射回地面，而仅有小部分地震波能量向下传递，导致后期反射回地面的有效信号能量更弱，最终使有效波识别难度大，同时又存在其他干扰波，增加了后期处理的难度，导致了目前方法对工作面内冲刷带的勘探精度有限，亟需对冲刷带探测方法进行创新。
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冲击波激发震源的转换SH波探测冲刷带方法，通过冲击波激发多个震源，然后由观测***利用转换横波的特性，将冲刷带的位置信息进行精确成像，从而为后续的安全掘进提供数据指导。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于冲击波激发震源的转换SH波探测冲刷带方法，该方法的具体步骤为：
步骤一：在回采工作面进风巷的入口处、中间处以及切眼处，分别向工作面内施工一个钻孔，钻孔长度为N米；
步骤二：将三个冲击波激发震源分别送入到三个钻孔的最深处；
步骤三：在回采工作面回风巷布设m个安装孔，相邻安装孔的间距为5米，在每个安装孔内均布置一个检波器，各个检波器与地震记录仪连接；
步骤四：选取切眼处的钻孔首先进行激发，将冲击波激发震源从钻孔最深处进行第一次激发，然后冲击波激发震源由内往外每偏移5m进行一次激发，形成一个震源组，分别为S11、S12、S13…S1n，将各个检波器实时接收各个震源产生的地震波并传递给地震记录仪，此时n个震源形成的n个共炮点道集构成一个共炮点道集组；
步骤五：在其他两个钻孔中重复步骤四，分别形成其他两个震源组，分别为S21、S22、S23…S2n和S31、S32、S33…S3n，并构成了两个共炮点道集组；
步骤六：沿煤巷建立三维坐标系，X方向为煤层倾向方向，Y方向为煤层走向方向，Z方向为垂直于煤层方向，以进风巷入口处为原点建立三维坐标系，将各个冲击激发震源位置与各个检波器位置归入到上述三维坐标系中，建立回采工作面透射观测***；
步骤七：在三个共炮点道集组中选取其中一个共炮点道集组的n个共炮点道集进行分析，选取其中存在冲刷带转换SH波信号的地震记录，并在该地震记录中选取带有转换SH波的时窗t1，t2，t3…tn；
步骤八：对步骤七得出的时窗t1，t2，t3…tn中的转换SH波分别进行能量计算；
步骤九：将步骤八的能量计算结果进行叠加处理后，得出工作面内冲刷带的成像结果；
步骤十：对另外两个共炮点道集组重复上述步骤七至步骤九，得出另外两个工作面内冲刷带的成像结果；
步骤十一：将步骤九及十的三组成像结果进行叠加处理，重叠范围即为工作面冲刷带准确范围。
进一步，所述步骤八中具体的能量计算过程为：
(1)在震源S11形成的共炮点道集中选取时窗t1内一个周期长度的冲刷带转换SH波同相轴；
(2)利用冲刷带转换SH波同相轴在不同时段的能量进行计算，步骤如下：
Ⅰ、转换SH波的能量与介质的能量衰减系数和传播距离的关系：
A＝A0e-βr
其中A0是转换SH波初始能量，A是传播距离r后的能量，β是衰减系数；
Ⅱ、在回采工作面透射观测***中，质点振动方向与检波器灵敏方向存在一定角度θ，考虑角度θ对转换SH波能量的影响，上述公式整理为：
A＝A0e-βrsinθ
Ⅲ、求取衰减系数β，步骤如下：
A、将三维坐标网格化，网格大小为1m；
B、震源S11与每个检波器构成一条射线，选取其中一条射线进行求解，该射线经过的网格内介质衰减系数假设为β1，β2，β3…βn，则其离散化得到：
Figure BDA0002239052290000031
C、两边取对数得出：
Figure BDA0002239052290000032
D、令：
Figure BDA0002239052290000033
B＝[β1β2β3…βn]，r＝[r1r2r3…rn]T；
E、则有矩阵：
Br＝b
F、重复上述B至E，构建另外m-1条射线的矩阵；
G、求解步骤E及F的m个矩阵，即可获得该共炮点道集组中所有射线经过的网格的衰减系数；
H、利用克里格插值方法计算工作面内未经过射线的网格的衰减系数，从而形成工作面区域内的所有网格的衰减系数；
I、根据衰减系数计算工作面区域内的所有网格的转换SH波的能量；
Ⅳ、与没有冲刷带区域相比，冲刷带区域的转换SH波能量明显偏大；能量值超过阈值P的范围即为冲刷带区域，阈值P的求取方法如下：
A、将整个能量区域离散化，获得k个能量点数值Ej(j＝1,2…k)；
B、求取其平均值：
Figure BDA0002239052290000041
C、计算其标准差：
Figure BDA0002239052290000042
D、阈值为：P＝平均值+标准差；
(3)对该共炮点道集组中n-1个共炮点道集重复步骤(1)和(2)，即能获得n-1个能量计算结果。
