CN103235334B - 基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法，该方法主要包括在低抽巷道迎头顶板位置布置炮点和检波点，确定X、Z分量的下盘断点绕射波组，从下盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形，计算该地震波形的主极化方向 ，绘制以检波点为端点并以水平线逆时针夹角为的射线；确定X、Z分量的上盘断点绕射波组，从上盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形，计算该地震波形的主极化方向，绘制以检波点为端点并以水平线逆时针夹角为的射线；绘制另一检波点的射线及射线、得到射线与交点为A，射线与交点为B，计算两点高程差即得断层落差。该方法不仅操作简便，成本低，而且探测结果准确，探测效率高，有效增强了矿井施工的安全性。<b/>

Description

基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法

技术领域

本发明涉及一种探测断层落差的方法，尤其是一种基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法。

背景技术

我国煤矿安全形势仍然十分严峻，出现群死群伤的矿难主要是煤与瓦斯突出事故和矿井突水事故，这两大灾害源都与矿井地质构造有关，其中地质构造以断层最为突出。在低抽巷道掘进过程中遇到因断层导致的煤层错动及含水体运移，极易造成安全事故；如在掘进时超前预报前方断层落差则会避免该类事故。解决该问题的常规方法为钻探，而钻探效率低且存在安全风险，因此研究合理的物探方法就显得十分迫切。目前巷道采用的电磁法类及其他类物探方法对断层构造异常不敏感，只有地震类方法能够解决该问题。然而，从国内外资料分析可见，由于低抽巷道空间十分狭窄，地震方法观测系统布置十分有限，利用反射波信号进行超前成像的时候会存在假象问题，不能对断层产状进行预报，更不用说对断层落差进行判断。因此低抽巷道安全掘进急迫需要一种快捷有效的基于地震信号的方法能够超前预报断层落差(断层落差即为上下盘断点垂直高度差)。

煤层与围岩波阻抗差异明显，根据惠更斯原理所述的波具有绕射现象，地震波传播过程中当遇到断层上下盘煤层断点时，断点作为一个新震源产生振动向周围传播绕射波。因此可利用煤层断点绕射波这一地震信号进行超前探测断层落差。

发明内容

为了解决现有井下物探方法无法准确检测断层落差的问题，本发明提供一种基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法，该方法利用主极化方向约束的偏移方法实现上下盘煤层断点超前归位，通过计算两个断点垂直高度差，即可超前判定断层落差，不仅操作简便，成本低，而且探测结果准确，探测效率高，增强了矿井施工的安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法其具体步骤为：

(1)低抽巷道迎头顶板位置布置一个炮点；在炮点正后方10m、20m处各布置一个具有X、Z两分量的检波点，通过巷道内布置的地震仪获取地震记录；

(2)以炮点及炮点正后方10m检波点这一炮检对观测系统先进行说明，根据地震波传播时间先后顺序，地震记录中可清楚确定X、Z分量的下盘断点绕射波组及上盘断点绕射波组；

(3)从下盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形；上盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形；

(4)计算步骤(3)一个周期长度的下盘绕射波的主极化方向α₁，具体步骤如下：

1)计算n个采样点X分量平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{X}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i$

2)计算n个采样点Z分量平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{Z}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_i$

3)构建矩阵

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\end{array}\right]$

4)求矩阵的主特征向量(a₁,a₂)，得出检波点水平线逆时针夹角α₁：

${\mathrm{\&alpha;}}_1=\mathrm{arccot}\left|\frac{a_1}{a_2}\right|$

(5)绘制以检波点为端点，检波点水平线逆时针夹角α₁的射线L₁；

(6)重复第(3)、(4)步骤，得出一个周期长度的上盘绕射波的主极化方向以及检波点水平线逆时针夹角β₁，并绘制以检波点为端点，检波点水平线逆时针夹角β₁的射线L₂；

(7)炮点及炮点正后方20m检波点组成的炮检对观测系统重复(2)至(6)步骤，得另一检波点的射线L₃、射线L₄并绘制射线；射线L₁与L₃交点为A，该点即为下盘断点，射线L₂与L₄交点为B，该点即为上盘断点，计算两点高程差即得断层落差。

