CN102928869B - 矿井工作面裂隙各向异性p波探测方法 - Google Patents
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Abstract
一种矿井工作面裂隙各向异性P波探测方法，属于矿井工作面内裂隙发育异常区的探测方法。P波探测方法的技术方案为：1）在矿井工作面中的一条巷道布置激发点；2）布置接收弹性P波信号的检波器组；3）原始单炮地震记录的获得；4）P波初至时间的拾取；5）炮点一侧巷道各向异性参数的计算；6）检波点一侧巷道各向异性参数的计算；7）共中心透射点连线各向异性参数的计算；8）矿井工作面裂隙各向异性分布的获得。本发明提高了矿井工作面内裂隙发育异常体的探测精度，使矿井工作面内裂隙发育密度和发育方位的定量探测成为可能，具有探测真实、可靠，探测方法科学、简捷，探测结果定量、直观、高精度，完全满足矿井工作面安全生产要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井工作面内裂隙发育异常区的探测方法，特别是一种矿井工作面裂隙各向异性弹性P波探测方法。
背景技术
对于煤层和煤层顶底板等煤系地层来说，其存在着天然的和次生的裂隙系统。对于高瓦斯煤层来说，这些裂隙是瓦斯储存的场所和运移的通道；在一定条件下，裂隙越发育越易发生瓦斯突出。当煤系地层富含承压水时，情况相类似。当裂隙系统是由于采掘过程中产生的次生裂隙时，裂隙系统越发育工作面破碎程度越严重。对于高瓦斯矿井来说，此种裂隙系统极易产生煤与瓦斯突出。
对于此问题的解决，矿井工作面震波CT探测方法仅能获得的工作面震波的速度分布图。其通过此震波速度分布图中的低速异常来推测工作面中的裂隙发育区。但工作面中低速度异常区具有多解性，并不直接对应裂隙发育异常区。其即有可能是裂隙发育区，也有可能是工作面中的低速岩性异常区。因此，利用震波CT探测矿井工作面裂隙发育区存在着明显的缺陷。
另一方面，当矿井工作面中发育天然或次生裂隙时，在地应力的作用下极易产生应力各向异性。此应力各向异性将影响在其中传播的弹性P波的速度，使不同方位接收到的弹性P波传播速度不同。反之，可以通过观测不同方位弹性P波的速度，计算工作面中的裂隙各向异性，即可以获得工作面中裂隙发育密度分面和裂隙发育方位分布。通过获得的裂隙密度分布，可以确定裂隙发育异常区的位置及范围；通过获得的裂隙方位分布，可以确定工作面中主要裂隙的走向。掌握了上述裂隙发育信息后，即可以通过采取适当的抽采和防护技术，防止矿井水或煤与瓦斯在上述区域发生突出事故，保证矿井安全、高产、高效生产。
发明内容
本发明的目的是要提供一种具有探测真实、可靠，探测方法科学、简捷的矿井工作面裂隙各向异性弹性P波探测方法。
本发明的目的是这样实现的：矿井工作面裂隙各向异性弹性P波探测方法所采用的技术方案为：1）在矿井工作面中的一条巷道布置激发点；2）布置接收弹性P波信号的检波器组；3）原始单炮地震记录的获得；4）P波初至时间的拾取；5）炮点一侧巷道各向异性参数的计算；6）检波点一侧巷道各向异性参数的计算；7）共中心透射点连线各向异性参数的计算；8）矿井工作面裂隙各向异性分布的获得；具体方法如下：
1）首先在矿井工作面中的一条巷道布置激发点，激发参数如下：
位置：矿井工作面中靠近需探测煤体一侧；
激发方式：炸药；
激发钻孔深度：2~3m；
激发药量：0.2~0.5Kg；
钻孔位置：需探测煤体中部；
钻孔方向：沿煤层方向；
激发点间距：8~16m；
雷管类型：瞬爆雷管；
2）在工作面另外可布置接收检波器的巷道布置接收弹性P波信号的检波器组，接收参数如下：
位置：矿井工作面中靠近需探测煤体一侧；
检波器布置方式：将检波器的尾锥紧固到锚杆上；
锚杆位置：需探测煤体中部；
检波器方向：沿煤层方向；
检波点间距：8~16m；
记录方式：检波器通过大线连接到数字地震仪上；
3）原始单炮地震记录的获得；首先，逐个引爆钻孔炸药，激发地震波；同时，对应接收排列中的检波器接收地震波；最后，依次移动激发点和接收排列，完成矿井工作面中布置的所有激发点和接收的激发和接收；