与现有技术相比，本发明通过在回采工作面进风巷的入口处、中间处以及切眼处分别施工钻孔，然后在每个钻孔内进行多次冲击波激发，从而产生三个共炮点道集组，然后建立坐标系后，通过对每个共炮点道集组提取其中存在转换横波信号的地震记录进行分析成像，最终将各个成像叠加得出冲刷带的位置成像；从而为后续的安全掘进提供数据指导。根据转换SH波探测冲刷带的原理为：发明人研究发现转换SH波是由普遍发育的Love槽波转换形成，因此未遇到冲刷带前转换SH波能量弱，遇冲刷带后Love槽波大量转换发育后使得转换SH波能量变强，当工作面内无冲刷带时，转化SH波不会大量发育，因此可以根据转换SH波能量差异特征进行冲刷带探测。
附图说明
图1是本发明中观测***布置示意图；
图2是本发明中的数值模拟信号图；
图3是采用本发明的实际采集信号图；
图4是采用本发明后对冲刷带的成像图。
图中：1、冲击波激发震源，2、检波器，3、冲刷带，4、波场快照中的转换SH波信号，5、地震记录中的转换SH波信息，6、工作面冲刷带准确范围。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明的具体步骤为：
步骤一：在回采工作面进风巷的入口处、中间处以及切眼处，分别向工作面内施工一个钻孔，钻孔长度为N米；
步骤二：将三个冲击波激发震源1分别送入到三个钻孔的最深处；
步骤三：在回采工作面回风巷布设m个安装孔，相邻安装孔的间距为5米，在每个安装孔内均布置一个检波器2，各个检波器2与地震记录仪连接；
步骤四：选取切眼处的钻孔首先进行激发，将冲击波激发震源1从钻孔最深处进行第一次激发，然后冲击波激发震源1由内往外每偏移5m进行一次激发，形成一个震源组，分别为S11、S12、S13…S1n，将各个检波器2实时接收各个震源产生的地震波并传递给地震记录仪，此时n个震源形成的n个共炮点道集构成一个共炮点道集组；
步骤五：在其他两个钻孔中重复步骤四，分别形成其他两个震源组，分别为S21、S22、S23…S2n和S31、S32、S33…S3n，并构成了两个共炮点道集组；
步骤六：沿煤巷建立三维坐标系，X方向为煤层倾向方向，Y方向为煤层走向方向，Z方向为垂直于煤层方向，以进风巷入口处为原点建立三维坐标系，将各个冲击激发震源1位置与各个检波器2位置归入到上述三维坐标系中，建立回采工作面透射观测***；
步骤七：在三个共炮点道集组中选取其中一个共炮点道集组的n个共炮点道集进行分析，选取其中存在冲刷带转换SH波信号的地震记录，并在该地震记录中选取带有转换SH波的时窗t1，t2，t3…tn；
步骤八：对步骤七得出的时窗t1，t2，t3…tn中的转换SH波分别进行能量计算；
步骤九：将步骤八的能量计算结果进行叠加处理后，得出工作面内冲刷带的成像结果；
步骤十：对另外两个共炮点道集组重复上述步骤七至步骤九，得出另外两个工作面内冲刷带的成像结果；
步骤十一：将步骤九及十的三组成像结果进行叠加处理，重叠范围即为工作面冲刷带准确范围。
进一步，所述步骤八中具体的能量计算过程为：
(1)在震源S11形成的共炮点道集中选取时窗t1内一个周期长度的冲刷带转换SH波同相轴；
(2)利用冲刷带转换SH波同相轴在不同时段的能量进行计算，步骤如下：
Ⅰ、转换SH波的能量与介质的能量衰减系数和传播距离的关系：
A＝A0e-βr
其中A0是转换SH波初始能量，A是传播距离r后的能量，β是衰减系数；
Ⅱ、在回采工作面透射观测***中，质点振动方向与检波器灵敏方向存在一定角度θ，考虑角度θ对转换SH波能量的影响，上述公式整理为：
A＝A0e-βrsinθ
Ⅲ、求取衰减系数β，步骤如下：
A、将三维坐标网格化，网格大小为1m；
B、震源S11与每个检波器构成一条射线，选取其中一条射线进行求解，该射线经过的网格内介质衰减系数假设为β1，β2，β3…βn，则其离散化得到：
Figure BDA0002239052290000061
C、两边取对数得出：
Figure BDA0002239052290000062
D、令：
Figure BDA0002239052290000063
B＝[β1β2β3…βn]，r＝[r1r2r3…rn]T；
E、则有矩阵：
Br＝b
F、重复上述B至E，构建另外m-1条射线的矩阵；
G、求解步骤E及F的m个矩阵，即可获得该共炮点道集组中所有射线经过的网格的衰减系数；
H、利用克里格插值方法计算工作面内未经过射线的网格的衰减系数，从而形成工作面区域内的所有网格的衰减系数；
I、根据衰减系数计算工作面区域内的所有网格的转换SH波的能量；
Ⅳ、与没有冲刷带区域相比，冲刷带区域的转换SH波能量明显偏大；能量值超过阈值P的范围即为冲刷带区域，阈值P的求取方法如下：
