CN102426384A - 一种探测地下采空区和岩溶分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探测地下采空区和岩溶分布的方法，步骤如下：步骤1，在待探测区域布设检波器和震源；步骤2，震源激发产生地震波，检波器采集地下震动信息；步骤3，进行空间方向滤波，滤除杂波，得到地下采空区和岩溶地质体的散射波和反射波，计算其能量分布谱；步骤4，对散射波和反射波进行速度扫描，确定岩体波速分布；步骤5，制定地下采空区和岩溶的形态与分布特征图。本发明提供了一种用于探测地下采空区及岩溶分布的方法，克服现有技术中不能有效探查地形和地质结构复杂背景和无水高阻采空区及岩溶的缺陷。本发明综合利用散射波和反射波，应用合成孔径偏移成像技术实现对采空区和岩溶分布的有效探测，为工程施工的安全进行提供有效保证。

Description

一种探测地下采空区和岩溶分布的方法

技术领域

本发明涉及工程地质勘查领域，尤其涉及一种探测地下采空区和岩溶地质灾害诊断技术。

背景技术

自20世纪末以来，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，随着时间的推移，地下水和瓦斯气体充填采空区，一旦挖通就会造成透水、瓦斯爆炸等矿难。由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因煤矿采空区引起的煤矿灾害屡屡发生，著名的王家岭矿“3·28”特别重大透水事故就是由于挖通采空区导致巷道被淹。因此，如何勘查地下采空区的分布范围、空间形态特征，一直是工程技术领域的难题。

岩溶形态复杂、界面极不规则，对地震波难以形成有效反射，主要以散射形式为主，信号较弱、干扰大、难以探测。在铁路、公路建设中对施工安全和施工质量有极大地威胁。

当前，地下采空区和岩溶的常用探测方法主要有三维地震法、高密度电法和瞬变电磁法。

其中，三维地震法是建立在反射地震理论基础之上，主要研究水平连续地层，不适合复杂、地质结构横向变化大的山区。三维地震法在山区探测的效果不佳，难于获得清楚的地质图像，更难于判断采空区的位置。高密度电法和瞬变电磁对于有填充的低阻采空区反应灵敏，但是对于未填充的高阻采空区极不敏感，这种采空区往往被漏报。这两种方法都不能有效地解决中小型采空区和岩溶的探测问题，特别是对于未填充的采空区和岩溶的探测效果不佳。

本发明建立在散射理论基础上，不但适合大的连续界面，更适合于横向剧烈变化的场合；散射波可以有效的发现孤立的溶洞和采空区。，不管是否有填充。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能准确探测地下采空区和岩溶分布的方法。

