CN102788991B - 基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法。本发明通过以下步骤实现：（一）数据采集；（二）数据处理：首先建立观测系统，即输入炮点和检波点坐标，通过观测系统采集Z分量槽波，然后依次经过槽波数据分析、带通滤波、成像；（三）资料解释：采用成像结果和工作面巷道揭露的地质资料相结合，综合判定工作面内的断层、陷落柱等地质异常的发育情况，绘出工作面内的地质构造综合解释图。本发明极大地提高了工作效率，使大跨度工作面（1000m以上）的施工工作可以在8小时内完成，在巷道侧帮布置测点，同时接收Z分量槽波信号，提高了射线覆盖密度，最大可能地采集到更多信息，提高了探测精度。

Description

基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法

技术领域

本发明属于煤矿井下地球物理探测技术领域，具体涉及一种基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法，用于精细探测回采工作面内部小断层、陷落柱等地质异常。

背景技术

在煤炭开采过程中，常常因不能准确预测采掘前方的小构造而发生灾害事故。随着机械化采煤技术的发展，综采工作面的生产能力和效益在很大程度上依赖于对小构造的查明程度，因为小构造的存在会破坏了煤层的连续性，影响井巷围岩的稳定性，甚至会形成良好的导水通道或瓦斯聚集区，成为煤安全生产的潜在隐患。近年来，煤矿采区三维地震勘探技术基本能够预先查明落差5m以上小断层、直径30m以上的陷落柱，但这一精度与生产的需求仍然存在较大的差距，为此需要发展煤矿井下地球物理探测技术。

目前用于煤矿井下的地球物理探测技术中，槽波勘探是最有效的探测方法之一，它具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易于识别以及成果直观等优点，尤其在探测精度和距离上明显优于其他煤矿井下物探方法。在槽波地震探测中，由于Love型槽波相对简单、容易形成，所以目前槽波勘探利用的都是Love型槽波，接收的是x、y两个水平分量；但是，x、y双分量的接收增加了工作量和数据处理的难度，且双分量检波器安装需要打孔、定向和充气等，增加了施工难度，降低了工作效率。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种只接收垂直z分量，减小了工作量，提高了工作效率3-4倍，提高了探测精度的基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：

一种基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法，其特殊之处在于：通过以下步骤实现：

（一）数据采集：

1）激发采用炸药震源孔中爆破方式，在巷道侧帮设置炮点，炮孔打在煤层中心，垂直煤壁方向，孔深2m，孔径以能放进炸药为准；雷管采用瞬发雷管；依次引爆炸药，连续放炮；

2）在巷道侧帮布置检波器，将传感器用对接头对接到锚杆露头上，用螺帽拧紧固定;

（二）数据处理：

1）首先建立观测系统，即输入炮点和检波点坐标；

2）槽波能量扩散补偿：通过观测系统采集Z分量槽波，槽波成二维板状扩散，且有频散衰减，能量会减弱，槽波能量除以x^-5/6 ,x表示传播距离，可以补偿能量衰减的影响，原始单炮经扩散补偿校正后，远距离记录能量有所加强，波形更加清楚;

3）槽波数据分析：利用弹性波传播距离和到达时间，计算纵波、横波、槽波的速度，并用多重滤波法提取槽波群速度频散曲线，频散曲线中速度最低部分对应槽波埃里相;

4)带通滤波：采用带通滤波器，保留槽波埃里相频率部分，频率带通范围根据3）步骤中槽波埃里相的频率范围选择，这样就提高了槽波信噪比；

5）成像：通过槽波能量强弱计算槽波透射系数，采用透射系数成图法、振幅CT成像法进行成像；在槽波发育较差时，采用折射波初至CT成像，即拾取来自顶底板的折射波初至时间进行CT成像；

（三）资料解释：

采用成像结果和工作面巷道揭露的地质资料相结合，综合判定工作面内的断层、陷落柱等地质异常的发育情况，绘出工作面内的地质构造综合解释图。

上述的步骤(二) 数据处理中提取槽波群速度频散曲线采用多次滤波技术提取群速度频散曲线，具体方法为：

设在震源为                                               的接收点观测到的槽波记录为，且令为的傅氏变换或频谱，然后用不同中心频率（）的窄带滤波器对进行多次滤波，遂得一系列输出的谱：

将其经反傅氏变换，得相应的一系列时间信号（），分别计算各信号的瞬时振幅或包络则为

                     