A、将整个能量区域离散化，获得k个能量点数值Ej(j＝1,2…k)；
B、求取其平均值：
Figure BDA0002239052290000071
C、计算其标准差：
Figure BDA0002239052290000072
D、阈值为：P＝平均值+标准差；
(3)对该共炮点道集组中n-1个共炮点道集重复步骤(1)和(2)，即能获得n-1个能量计算结果。

Claims (1)

1.一种基于冲击波激发震源的转换SH波探测冲刷带方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一：在回采工作面进风巷的入口处、中间处以及切眼处，分别向工作面内施工一个钻孔，钻孔长度为N米；
步骤二：将三个冲击波激发震源分别送入到三个钻孔的最深处；
步骤三：在回采工作面回风巷布设m个安装孔，相邻安装孔的间距为5米，在每个安装孔内均布置一个检波器，各个检波器与地震记录仪连接；
步骤四：选取切眼处的钻孔首先进行激发，将冲击波激发震源从钻孔最深处进行第一次激发，然后冲击波激发震源由内往外每偏移5m进行一次激发，形成一个震源组，分别为S11、S12、S13…S1n，将各个检波器实时接收各个震源产生的地震波并传递给地震记录仪，此时n个震源形成的n个共炮点道集构成一个共炮点道集组；
步骤五：在其他两个钻孔中重复步骤四，分别形成其他两个震源组，分别为S21、S22、S23…S2n和S31、S32、S33…S3n，并构成了两个共炮点道集组；
步骤六：沿煤巷建立三维坐标系，X方向为煤层倾向方向，Y方向为煤层走向方向，Z方向为垂直于煤层方向，以进风巷入口处为原点建立三维坐标系，将各个冲击激发震源位置与各个检波器位置归入到上述三维坐标系中，建立回采工作面透射观测***；
步骤七：在三个共炮点道集组中选取其中一个共炮点道集组的n个共炮点道集进行分析，选取其中存在冲刷带转换SH波信号的地震记录，并在该地震记录中选取带有转换SH波的时窗t1，t2，t3…tn；
步骤八：对步骤七得出的时窗t1，t2，t3…tn中的转换SH波分别进行能量计算，具体过程为：
(1)在震源S11形成的共炮点道集中选取时窗t1内一个周期长度的冲刷带转换SH波同相轴；
(2)利用冲刷带转换SH波同相轴在不同时段的能量进行计算，步骤如下：
Ⅰ、转换SH波的能量与介质的能量衰减系数和传播距离的关系：
A＝A0e-βr
其中A0是转换SH波初始能量，A是传播距离r后的能量，β是衰减系数；
Ⅱ、在回采工作面透射观测***中，质点振动方向与检波器灵敏方向存在一定角度θ，考虑角度θ对转换SH波能量的影响，上述公式整理为：
A＝A0e-βrsinθ
Ⅲ、求取衰减系数β，步骤如下：
A、将三维坐标网格化，网格大小为1m；
B、震源S11与每个检波器构成一条射线，选取其中一条射线进行求解，该射线经过的网格内介质衰减系数假设为β1，β2，β3…βn，则其离散化得到：
Figure FDA0002978223230000021
C、两边取对数得出：
Figure FDA0002978223230000022
D、令：
Figure FDA0002978223230000023
B＝[β1β2β3…βn]，r＝[r1r2r3…rn]T；
E、则有矩阵：
Br＝b
F、重复上述B至E，构建另外m-1条射线的矩阵；
G、求解步骤E及F的m个矩阵，即可获得该共炮点道集组中所有射线经过的网格的衰减系数；
H、利用克里格插值方法计算工作面内未经过射线的网格的衰减系数，从而形成工作面区域内的所有网格的衰减系数；
I、根据衰减系数计算工作面区域内的所有网格的转换SH波的能量；
Ⅳ、与没有冲刷带区域相比，冲刷带区域的转换SH波能量明显偏大；能量值超过阈值P的范围即为冲刷带区域，阈值P的求取方法如下：
A、将整个能量区域离散化，获得k个能量点数值Ej，j＝1,2…k；
B、求取其平均值：
Figure FDA0002978223230000031
C、计算其标准差：
Figure FDA0002978223230000032
D、阈值为：P＝平均值+标准差；
(3)对该共炮点道集组中n-1个共炮点道集重复步骤(1)和(2)，即能获得n-1个能量计算结果；
步骤九：将步骤八的能量计算结果进行叠加处理后，得出工作面内冲刷带的成像结果；
步骤十：对另外两个共炮点道集组重复上述步骤七至步骤九，得出另外两个工作面内冲刷带的成像结果；
步骤十一：将步骤九及十的三组成像结果进行叠加处理，重叠范围即为工作面冲刷带准确范围。
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