CN114185082B - 一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，先布设工作面透射地震观测***，然后进行激发点激发及接收点的接收地震波过程，进而根据获得的数据能建立工作面三维散射成像模型，接着将模型网格化，然后分别计算各个网格的主极化方向能量，进而能依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量，并将每个网格获得的所有不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E_ptol、E_shtol和E_svtol；最后将E_ptol、E_shtol和E_svtol分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测。

Description

一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，属于地震透射槽波勘探技术领域。

背景技术

矿井水害是长期以来制约我国煤矿安全开釆的主要灾害之一。近年来，导水通道(岩溶陷落柱、断层、裂隙带、老窑井巷及采空区等)导致的煤矿水害事故频发，给安全生产和人民生命财产带来的损失极为惨重。其中煤层下伏陷落柱为仍处在发育期且未塌陷至煤层的一类陷落柱，它具有压实胶结程度差、导水性较强、隐蔽性高的特点，是煤矿工作面重大突水的主要灾害源，近年来多次造成煤矿突水淹井的重特大事故。因此，在工作面回采前准确查明煤层下伏陷落柱这一关键性隐蔽致灾要素是保障煤矿安全高效生产的重大需求。

由于受到地表条件限制以及上组煤采空区和煤层顶界面等的影响，煤田三维地震难以准确探明煤层下伏陷落柱。在矿井物探中，地震透射槽波勘探和无线电坑透技术是回采工作面探查的主要技术，但由于煤层下伏陷落柱位于煤层底板以下，未破坏煤层，在工作面巷道有限垂直空间观测的沿煤层传播的槽波和无线电波均难以响应底板深部岩体信息，从而无法对煤层底板以下的下伏陷落柱进行有效探测，无法保障煤矿安全高效生产，因此，如何提供一种方法，能实现对煤层底板下方的下伏陷落柱的精确探测，是矿井地震行业亟需解决的问题。

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工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，无需额外增加探测设备，通过工作面透射地震观测即能实现对煤层底板下方的下伏陷落柱的精确探测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，具体步骤为：

步骤一：将工作面回采方向定义为X，工作面切眼方向定义为Y，垂直于顶底板方向定义为Z，建立工作面XYZ坐标系；工作面的皮带巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个接收点，多个接收点等间距设置且处于同一直线上；每个接收点均设有三分量检波器，各个三分量检波器与地震仪连接，工作面的轨道巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个激发点，多个激发点等间距设置且处于同一直线上，各个激发点均设有震源，各个接收点和各个激发点处于同一水平面，完成工作面透射地震观测***的布设工作；

步骤二：多个激发点上的震源依次激发，各个接收点上的三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号(即每个激发点激发地震波时各个接收点上的三分量检波器均接收一次地震波信号)，并传递给地震仪记录分析后，获得工作面三维散射成像模型，成像模型的坐标系与工作面XYZ一致，其中Z＝0代表煤层底板0m处，X和Y分别代表在工作面走向和宽度方向的位置，将工作面XYZ空间进行网格化，形成分别在三个方向上以ΔX、ΔY和ΔZ为间隔的共l×w×d个网格；

步骤三：设某一网格存在陷落柱散射点，背景速度为v_i，则能计算该网格到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t_i及传播路径向量

此时由传播路径方向确定理论上P、SH和SV波的偏振方向，即向量

和

步骤四、利用基于小波变换的自适应协方差极化分析方法计算各个检波点接收各个激发点信号中所有t_i时刻的三分量信号主极化方向

并将X、Y和Z三个分量相应时刻的能量合成至主极化方向上，形成主极化方向能量E_i；

步骤五：设定背景速度取值区间[v_min,v_max]，背景速度取值间隔Δv，利用不同的背景速度v₁,v₂……v_n获取某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t₁,t₂……t_n对应的主极化方向能量E₁,E₂……E_n，其中最大值E_max即为此网格散射点的主极化方向能量，由此能根据此时主极化方向

