CN111965695B - 一种基于反射槽波的小断层落差探测方法 - Google Patents

一种基于反射槽波的小断层落差探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，在煤巷单巷道内探测断层区域的煤层中间高度等间隔布置p个横波检波器，采用矿用乳化***在探测起始点激发一次，产生震源；分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；对切除直达波后的震源记录进行主振幅提取，获取X分量反射槽波振幅；对X分量反射槽波进行滤波，获取滤波后X分量反射槽波能量；对比分析获得断层的能量变化规律，根据数据分析断层位置；提取反射槽波的子波类型，确定其频率大小；根据所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，达到探测小断层落差的目的。

Description

一种基于反射槽波的小断层落差探测方法
技术领域
本发明涉及地震数据分析技术领域，尤其是一种基于反射槽波的小断层落差探测方法。
背景技术
煤矿生产普遍使用大型采煤机，大型回采面越来越多，工作面回采安全问题成为煤矿发展日益关注的焦点。
槽波勘探对断层、陷落柱等有害地质体能够起到一定的勘查效果，比如识别煤层的走向，但是在预估断层落差大小方面仍有待探索和研究。槽波勘探利用煤层对地震波的制导作用，对煤层内各种地质构造进行有效勘查。断层是煤巷掘进过程中潜伏的安全隐患，可能造成瓦斯突出或突水事故，因此探寻一种可行的断层分析方法十分必要。目前，我国对煤层中断层的研究有很多，但是对断层落差，尤其是中小断层落差的探测分析研究较少。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，用于探测煤矿中的中小断层落差。
一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，包括以下步骤：
步骤1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测***，观测***主要由震源、等间隔分布的多个检波器、以及为震源和检波器提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；
步骤2，分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；
步骤3，对切除直达波后的震源记录进行主振幅提取，获取X分量反射槽波振幅；
步骤4，对X分量反射槽波进行滤波，获取滤波后X分量反射槽波能量；
步骤5，对比分析获得断层的能量变化规律，根据数据分析断层位置；
步骤6，提取反射槽波的子波类型，确定其频率大小；
步骤7，根据步骤5和步骤6所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，达到探测小断层落差的目的。
进一步的，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤A1，在煤巷单巷道内探测断层区域的煤层中间高度等间隔布置p个横波检波器；
步骤A2，采用矿用乳化***在探测起始点激发一次，产生震源；
步骤A3，沿煤巷建立三维直角空间坐标系，X方向指向待探测区域，Y方向垂直于煤壁，Z方向垂直于煤层顶板；
步骤A4，确定震源、p个横波检波器在三维直角空间坐标中的坐标位置。
进一步的，所述步骤3通过时频-空间域的主能量函数E(t0,f0,x)＝Emax(t0,f0,x)求得，X分量反射槽波振幅
Figure GDA0004107327520000021
进一步的，所述步骤4包括以下步骤：
步骤B1，获得反射槽波频谱信息；
步骤B2，截取较高能量频段的频宽；
步骤B3，对截取的反射槽波进行频带宽度为50Hz的带通滤波；
步骤B4，对偏移距进行处理得到反射槽波入射角，定义为横坐标；
步骤B5，对滤波后的反射槽波数据进行最大振幅提取。
进一步的，所述步骤6包括以下步骤：
步骤C1，用多道统计的方法获得可靠的子波振幅对数谱的实部S(ω)＝|S(ω)|ej πω，确定子波振幅对数谱
Figure GDA0004107327520000031
步骤C2，由子波振幅对数谱求子波相位谱
Figure GDA0004107327520000032
Figure GDA0004107327520000033
可得相位谱
Figure GDA0004107327520000034
其中
Figure GDA0004107327520000035
为
Figure GDA0004107327520000036
的奇部、
Figure GDA0004107327520000037
为
Figure GDA0004107327520000038
的偶部；
步骤C3，提取子波
Figure GDA0004107327520000039
步骤C4，根据频率能量分布确定使用频率大小。
本发明通过建立三维煤巷单巷道观测***获取相关信息，根据所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，达到探测小断层落差的目的。
附图说明
图1是震源和检波器布置示意图；
图2是反射槽波示意图；
图3是切波前的模拟数据图；
图4是切波后的模拟数据图；
图5是反射槽波子波形态图；
图6是反射槽波示意图；
图7是断层三维空间模型；
图8是不同落差模型提取能量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，包括以下步骤：
1、在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测***，观测***主要由震源、等间隔分布的多个检波器、以及为震源和检波器提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成，如图1所示。
三维直角空间坐标系沿煤巷建立，X方向指向待探测区域，Y方向垂直于煤壁，Z方向垂直于煤层顶板。震源采用矿用乳化***在探测起始点激发产生。三维观测***观测对象包括围岩和煤层，围岩的速度和煤层的体波速度完全参照现实测试的煤层和岩石速度参数设置，煤层和围岩网格大小一致。
2、分析震源记录，确定反射槽波位置，如图2所示，进行直达波切除处理。这里的切取直达波指的是包括直达槽波在内的直达波完全切除，获得只留下反射槽波数据。图3和图4分别是切波前后模拟数据图。