4）P波初至时间的拾取；首先，将测量获得的激发点和接收点坐标输入资料处理软件，并建立激发点和接收点之间相互关系的空间属性；其次，将获得的单炮地震数据导入到资料处理软件，并在资料处理软件中拾取共炮点道集中的P波初至——波峰、波谷或过零点；其次，利用建立的空间属性关系对P波初至时间进行重排，从而获得共检波点的P波初至时间道集；最后，利用建立的空间属性关系，计算出共中心透射点的坐标，并对P波初至时间进行重排，从而获得共中心透射点的P波初至时间道集；
5）炮点一侧巷道各向异性参数的计算；首先，选取炮点道集数据，通过计算炮点到其对应检波点P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去一个固定值作为最小P波速度Vpmin的初值；其次，以公式一为基础，给以一定的步长，循环迭代Vpmin、裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ，并以均方差最小的参数组合作为所计算炮点的裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ；最后，依次将所有的炮点按照相同的方式处理，获得所有炮点位置的裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ；
公式一
其中，t’i是每个实际P波初至时间，x为炮点到检波点的水平距离，h为炮点到检波点的垂直距离，为炮点到检波点连续的方位，φ为裂隙方位，δ为裂隙各向异性参数；
6）检波点一侧巷道各向异性参数的计算；首先，选取检波点道集数据，通过计算检波点到其对应炮点P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去一个固定值作为最小P波速度Vpmin的初值；其次，以公式一为基础，给以一定的步长，循环迭代Vpmin、裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ，并以均方差最小的参数组合作为所计算检波点的裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ；最后，依次将所有的检波点按照相同的方式处理，获得所有检波点位置的裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ；
7）共中心透射点连线各向异性参数的计算；首先，选取共中心透射点道集数据，计算通过共中心透射点的所有路径的P波速度平均值Vpavg，并以此平均值减去一个固定值作为最小P波速度Vpmin的初值；其次，以公式一为基础，给以一定的步长，循环迭代Vpmin、裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ，并以均方差最小的参数组合作为所计算共中心透射点的裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ；最后，依次将所有的共中心透射点按照相同的方式处理，获得所有共中心透射点位置的裂隙方位角φ和裂隙各向异性参数δ；
8）矿井工作面裂隙各向异性分布的获得；通过上述处理之后，每一个炮点、检波点和共中心透射点都可以获得各向异性参数δ和裂隙方位角φ的值；按照其坐标位置，对其进行重排序，再通过插值算法——径向基函数算法或克里金算法，对其进行插值处理，即可以获得各向异性参数δ和裂隙方位角φ在矿井工作面中的分布图；其中，各向异性参数δ越大，说明裂隙越发育；各向异性参数δ越小，说明裂隙不发育；裂隙方位角φ指示矿井工作面中裂隙的发育方位。
有益效果：由于采用了上这方案，
1）探测成果更直观，与地质异常体的对应性更强。本发明的探测成果是直接对应裂隙发育密度的各向异性参数δ和直接对应裂隙发育方位的方位角φ，因此，能直接与矿井工作面内煤层及其顶底板的破碎程度相对应。可以直接用于指导矿井工作面的安全生产。
2）探测地质异常体的精度更高。由于本发明在进行探测时，所使用的观测方式是宽方位观测。因此，对地质异常体的各个方位都有比较精确的刻画，明显减小所探测地质异常体的横向摆动，所探测地质异常体的横向摆动小于10m。