和理论上P、SH和SV波的偏振方向

和

间的夹角提取相应不同类型波的能量，分别记为E_pi、E_shi和E_svi；

步骤六：重复步骤五依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量(即对同一网格分别获得在各个激发点和检波点之间的不同类型波能量)，并将每个网格获得的所有不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E_ptol、E_shtol和E_svtol；

步骤七：将步骤六获得的网格不同类型散射波能量E_ptol、E_shtol和E_svtol分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测。

进一步，相邻接收点之间的距离为10m；相邻激发点之间的距离为10m。

进一步，所述步骤三具体为：

设网格中心点坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，激发点坐标为(x_si，y_si，z_si)和接收点坐标为(x_ri，y_ri，z_ri)，则散射波旅行时t_i为：

则传播路径

为：

由地震波偏振理论得出，向量

平行于传播路径

垂直于激发点和接收点所在平面且与传播路径

垂直，

位于激发点和接收点所在平面内且与传播路径

垂直，因此，根据空间向量计算法能依次求取向量

和

进一步，所述步骤四具体为：

(1)采用Morlet小波对三分量信号进行小波变换，并进行自适应协方差矩阵极化分析，得出矩阵M存在3个特征值，且λ₁＞λ₂＞λ₃，及相应的特征向量

分别为v_kx，v_ky，v_kz，k＝1,2,3，由此能计算信号：

主极化方向

倾角

方位角α_i＝arctan(v_1y/v_1x)

(2)主极化方向能量E_i的计算：

将三分量地震信号的振幅取平方能获得其相应的能量，分别为E_x、E_y和E_z，将三个方向能量合成至主极化方向上，得到：

E_i＝E_xcosα_icosδ_i+E_ysinα_icosδ_i+E_zsinδ_i。

进一步，所述步骤五具体为：

(1)首先利用设定的不同背景速度v₁,v₂……v_n计算某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t₁,t₂……t_n；

(2)比较网格散射波在不同速度下主极化方向能量，并选取最大能量值E_max；

(3)计算主极化方向与理论P波、SH波和SV波的夹角cosθ_tp、cosθ_tsh和cosθ_tsv：

(4)计算提取的三种网格散射波能量：

E_pi＝E_max×cosθ_tp；E_shi＝E_max×cosθ_tsh；E_svi＝E_max×cosθ_tsv

(5)由此可完成不同类型散射波的信号提取，并且其过程与成像点位置及信号原始特征相关，具有全空间特性，为准确获取煤层下伏陷落柱的散射波信号提供手段。

与现有技术相比，本发明先布设工作面透射地震观测***，然后进行激发点激发及接收点的接收地震波过程，进而根据获得的数据能建立工作面三维散射成像模型，接着将模型网格化，然后分别计算各个网格的主极化方向能量，进而能依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量(即对同一网格分别获得在各个激发点和检波点之间的不同类型波能量)，并将每个网格获得的所有不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E_ptol、E_shtol和E_svtol；最后将不同类型散射波能量E_ptol、E_shtol和E_svtol分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测。本发明通过在底板传播的双巷透射地震波中提取能反映底板岩体信息的散射体波，构建垂直向下的散射波探测模型，并在动态极化滤波的基础上同步实现纵横波矢量分离，并根据能量进行三维成像，最终实现探测煤层下伏陷落柱的目的，另外本发明无需额外增加探测设备，通过工作面透射地震观测即能实现，对于突破下伏陷落柱地震探测技术的瓶颈具有现实意义。

附图说明

图1是本发明中的工作面透射地震观测***布设示意图；

图2是本发明中建立的工作面三维探测模型示意图；

图3是本发明中主极化方向能量合成示意图；

图4是本发明中的煤层下伏陷落柱三维探测结果示意图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

步骤一：将工作面回采方向定义为X，工作面切眼方向定义为Y，垂直于顶底板方向定义为Z，建立工作面XYZ坐标系；工作面的皮带巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个接收点，多个接收点等间距10m设置且处于同一直线上；每个接收点均设有三分量检波器，各个三分量检波器与地震仪连接，工作面的轨道巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个激发点，多个激发点等间距10m设置且处于同一直线上，各个激发点均设有震源，各个接收点和各个激发点处于同一水平面，完成工作面透射地震观测***的布设工作；