式中，是的正交地震道或虚地震道，包络极大值对应的时间是窄带滤波器中心频率附近的分量震源到接收点的旅行时，于是可算出群速度 ，                     

选用高斯滤波器

式中     —— 中心频率；

         ——滤波器的相对宽度；

         ——高斯函数值的锐度参数。

与现有技术相比，本发明的优点有：

1、极大地提高了工作效率，使大跨度工作面（1000m以上）的施工工作可以在8小时内完成。

2、在巷道侧帮布置测点，同时接收Z分量槽波信号，提高了射线覆盖密度，最大可能地采集到更多信息，提高了探测精度。

3、采用普通Z分量垂向检波器，检波器安置不用打孔，节省了很多成本花费，提高了工作效率。

4、利用成像技术使的槽波探测结果清晰直观，便于综合地质解释，探测精度高。

附图说明

图1为本发明建立的观测系统图；

图2为漏能型瑞雷型槽波数值模拟z分量记录图；

图3为实际z分量槽波记录图；

图4 为透射系数成图；

图5为构造综合解释图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明通过以下步骤实现：

（一）、数据采集：

1）激发采用炸药震源孔中爆破方式，在巷道侧帮设置炮点，炮孔打在煤层中心，垂直煤壁方向，孔深2m，孔径以能放进炸药为准；雷管采用瞬发雷管；依次引爆炸药，连续放炮；

2）在巷道侧帮布置检波器，将传感器用对接头对接到锚杆露头上，用螺帽拧紧固定;

（二）、数据处理：

1）首先建立观测系统，即输入炮点和检波点坐标；

2）槽波能量扩散补偿：通过观测系统采集Z分量槽波，槽波成二维板状扩散，且有频散衰减，能量会减弱，槽波能量除以x^-5/6 ,x表示传播距离，可以补偿能量衰减的影响，原始单炮经扩散补偿校正后，远距离记录能量有所加强，波形更加清楚;

3）槽波数据分析：利用弹性波传播距离和到达时间，计算纵波、横波、槽波的速度，并用多重滤波法提取槽波群速度频散曲线，频散曲线中速度最低部分对应槽波埃里相;

4)带通滤波：采用带通滤波器，保留槽波埃里相频率部分，频率带通范围根据3）步骤中槽波埃里相的频率范围选择，这样就提高了槽波信噪比；

5）成像：通过槽波能量强弱计算槽波透射系数，采用透射系数成图法、振幅CT成像法进行成像；在槽波发育较差时，采用折射波初至CT成像，即拾取来自顶底板的折射波初至时间进行CT成像。CT算法采用ART、SIRT、LSQR等算法。

（三）、资料解释：

采用成像结果和工作面巷道揭露的地质资料相结合，综合判定工作面内的断层、陷落柱等地质异常的发育情况，绘出工作面内的地质构造综合解释图。

上述的步骤(二) 数据处理中提取槽波群速度频散曲线采用多次滤波技术提取群速度频散曲线，具体方法为：

设在震源为的接收点观测到的槽波记录为，且令为的傅氏变换或频谱，然后用不同中心频率（）的窄带滤波器对进行多次滤波，遂得一系列输出的谱：

将其经反傅氏变换，得相应的一系列时间信号（），分别计算各信号的瞬时振幅或包络则为

                     

式中，是的正交地震道或虚地震道，包络极大值对应的时间是窄带滤波器中心频率附近的分量震源到接收点的旅行时，于是可算出群速度 ，                     

选用高斯滤波器

式中     —— 中心频率；

         ——滤波器的相对宽度；

         ——高斯函数值的锐度参数。

本发明的具体实施步骤：

1）采用孔中炸药震源激发。在四周侧帮设置炮点（如图1），炮点间距一般40m，炮孔基本打在煤层中心，垂直煤壁方向，孔深一般2m，孔径以能放进炸药为准。对3-6m厚煤层药量一般采用400g，对超薄煤层应减少药量、巨厚煤层应增加药量；雷管采用瞬发雷管。装炮时须将炸药放到孔底，并充实炮泥，保证炮泥不被冲出。

2）在巷道侧帮布置检波器（图1），检波器对接到锚杆上，四周用螺帽拧紧固定，检波器道间距一般10m。

3）炮点、检波器、大线、仪器等布好后，依次引爆炸药、连续放炮，同时记录班报。放炮结束，数据采集完成。

4）槽波数据处理。首先建立观测系统（图1），对数据做初步处理，包括初至校正、球面扩散补偿、宽频滤波等，根据瑞雷型槽波的频谱范围滤掉其他波形，保留瑞雷型槽波；然后通过槽波能量强弱计算槽波透射系数，采用透射系数成图法进行成像；在槽波发育较差时，可采用折射波初至CT成像，即拾取来自顶底板的折射波初至时间采用ART或SIRT算法进行成像。