3）探测成果的可靠性更高。由于本发明所探测的结果不受矿井工作面中低速异常体的干扰，也不受矿井工作面中各种生产设备的影响，直接探测矿井裂隙发育的分布。因此，具有较高的可靠性，和较高的预测准确率。
4）施工方法简单，生产效率较高。
本发明提高了矿井工作面内裂隙发育异常体的探测精度，使矿井工作面内裂隙发育密度和发育方位的定量探测成为可能，具有探测真实、可靠，探测方法科学、简捷，探测结果定量、直观、高精度，完全满足矿井工作面安全生产要求。
附图说明：
图1矿井工作面示意图。
图2是共炮点道集示意图。
图3是共检波点道集示意图。
图4是共中心透射点道集示意图。
图5是裂隙与排列关系示意图。
图6是矿井工作面炮点——检点观测示意图。
图7是循环迭代计算裂隙各向异性参数算法流程图。
图8是共中心透射点连线示意图。
图中，1、炮点；2、检波点；3、巷道；4、炮检点连线；5、共中心透射点；6、θ角；7、φ角；8、共中心透射点连线；Vp0、最小P波速度预测值；φ0、裂隙方位角预测值；δ0、裂隙各向异性参数预测值。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明，
实施例1：矿井工作面裂隙各向异性弹性P波探测方法包括如下步骤：
1）首先，在如图1所示炮点一侧巷道中布置激发炮点，激发参数如下：
位置：矿井工作面中靠近需探测煤体一侧；
激发钻孔深度：2.5m；
激发药量：0.3Kg；
钻孔位置：需探测煤体中部，离底板1m以上；
钻孔方向：沿煤层方向；
激发点间距：8~16m；
雷管类型：瞬爆雷管；
装炮：正向装药，封孔泥封堵全孔。
2）其次，在如图1所示的检波点一侧巷道中布置检波点，接收参数如下：
位置：矿井工作面中靠近需探测煤体一侧；
检波器布置方式：将检波器的尾锥紧固到锚杆上；
锚杆位置：需探测煤体中部，离底板1m以上；
检波器方向：沿煤层方向；
检波点间距：8~16m；
3）将检波器通过大线连接到数字地震仪上，同时将需要放炮的炮点二极管连接到爆炸机上。当检查所有电线、电缆都连接正确后，通过数字地震仪调取观测系统，并为当前炮点选择正确的接收排列。完成上述工作后，激发炮点，同时接收原始地震记录。原始地震记录的长度为500~700ms。
4）当完成一个炮点的激发和原始地震记录的接收后，将激发点移动到下一激发炮点，并选择相应的接收排列。按照步骤3）的相同程序完成原始地震记录的采集。以此类推，完成所有激发炮点的激发。
5）P波初至时间的拾取。首先，将所有炮点和检波点坐标输入资料处理软件，并建立炮点和检波点之间相互关系的空间属性。其次，将获得的单炮地震数据导入到资料处理软件，并置道头形成共炮点道集，图2为共炮点道集示意图，即炮点——检波点关系图。在资料处理软件中拾取共炮点道集中的P波初至（拾取波峰）。再次，利用建立的空间属性关系对P波初至时间进行重排，生成共检波点道集，图3为共检波点道集示意图，即炮点——检波点关系图；从而获得共检波点的P波初至时间道集。最后，利用建立的空间属性关系，计算出共中心透射点的坐标，并对P波初至时间进行重排，生成共中心透射点道集，图4为共中心透射点道集示意图，即炮点——检波点关系图，从而获得共中心透射点的P波初至时间道集。
6）炮点一侧巷道各向异性参数的计算。首先，选取炮点道集数据，通过计算炮点到其对应检波点P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去500m/s作为最小P波速度Vpmin的初值。其次，以公式一为基础，循环迭代计算生成每个炮点处的Vpmin，φ和δ等参数。公式一中，图5为变量φ和?的含义图，图6为变量x和h的含义图。具体计算预测值Vp0，φ0和δ0的过程，图7为算法流程图。图中，首先给以一个特定的循环步长，循环迭代Vpmin（步长为10m/s）、裂隙方位角φ（步长为1度）和裂隙各向异性参数δ（步长为0.01），并将使误差最小的Vpmin，φ和δ作为此炮点的预测值Vp0，φ0和δ0。最后，依次将所有的炮点按照此种方式进行处理，则可以获得所有炮点位置的裂隙方位角的预测值φ0和裂隙各向异性参数预测值δ0。
公式一
其中，t’i是每个实际P波初至时间，x为炮点到检波点的水平距离，h为炮点到检波点的垂直距离，为炮点到检波点连续的方位，φ为裂隙方位，δ为裂隙各向异性参数；