步骤二：多个激发点上的震源依次激发，各个接收点上的三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号(即每个激发点激发地震波时各个接收点上的三分量检波器均接收一次地震波信号)，并传递给地震仪记录分析后，获得工作面三维散射成像模型(三维散射成像模型分为P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型)，如图2所示，成像模型的坐标系与工作面XYZ一致，其中Z＝0代表煤层底板0m处，X和Y分别代表在工作面走向和宽度方向的位置，将工作面XYZ空间进行网格化，形成分别在三个方向上以ΔX、ΔY和ΔZ为间隔的共l×w×d个网格；

步骤三：设某一网格存在陷落柱散射点，背景速度为v_i，则能计算该网格到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t_i及传播路径向量

此时由传播路径方向确定理论上P、SH和SV波的偏振方向，即向量

和

具体为：

设网格中心点坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，激发点坐标为(x_si，y_si，z_si)和接收点坐标为(x_ri，y_ri，z_ri)，则散射波旅行时t_i为：

则传播路径

为：

由地震波偏振理论得出，向量

平行于传播路径

垂直于激发点和接收点所在平面且与传播路径

垂直，

位于激发点和接收点所在平面内且与传播路径

垂直，因此，根据空间向量计算法能依次求取向量

和

步骤四、利用基于小波变换的自适应协方差极化分析方法计算各个检波点接收各个激发点信号中所有t_i时刻的三分量信号主极化方向

如图3所示，并将X、Y和Z三个分量相应时刻的能量合成至主极化方向上，形成主极化方向能量E_i；具体为：

(1)采用Morlet小波对三分量信号进行小波变换，并进行自适应协方差矩阵极化分析，得出矩阵M存在3个特征值，且λ₁＞λ₂＞λ₃，及相应的特征向量

分别为v_kx，v_ky，v_kz，k＝1,2,3，由此能计算信号：

主极化方向

倾角

方位角α_i＝arctan(v_1y/v_1x)

(2)主极化方向能量E_i的计算：

将三分量地震信号的振幅取平方能获得其相应的能量，分别为E_x、E_y和E_z，将三个方向能量合成至主极化方向上，得到：

E_i＝E_xcosα_icosδ_i+E_ysinα_icosδ_i+E_zsinδ_i。

步骤五：设定背景速度取值区间[v_min,v_max]，背景速度取值间隔Δv，利用不同的背景速度v₁,v₂……v_n获取某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t₁,t₂……t_n对应的主极化方向能量E₁,E₂……E_n，其中最大值E_max即为此网格散射点的主极化方向能量，由此能根据此时主极化方向

和理论上P、SH和SV波的偏振方向

和

间的夹角提取相应不同类型波的能量，分别记为E_pi、E_shi和E_svi；具体为：

(1)首先利用设定的不同背景速度v₁,v₂……v_n计算某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t₁,t₂……t_n；

(2)比较网格散射波在不同速度下主极化方向能量，并选取最大能量值E_max；

(3)计算主极化方向与理论P波、SH波和SV波的夹角cosθ_tp、cosθ_tsh和cosθ_tsv：

(4)计算提取的三种网格散射波能量：

E_pi＝E_max×cosθ_tp；E_shi＝E_max×cosθ_tsh；E_svi＝E_max×cosθ_tsv

(5)由此可完成不同类型散射波的信号提取，并且其过程与成像点位置及信号原始特征相关，具有全空间特性，为准确获取煤层下伏陷落柱的散射波信号提供手段。

步骤六：重复步骤五依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量(即对同一网格分别获得在各个激发点和检波点之间的不同类型波能量)，并将每个网格获得的所有不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E_ptol、E_shtol和E_svtol；