5）资料综合解释。根据成像结果，结合工作面巷道揭露的地质资料，综合判定工作面内的断层、陷落柱等地质异常，绘出工作面地质构造解释图。

理论支撑：

现有技术中未使用瑞雷型槽波进行探测的原因是简正振型瑞雷型槽波的形成条件苛刻，需要围岩横波速度大于煤层纵波速度，而漏能振型槽波衰减很快，另外瑞雷型槽波频散方程十分复杂不易求解。

实际上，围岩横波速度和煤层纵波速度差异较小，我们通过数值模拟发现：漏能振型瑞雷型槽波并非在短距离内完全衰减（图2），大部分瑞雷型槽波的能量仍在煤层内。图2中瑞雷型槽波在200m范围内能量仍然很强，传播400-500m距离后瑞雷型槽波依然很清晰，而一般工作面宽度在200m左右，所以在较大范围内可以接收到瑞雷型槽波，这为我们采用瑞雷型槽波z分量进行探测提供了理论依据。

实施例：

某工作面走向长1400m，倾向宽190m，平均煤厚4.5m，回风巷揭露断层5条，运输巷揭露断层11条，切眼揭露断层3条，内部构造复杂，严重影响了该工作面的回采。由于大部分断层的断距较小，地面三维地震无法查清，而井下无线电波坑透受金属网、锚杆等影响穿透深度不够，但是槽波地震勘探不受铁磁物质的影响，具有传播距离远、探测精度高等优点，所以选择槽波透射法来探查该工作面的内部构造。

设计炮间距40m（切眼处3炮，炮间距20m），道间距10m，共布置炮点67炮、检波点共290个，观测系统如图1所示，接收到的z分量槽波记录如图3。

采集结束后对Z分量瑞雷型槽波数据进行了初至校正、球面扩散补偿、滤波等处理，通过槽波能量强弱计算槽波透射系数，采用透射系数成图法进行了成像（图4），结合工作面巷道揭露的地质异常资料，绘出工作面地质构造解释图（图5）。

该工作面后期利用数条巷道对槽波探测的结果进行验证，揭露结果和解释结果吻合，不足的是有一条延展长度较短的小断层没有解释出来。根据以往实际探测效果统计，该方法的准确率在85%以上。

Claims (2)

1.一种基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

（一）数据采集：

1）激发采用炸药震源孔中爆破方式，在巷道侧帮设置炮点，炮孔打在煤层中心，垂直煤壁方向，孔深2m，孔径以能放进炸药为准；雷管采用瞬发雷管；依次引爆炸药，连续放炮；

2）在巷道侧帮布置检波器，将检波器用对接头对接到锚杆露头上，用螺帽拧紧固定;

（二）数据处理：

1）首先建立观测系统，即输入炮点和检波点坐标；

2）槽波能量扩散补偿：通过观测系统采集z分量槽波，槽波成二维板状扩散，且有频散衰减，能量会减弱，槽波能量除以x^-5/6 ,x表示传播距离，可以补偿能量衰减的影响，槽波经扩散补偿校正后，远距离记录能量有所加强，波形更加清楚;

3）槽波数据分析：利用弹性波传播距离和到达时间，计算纵波、横波、槽波的速度，并用多重滤波法提取槽波群速度频散曲线，频散曲线中速度最低部分对应槽波埃里相;

4)带通滤波：采用带通滤波器，保留槽波埃里相频率部分，频率带通范围根据3）步骤中槽波埃里相的频率范围选择，这样就提高了槽波信噪比；

5）成像：通过槽波能量强弱计算槽波透射系数，采用透射系数成图法、振幅CT成像法进行成像；在槽波发育较差时，采用折射波初至CT成像，即拾取来自顶底板的折射波初至时间进行CT成像；

（三）资料解释：

采用成像结果和工作面巷道揭露的地质资料相结合，综合判定工作面内的断层、陷落柱等地质异常的发育情况，绘出工作面内的地质构造综合解释图。

2.根据权利要求1所述的基于z分量的透射槽波高密度快速探测方法，其特征在于：所述的步骤(二) 数据处理中提取槽波群速度频散曲线采用多次滤波技术提取群速度频散曲线，具体方法为：

设在震源为                                                的接收点观测到的槽波记录为，且令为的傅氏变换或频谱，然后用不同中心频率（）的窄带滤波器对进行多次滤波，遂得一系列输出的谱：

      

将其经反傅氏变换，得相应的一系列时间信号（），分别计算各信号的瞬时振幅或包络则为               式中，是的正交地震道或虚地震道，包络极大值对应的时间，是槽波在频率处到达接收点所用时间，于是可算出群速度 ，                     

选用高斯滤波器

式中     —— 中心频率；

         ——滤波器的相对宽度；

         ——高斯函数值的锐度参数。