本发明探测地下采空区和岩溶分布的方法，具体步骤如下：

步骤1，在待探测区域布设地震检波器和机械震源；

步骤2，机械震源激发产生地震波，地震检波器采集地下震动信息；

步骤3，滤除所述地下震动信息中的杂波，得到来自地下采空区和岩溶的散射波和反射波，计算获得散射波和反射波的能量分布谱；

步骤4，对所述散射波和反射波进行速度扫描，确定地下岩体波速分布；

步骤5，制定地下采空区和岩溶的形态与分布特征图。

进一步地，在所述步骤3滤除杂波之前，先对所述地震检波器采集的地下震动信息进行预处理，所述预处理包括去除干扰、延时校正、数据增益中的一种或多种。

进一步地，所述步骤3中，对所述地下震动信息进行空间方向滤波，以滤除所述地下震动信息中的杂波。

进一步地，所述杂波为面波、直达波、侧向回波中的一种或多种。

进一步地，所述步骤1中，在待探测区域内依次间隔地布设多个地震检波器和多个机械震源；且，

地震检波器之间的距离不大于所述机械震源产生的地震波波长的1/4；

布设的多个地震检波器和多个机械震源形成的总排列长度不小于所述地震波波长。

进一步地，所述多个地震检波器和多个机械震源布设在同一水平线上。

进一步地，所述步骤1中，按照以下方法布设地震检波器和机械震源，

在待探测区域内依次布设多个地震检波器后再布设一个机械震源；或者，

在待探测区域内布设一个机械震源后再依次布设多个地震检波器；

其中，

地震检波器之间的距离不大于所述机械震源产生的地震波波长的1/4；且，

布设的多个地震检波器形成的总排列长度不小于所述地震波的波长。

进一步地，所述多个地震检波器和一个机械震源布设在同一水平线上。

进一步地，所述步骤4中，对待探测区域地下散射波与反射波的偏移叠加能量按照以下公式求极值，递进改变波速计算叠加能量，当叠加能量取极值时对应的波速就是最佳波速；

按照以下公式计算不同部位的最佳波速：

其中, v为介质波速；

      h为距离地面的深度；

      x为水平方向的坐标。

进一步地，所述步骤5中，通过对步骤3得到的地下散射波和反射波的能量、以及步骤4得到的各个地层对应的最佳波速进行合成孔径偏移成像，制定所述地下采空区和岩溶的形态与分布特征图。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种新型的用于探测地下采空区及岩溶分布的方法，以克服现有技术中三维地震法、高密度电法、瞬变电磁法等方法不能有效探查采空区及岩溶的缺陷。本发明建立在散射理论基础上，不但适合大的连续界面，更适合于横向剧烈变化的场合；散射波可以有效的发现孤立的溶洞和采空区，且不管溶洞和采空区是否有填充。本发明综合利用散射波和反射波，实现对采空区和岩溶分布的有效探测，这就为建筑施工的安全进行提供了前提保证。

附图说明

图1为本发明探测地下采空区和岩溶分布方法的第一种实现方式的流程示意图；

图2为本发明探测地下采空区和岩溶分布方法的第二种实现方式的流程示意图；

图3为本发明中的地震检波器和机械震源的第一种布设方式的分布示意图；

图4为本发明中的地震检波器和机械震源的第二种布设方式的分布示意图；

图5为经过预处理后的地下反射与散射信号在F-K域的投影示意图；

图6为对地下反射与散射信号进行方向滤波前后的效果对比图；

图7为速度扫描结果的示意图；

图8为合成孔径偏移成像的结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

为了提高地下采空区和岩溶分布的探测准确度，本发明提供一种综合考虑地质体散射波和反射波进行地层与地质病害（这里以采空区和岩溶为典型代表）探测的方法。如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，在待探测区域地表上布设地震检波器10和机械震源20，形成检测系统。其中，地震检波器10还要与主控机相通信，将采集的信息发送至主控机进行数字化和数据分析处理。

步骤2，机械震源20激发产生地震波，地震检波器10采集包含地下反射与散射信号的地下震动信息，并发送至主控机。

步骤3，主控机接收地震检波器10发送来的地下震动信息，对地下震动信息进行空间方向滤波，滤除其中的杂波干扰，得到来自地下采空区和岩溶的散射波和反射波，并进一步通过散射波和反射波的幅值变化计算获得散射波和反射波的能量分布谱。

步骤4，对散射波和反射波进行速度扫描，确定地下岩体波速分布。

步骤5，使用滤波后的散射波和反射波、扫描得到的速度分布进行合成孔径偏移成像，来确定采空区和岩溶的形态与分布特征图。

如图2所示，为了提高主控机处理地下震动信息的速度及精准度，在进行步骤3方向滤波之前，先对地震检波器10采集的地下震动信息进行数字化和预处理。主要包括将地震检波器10发送来的电信号转变为数字信号,然后再进行去除地震检波器10采集的噪声干扰信号、为提高多个地震检波器10采集信息的同步性而进行的延时校正、为更好的进行信号识别而进行的数据增益放大等预处理操作中的一种或多种。