步骤七：将步骤六获得的网格不同类型散射波能量E_ptol、E_shtol和E_svtol分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测，如图4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：将工作面回采方向定义为X，工作面切眼方向定义为Y，垂直于顶底板方向定义为Z，建立工作面XYZ坐标系；工作面的皮带巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个接收点，多个接收点等间距设置且处于同一直线上；每个接收点均设有三分量检波器，各个三分量检波器与地震仪连接，工作面的轨道巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个激发点，多个激发点等间距设置且处于同一直线上，各个激发点均设有震源，各个接收点和各个激发点处于同一水平面，完成工作面透射地震观测***的布设工作；

步骤二：多个激发点上的震源依次激发，各个接收点上的三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号，并传递给地震仪记录分析后，获得工作面三维散射成像模型，成像模型的坐标系与工作面XYZ一致，其中Z＝0代表煤层底板0m处，X和Y分别代表在工作面走向和宽度方向的位置，将工作面XYZ空间进行网格化，形成分别在三个方向上以ΔX、ΔY和ΔZ为间隔的共l×w×d个网格；

步骤三：设某一网格存在陷落柱散射点，背景速度为v_i，则能计算该网格到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t_i及传播路径向量

此时由传播路径方向确定理论上P、SH和SV波的偏振方向，即向量

和

步骤四、利用基于小波变换的自适应协方差极化分析方法计算各个检波点接收各个激发点信号中所有t_i时刻的三分量信号主极化方向

并将X、Y和Z三个分量相应时刻的能量合成至主极化方向上，形成主极化方向能量E_i；

步骤五：设定背景速度取值区间[v_min,v_max]，背景速度取值间隔Δv，利用不同的背景速度v₁,v₂……v_n获取某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t₁,t₂……t_n对应的主极化方向能量E₁,E₂……E_n，其中最大值E_max即为此网格散射点的主极化方向能量，由此能根据此时主极化方向

和理论上P、SH和SV波的偏振方向

和

间的夹角提取相应不同类型波的能量，分别记为E_pi、E_shi和E_svi；

步骤六：重复步骤五依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量，并将每个网格获得的不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E_ptol、E_shtol和E_svtol；

步骤七：将步骤六获得的网格不同类型散射波能量E_ptol、E_shtol和E_svtol分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测。

2.根据权利要求1所述的一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，相邻接收点之间的距离为10m；相邻激发点之间的距离为10m。

3.根据权利要求1所述的一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

设网格中心点坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，激发点坐标为(x_si，y_si，z_si)和接收点坐标为(x_ri，y_ri，z_ri)，则散射波旅行时t_i为：

则传播路径

为：

由地震波偏振理论得出，向量

平行于传播路径

垂直于激发点和接收点所在平面且与传播路径

垂直，

位于激发点和接收点所在平面内且与传播路径

垂直，因此，根据空间向量计算法能依次求取向量

和

4.根据权利要求1所述的一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

(1)采用Morlet小波对三分量信号进行小波变换，并进行自适应协方差矩阵极化分析，得出矩阵M存在3个特征值，且λ₁＞λ₂＞λ₃，及相应的特征向量

分别为v_kx，v_ky，v_kz，k＝1,2,3，由此能计算信号：

主极化方向

倾角

方位角α_i＝arctan(v_1y/v_1x)

(2)主极化方向能量E_i的计算：

将三分量地震信号的振幅取平方能获得其相应的能量，分别为E_x、E_y和E_z，将三个方向能量合成至主极化方向上，得到：

E_i＝E_xcosα_icosδ_i+E_ysinα_icosδ_i+E_zsinδ_i。

5.根据权利要求1所述的一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

(1)首先利用设定的不同背景速度v₁,v₂……v_n计算某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t₁,t₂……t_n；

(2)比较网格散射波在不同速度下主极化方向能量，并选取最大能量值E_max；

(3)计算主极化方向与理论P波、SH波和SV波的夹角cosθ_tp、cosθ_tsh和cosθ_tsv：

(4)计算提取的三种网格散射波能量：

E_pi＝E_max×cosθ_tp；E_shi＝E_max×cosθ_tsh；E_svi＝E_max×cosθ_tsv

(5)由此可完成不同类型散射波的信号提取。

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