本发明的有益效果是，该方法利用主极化方向约束的偏移方法实现上下盘煤层断点超前归位，通过计算两个断点垂直高度差，即可超前判定断层落差，不仅操作简便，成本低，而且探测结果准确，探测效率高，增强了矿井施工的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的观测系统布置图。

图2是X、Z分量绕射波信号分布示意图。

图3是下盘、上盘绕射波一个周期时窗示意图。

图4是单一检波点射线示意图。

图5是两个检波点射线连接示意图。

具体实施方式

该基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法其具体步骤为：

(1)低抽巷道迎头顶板位置布置一个炮点；在炮点正后方10m、20m处各布置一个具有X、Z两分量的检波点，通过巷道内布置的地震仪获取地震记录，观测系统布置如图1，图中向右为掘进方向；

(2)以炮点及炮点正后方10m检波点这一炮检对观测系统先进行说明，根据地震波传播时间先后顺序，地震记录中可清楚确定X、Z分量的下盘断点绕射波组及上盘断点绕射波组，如图2所示；

(3)从下盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形，如图3中选取14.5ms-17ms时窗；从上盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形，如图3中选取34.4ms-36.9ms时窗；

(4)计算步骤(3)一个周期长度的下盘绕射波的主极化方向α₁，具体步骤如下：

1)计算n个采样点X分量平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{X}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i$

2)计算n个采样点Z分量平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{Z}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_i$

3)构建矩阵

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\end{array}\right]$

4)求矩阵的主特征向量(a₁,a₂)，得出检波点水平线逆时针夹角α₁：

${\mathrm{\&alpha;}}_1=\mathrm{arccot}\left|\frac{a_1}{a_2}\right|$

(5)绘制以检波点为端点，检波点水平线逆时针夹角α₁的射线L₁。

(6)重复第(3)、(4)步骤，得出一个周期长度的上盘绕射波的主极化方向以及检波点水平线逆时针夹角β₁，并绘制以检波点为端点，检波点水平线逆时针夹角β₁的射线L₂，如图4所示；

(7)炮点及炮点正后方20m检波点组成的炮检对观测系统重复(2)至(6)步骤，得另一检波点的射线L₃、射线L₄并绘制射线；射线L₁与L₃交点为A，该点即为下盘断点，射线L₂与L₄交点为B，该点即为上盘断点，计算两点高程差即得断层落差，如图5所示，其中图5中断层落差为20m。

Claims (2)

1.基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)低抽巷道迎头顶板位置布置一个炮点；在炮点正后方10m、20m处各布置一个具有X、Z两分量的检波点，通过巷道内布置的地震仪获取地震记录；

(2)以炮点及炮点正后方10m检波点这一炮检对观测系统先进行说明，根据地震波传播时间先后顺序，地震记录中可清楚确定X、Z分量的下盘断点绕射波组及上盘断点绕射波组；

(3)从下盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形；从上盘断点绕射波组中任取一个周期长度的地震波形；

(4)计算步骤(3)一个周期长度的下盘绕射波的主极化方向α₁；

(5)绘制以检波点为端点，检波点水平线逆时针夹角α₁的射线L₁；

(6)重复第(4)、(5)步骤，得出上盘绕射波周期时窗长度的主极化方向β₁，并绘制以检波点为端点，检波点水平线逆时针夹角β₁的射线L₂；

(7)炮点及炮点正后方20m检波点组成的炮检对观测系统重复(2)至(6)步骤，得另一检波点的射线L₃、射线L₄并绘制射线；射线L₁与L₃交点为A，该点即为下盘断点，射线L₂与L₄交点为B，该点即为上盘断点，计算两点高程差即得断层落差。

2.根据权利要求1所述的基于地震信号的低抽巷道超前探测断层落差方法，其特征在于，所述一个周期长度的下盘绕射波的主极化方向α₁的具体步骤如下：

1)计算n个采样点X分量平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{X}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i$

2)计算n个采样点Z分量平均值：

$\stackrel{\&OverBar;}{Z}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_i$

3)构建矩阵

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})(Z_i-\stackrel{\&OverBar;}{Z})\end{array}\right]$

4)求矩阵的主特征向量(a₁,a₂)，得出检波点水平线逆时针夹角α₁：

${\mathrm{\&alpha;}}_1=\mathrm{arccot}\left|\frac{a_1}{a_2}\right|.$