下面对本发明的探测地下采空区和岩溶分布的具体过程进行简单介绍。

首先，在待探测区内布设检测系统，主要包括用于产生地震波的机械震源20，用于采集地下震动信息的地震检波器10，用于进行信号数字化和数据处理的主控机。其中主控机与地震检波器10之间可以通过线缆相连进行有线通信，二者也可以通过无线方式连接进行无线通信。本发明中针对主控机带载能力的不同，可以按照以下两种方式在待探测区内布设机械震源20和地震检波器10：

1．若主控机通道数量小（24道以内），则在待探测区域内依次间隔地布设多个地震检波器10和多个机械震源20，也就是说每间隔一个地震检波器10就布置一个机械震源20，如图3所示。若机械震源20激发的地震波的波长为λ，则地震检波器10之间的距离d应满足d≤1/4λ；而多个地震检波器10排列形成的长度l，即布设多个地震检波器10和多个机械震源20形成的总排列长度l应满足l≥λ。进一步地，为了达到最佳的探测结果，多个地震检波器10和多个机械震源20应布设在同一水平线上。在进行现场探测时，布设好检测系统后，可保持地震检波器10和机械震源20的相对位置不变，沿方向a同步向前移动进行探测。

2．若主控机通道数量大(32道以上)，则在待探测区域内依次布设多个地震检波器10后再布设一个机械震源20；或者，在待探测区域内布设一个机械震源20后再依次布设多个地震检波器10。也就是说间隔布设多个地震检波器10后，在首尾地震检波器10位置上再布设一个机械震源20，形成检测系统，如图4所示。若机械震源20激发的地震波的波长为λ，则地震检波器10之间的距离dˊ应满足dˊ≤1/4λ；而布设的多个地震检波器10形成的总排列长度lˊ应满足lˊ≥λ。同样地，为了达到最佳的探测结果，多个地震检波器10和一个机械震源20布设在同一水平线上。在进行现场探测时，布设好检测系统后，可保持地震检波器10和机械震源20的相对位置不变，沿方向a同步向前移动进行探测。

其次，机械震源20激发产生地震波，地震检波器10为一组传感器，可以将地下的震动转变为电信号发送至主控机。主控机接收到地震检波器10发送的地下震动信息，先将地下震动信息进行数字化，再对其进行预处理，去除采集到的检测现场的干扰噪声信号，对信息进行同步和增益放大后，对初步处理之后生成的地震记录信息进行保存。然后把记录投影在F-K域里，如图5所示，不同方向来的回波会分布在不同的F-K域区间，通过选择合适的滤波因子，保留从地下来的反射波和散射波，滤除表面波、直达波、侧向回波等其他方向的回波等干扰波。经过方向滤波后，就得到了用于表征地下形态特征的散射波和反射波能量分布谱，如图6所示。至此就得到了用于探测地下采空区和岩溶形态特征图的第一方面数据。

接着，主控机对散射波和反射波进行速度扫描，确定不同地段不同深度的围岩波速分布情况。

对待探测区域地下散射波与反射波的偏移叠加能量按照以下公式求极值。递进改变波速计算叠加能量，当叠加能量取极值时对应的波速就是最佳波速。按照以下公式计算不同部位的最佳波速：

其中, v为介质波速，为待求量，它反应介质的力学性状。h和x分别代表垂直方向和水平方向的距离，其中，h为距离地面的深度；x为水平方向的坐标。

当波速值取真实值时积分曲线与记录到的走时曲线一致，积分取最大值。因而真实的波速可由像点值的极值求取。

上式的计算可以通过分区速度扫描完成，计算不同部位、不同速度对应的像点值，选取各部位的最大像点值对应的速度，就可得到各个深度岩石的最佳波速分布谱。至此就得到了用于制定地下采空区和岩溶形态特征图的第二方面数据。

最后，对上述获得的两方面数据（散射波和反射波的能量分布谱、不同地段不同深度的最佳波速分布谱）进行合成孔径偏移成像，根据偏移叠加后的图像来识别地下采空区和岩溶的位置、形态和力学性质。其中，若速度低，则代表岩石强度低、岩石破碎程度高，该区域为采空区或者岩溶区。若速度高，则代表岩石强度高、岩石坚硬、完整度好。