3、对切除直达波后的震源记录进行主振幅提取，获取X分量反射槽波振幅。振幅提取是将时频-空间域地震记录转换到时-频域，在时-频域定量提取可表征各地质层位反射波波形总体特征的主特征参数。由信号分析理论可知，复合信号在时-频域分辨率最高，所以在时-频域中提取的信号特征主参数比在时间域中提取的精度要高。能量提取是按道数提取反射槽波的能量，提取反射槽波能量分析时提取每道的最大值。
时频-空间域的能量函数E(t,f,x)＝|ε(t,f,x)|
满足
Figure GDA0004107327520000051
Figure GDA0004107327520000052
Figure GDA0004107327520000053
由以上各式可得时频-空间域的主能量函数E(t0,f0,x)＝Emax(t0,f0,x)，其中f0和t0分别为地震信号的主频率和群延迟，t0可称为地震信号主能量的延迟时间。对E0开平方可得到反射波主振幅的值
Figure GDA0004107327520000054
4、对X分量反射槽波进行滤波，获取滤波后X分量反射槽波能量，具体包括以下步骤：
⑴获得反射槽波频谱信息；
⑵截取较高能量频段的频宽；
⑶对截取的反射槽波进行频带宽度为50Hz的带通滤波；
⑷对偏移距进行处理得到反射槽波入射角，定义为横坐标；
⑸对滤波后的反射槽波数据进行最大振幅提取。
5、对比分析获得断层的能量变化规律，把观测***的道数换算成反射波的入射角度，成图进行分析，确定不同落差断层的能量信息，分析断层位置；
6、提取反射槽波的子波类型，确定其频率大小，具体包括以下步骤：
⑴用多道统计的方法获得可靠的子波振幅对数谱的实部S(ω)＝|S(ω)|ejπω，确定子波振幅对数谱
Figure GDA0004107327520000061
⑵由子波振幅对数谱求子波相位谱
Figure GDA0004107327520000062
可得相位谱
Figure GDA0004107327520000063
其中
Figure GDA0004107327520000064
为
Figure GDA0004107327520000065
的奇部、
Figure GDA0004107327520000066
为
Figure GDA0004107327520000067
的偶部；
⑶提取子波
Figure GDA0004107327520000068
⑷根据频率能量分布确定使用频率大小。
三维模拟子波形态(参照图5)为从实际信号中提取的子波形态，子波的频率为实际的槽波频谱分析以后得到的最大能量最高的主频，子波类别采用可以产生love槽波的双向平行的震源。模型选取子波类型为single子波，频率120Hz，模型边界采用多层pml边界，确保没有边界反射的干扰，有限差分采用多梯度差分，在煤层中细化差分网格，在模型边界采用大网格差分，节省模型运算时间。
7、反射槽波示意图如图6所示，根据步骤5和步骤6所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，如图7所示，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，如图8所示。从图8可以看到振幅大小与入射角有着较强的关联性，而入射角与断层落差存在较强的关联性，从而不同落差断层反射槽波的能量变化规律通过达到探测小断层落差的目的。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测***，观测***主要由震源、等间隔分布的多个检波器、以及为震源和检波器提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；
步骤2，分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；
步骤3，对切除直达波后的震源记录进行主振幅提取，获取X分量反射槽波振幅；
步骤4，对X分量反射槽波进行滤波，获取滤波后X分量反射槽波能量；
步骤5，对比分析获得断层的能量变化规律，根据数据分析断层位置；
步骤6，提取反射槽波的子波类型，确定其频率大小；
步骤7，根据步骤5和步骤6所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，达到探测小断层落差的目的。
2.根据权利要求1所述的基于反射槽波的小断层落差探测方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤A1，在煤巷单巷道内探测断层区域的煤层中间高度等间隔布置p个横波检波器；
步骤A2，采用矿用乳化***在探测起始点激发一次，产生震源；
步骤A3，沿煤巷建立三维直角空间坐标系，X方向指向待探测区域，Y方向垂直于煤壁，Z方向垂直于煤层顶板；
步骤A4，确定震源、p个横波检波器在三维直角空间坐标中的坐标位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于反射槽波的小断层落差探测方法，其特征在于，所述步骤3通过时频-空间域的主能量函数E(t0,f0,x)＝Emax(t0,f0,x)求得，X分量反射槽波振幅
Figure FDA0004107327500000021
其中f0和t0分别为地震信号的主频率和群延迟。
4.根据权利要求1或2所述的基于反射槽波的小断层落差探测方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：
步骤B1，获得反射槽波频谱信息；
步骤B2，截取较高能量频段的频宽；
步骤B3，对截取的反射槽波进行频带宽度为50Hz的带通滤波；
步骤B4，对偏移距进行处理得到反射槽波入射角，定义为横坐标；
步骤B5，对滤波后的反射槽波数据进行最大振幅提取。
5.根据权利要求1或2所述的基于反射槽波的小断层落差探测方法，其特征在于，所述步骤6包括以下步骤：
步骤C1，用多道统计的方法获得可靠的子波振幅对数谱的实部S(ω)＝|S(ω)|ejπω，确定子波振幅对数谱
Figure FDA0004107327500000022
步骤C2，由子波振幅对数谱求子波相位谱
Figure FDA0004107327500000023
Figure FDA0004107327500000024
可得相位谱
Figure FDA0004107327500000025
其中
Figure FDA0004107327500000026
为
Figure FDA0004107327500000027
的奇部、
Figure FDA0004107327500000028
为
Figure FDA0004107327500000029
的偶部；
步骤C3，提取子波
Figure FDA00041073275000000210
步骤C4，根据频率能量分布确定使用频率大小。
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