7）检波点一侧巷道各向异性参数的计算。首先，选取检波点道集数据，通过计算检波点到其对应炮点P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去500m/s作为最小P波速度Vpmin的初值。其次，以公式一为基础，循环迭代计算生成每个检波点处的Vpmin，φ和δ等参数。公式一中，图5为变量φ和?的含义图，图6为变量x和h的含义图。具体计算预测值Vp0，φ0和δ0的过程，图7为算法流程图。图中，首先给以一个特定的循环步长，循环迭代Vpmin（步长为10m/s）、裂隙方位角φ（步长为1度）和裂隙各向异性参数δ（步长为0.01），并将使误差最小的Vpmin，φ和δ作为此检波点的预测值Vp0，φ0和δ0。最后，依次将所有的检波点按照此种方式进行处理，则可以获得所有检波点位置的裂隙方位角的预测值φ0和裂隙各向异性参数预测值δ0。
8）共中心透射点连线各向异性参数的计算，其中，图8为共中心透射点连线示意图。首先，选取共中心透射点道集数据，计算所示过共中心透射点的P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去500m/s作为最小P波速度Vpmin的初值。其次，以公式一为基础，循环迭代计算生成每个检波点处的Vpmin，φ和δ等参数。公式一中，图5为变量φ和?的含义图，图6为变量x和h的含义图。具体计算预测值Vp0，φ0和δ0的过程，图7为算法流程图。图中，首先给以一个特定的循环步长，循环迭代Vpmin（步长为10m/s）、裂隙方位角φ（步长为1度）和裂隙各向异性参数δ（步长为0.01），并将使误差最小的Vpmin，φ和δ作为此共中心透射点的预测值Vp0，φ0和δ0。最后，依次将所有的共中心透射点按照此种方式进行处理，则可以获得所有共中心透射点位置的裂隙方位角的预测值φ0和裂隙各向异性参数预测值δ0。
9）插值生成矿井工作面裂隙各向异性参数δ和裂隙方位角φ分布的获得。通过上述处理之后，每一个炮点、检波点和共中心透射点都可以获得各向异性参数δ和裂隙方位角φ的预测值。按照其坐标位置，对其进行重排序，再通过插值算法，即径向基函数法或克里金法，对其进行插值处理，即可以获得各向异性参数δ和裂隙方位角φ在矿井工作面中的分布图。其中，各向异性参数δ越大，说明裂隙越发育；各向异性参数δ越小，说明裂隙不发育。裂隙方位角φ指示矿井工作面中裂隙的发育方位。
Claims (1)
1.一种矿井工作面裂隙各向异性P波探测方法，其特征是：矿井工作面裂隙各向异性弹性P波探测方法所采用的技术方案为：1)在矿井工作面中的一条巷道布置激发点；2)布置接收弹性P波信号的检波器组；3)原始单炮地震记录的获得；4)P波初至时间的拾取；5)炮点一侧巷道各向异性参数的计算；6)检波点一侧巷道各向异性参数的计算；7)共中心透射点连线各向异性参数的计算；8)矿井工作面裂隙各向异性分布的获得；具体方法如下：
1)首先在矿井工作面中的一条巷道布置激发点，激发参数如下：
位置：矿井工作面中靠近需探测煤体一侧；
激发方式：炸药；
激发钻孔深度：2～3m；
激发药量：0.2～0.5Kg；
钻孔位置：需探测煤体中部；
钻孔方向：沿煤层方向；
激发点间距：8～16m；
雷管类型：瞬爆雷管；
2)在工作面另外可布置接收检波器的巷道布置接收弹性P波信号的检波器组，接收参数如下：
位置：矿井工作面中靠近需探测煤体一侧；
检波器布置方式：将检波器的尾锥紧固到锚杆上；
锚杆位置：需探测煤体中部；
检波器方向：沿煤层方向；
检波点间距：8～16m；
记录方式：检波器通过大线连接到数字地震仪上；
3)原始单炮地震记录的获得：首先，逐个引爆钻孔炸药，激发地震波；同时，对应接收排列中的检波器接收地震波；最后，依次移动激发点和接收排列，完成矿井工作面中布置的所有激发点和接收的激发和接收；
4)P波初至时间的拾取：首先，将测量获得的激发点和接收点坐标输入资料处理软件，并建立激发点和接收点之间相互关系的空间属性；其次，将获得的单炮地震数据导入到资料处理软件，并在资料处理软件中拾取共炮点道集中的P波初至——波峰、波谷或过零点；其次，利用建立的空间属性关系对P波初至时间进行重排，从而获得共检波点的P波初至时间道集；最后，利用建立的空间属性关系，计算出共中心透射点的坐标，并对P波初至时间进行重排，从而获得共中心透射点的P波初至时间道集；