下面以贵州省毕威高速水塘隧道煤矿采空区地段为例，说明本发明的探测方法应用于实际工程试验时的效果。探测深度为120米，结果发现隧道仰拱下方15米处存在采空区，进行钻孔验证，检测结果与实际结果仅相差1米。误差仅为0.83%，在工程领域是相当小的误差。具体探测过程如下。

（1）测线长60米。在地面上按照一定间距布置地震检波器10，每隔一个检波器点由机械震源20激发产生震动波，同时测量地震检波器10记录下来的散射波和反射波，共得到21个记录。

（2）对散射波和反射波进行方向滤波，滤除面波和直达波，得到地震检波器10记录的来自地下采空区和岩溶地质体的散射波和反射波。

（3）对散射波和反射波进行速度扫描，确定不同地段不同深度的围岩波速分布，如图7所示。

（4）对散射波和反射波进行合成孔径偏移成像，得到偏移图像，如图8所示。

（5）在偏移图像上识别，得到采空区等位置，如图8所示。

（6）根据上述结果，在现场钻孔验证。钻孔结果显示，在（5,1930）处地下存在一采空区。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

步骤1，在待探测区域布设地震检波器和机械震源；

步骤2，机械震源激发产生地震波，地震检波器采集地下震动信息；

步骤3，滤除所述地下震动信息中的杂波，得到来自地下采空区和岩溶的散射波和反射波，计算获得散射波和反射波的能量分布谱；

步骤4，对所述散射波和反射波进行速度扫描，确定地下岩体波速分布；

步骤5，制定地下采空区和岩溶的形态与分布特征图。

2.按照权利要求1所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

在所述步骤3方向滤波之前，先对所述地震检波器采集的地下震动信息进行预处理；

所述预处理包括去除噪声、延时校正、数据增益处理中的一种或多种。

3.按照权利要求1或2所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

所述步骤3中，对所述地下震动信息进行空间方向滤波，以滤除所述地下震动信息中的杂波。

4.按照权利要求1或2所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，所述杂波为面波、直达波、侧向回波中的一种或多种。

5.按照权利要求1或2所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

所述步骤1中，在待探测区域内依次间隔地布设多个地震检波器和多个机械震源；且，

地震检波器之间的距离不大于所述机械震源产生的地震波波长的1/4；

布设的多个地震检波器和多个机械震源形成的总排列长度不小于所述地震波的波长。

6.按照权利要求5所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，所述多个地震检波器和多个机械震源布设在同一水平线上。

7.按照权利要求1或2所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

所述步骤1中，按照以下方法布设地震检波器和机械震源，

在待探测区域内依次布设多个地震检波器后再布设一个机械震源；或者，

在待探测区域内布设一个机械震源后再依次布设多个地震检波器；

其中，

地震检波器之间的距离不大于所述机械震源产生的地震波波长的1/4；且，

布设的多个地震检波器形成的总排列长度不小于所述地震波的波长。

8.按照权利要求7所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，所述多个地震检波器和一个机械震源布设在同一水平线上。

9.按照权利要求1、2、6或8所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

所述步骤4中，对待探测区域地下散射波与反射波的偏移叠加能量按照以下公式求极值，递进改变波速计算叠加能量，当叠加能量取极值时对应的波速即为最佳波速；

按照以下公式计算不同部位的最佳波速：

其中, v为介质波速；

      h为距离地面的深度；

      x为水平方向的坐标。

10.按照权利要求1、2、6或8所述的探测地下采空区和岩溶分布的方法，其特征在于，

所述步骤5中，通过对步骤3得到的地下散射波和反射波的能量、以及步骤4得到的各个地层对应的最佳波速进行合成孔径偏移成像，制定所述地下采空区和岩溶的形态与分布特征图。

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