5)炮点一侧巷道各向异性参数的计算：首先，选取炮点道集数据，通过计算炮点到其对应检波点P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去一个固定值作为最小P波速度Vpmin的初值；其次，以公式一为基础，给以一定的步长，循环迭代Vpmin、裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ，并以均方差最小的参数组合作为所计算炮点的裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ；最后，依次将所有的炮点按照相同的方式处理，获得所有炮点位置的裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ；
其中，t’i是每个实际P波初至时间，x为炮点到检波点的水平距离，h为炮点到检波点的垂直距离，θ为炮点到检波点连续的方位，为裂隙方位角，δ为裂隙各向异性参数；
6)检波点一侧巷道各向异性参数的计算：首先，选取检波点道集数据，通过计算检波点到其对应炮点P波传播速度的平均值Vpavg，并以此平均值减去一个固定值作为最小P波速度Vpmin的初值；其次，以公式一为基础，给以一定的步长，循环迭代Vpmin、裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ，并以均方差最小的参数组合作为所计算检波点的裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ；最后，依次将所有的检波点按照相同的方式处理，获得所有检波点位置的裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ；
7)共中心透射点连线各向异性参数的计算：首先，选取共中心透射点道集数据，计算通过共中心透射点的所有路径的P波速度平均值Vpavg，并以此平均值减去一个固定值作为最小P波速度Vpmin的初值；其次，以公式一为基础，给以一定的步长，循环迭代Vpmin、裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ，并以均方差最小的参数组合作为所计算共中心透射点的裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ；最后，依次将所有的共中心透射点按照相同的方式处理，获得所有共中心透射点位置的裂隙方位角和裂隙各向异性参数δ；
8)矿井工作面裂隙各向异性分布的获得：通过上述处理之后，每一个炮点、检波点和共中心透射点都可以获得各向异性参数δ和裂隙方位角的值；按照其坐标位置，对其进行重排序，再通过插值算法——径向基函数算法或克里金算法，对其进行插值处理，即可以获得各向异性参数δ和裂隙方位角在矿井工作面中的分布图；其中，各向异性参数δ越大，说明裂隙越发育；各向异性参数δ越小，说明裂隙不发育；裂隙方位角指示矿井工作面中裂隙的发育方位。
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| CN102012524A (zh) * | 2010-09-29 | 2011-04-13 | 中国海洋石油总公司 | 一种海上三维地震观测系统羽状漂移定量评估方法 |
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2012
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Non-Patent Citations (1)
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| 利用地震P波确定煤层瓦斯富集带的分布;崔若飞等;《煤田地质与勘探》;20071231;第35卷(第6期);第54-57页 * |
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