CN103245977B - 一种矿井回采区灾害源的地质雷达层析探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井回采区灾害源的地质雷达层析探测方法，属于地球物理探测技术领域，该方法包括：确定发射点、接收点位置；对选定的探测剖面进行地质雷达层析探测；对剖面进行网格划分；构造波速层析的反演方程组；确定探测剖面的波速分布；做出探测剖面波速分布的等值线图，识别灾害源的空间位置和特征属性。本发明实现了快速、准确、无损地探测现代化矿井回采区的灾害源信息，对井下的安全开采具有指导作用。

Description

一种矿井回采区灾害源的地质雷达层析探测方法

技术领域

本发明涉及地球物理探测技术领域，特别涉及矿井回采区灾害源的探测方法。

背景技术

随着煤炭开采深度增加，矿井地质条件也变得越来越复杂，水和瓦斯是危害煤矿安全生产的主要介质。在综采设备安装或开采前，探测回采区灾害源的空间位置和特征属性，是保障工作面持续开采的重点工作。现代化煤矿回采区巷道之间的垂直距离往往大于200米，有的开采区甚至超过400米，并且回采区的灾害源及不良地质体的范围通常较小，需要较高的探测精度和较强的识别能力。但是目前还没有一种方法能够都满足矿井回采区灾害源探测对施工难度、准确率和探测距离的需求。

目前用于回采区灾害源的探测方法主要有钻探、直流电法勘探、矿井瞬变电磁法和地质雷达等。钻探方法准确，但速度慢、成本高，难以圈定富水区范围，且打钻时存在危险；直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性的分布规律或地质构造的特征，但井下勘探属于全空间范畴，体积效应大，且探测有效范围较小，对远离巷道的工作面中间部分无能为力，导致难以满足矿井需求；矿井瞬变电磁法在发射线圈中通入阶跃电流，利用接收线圈测量感应二次场，根据接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，确定探测范围内介质的电磁性质变化规律，通过进一步的数据解释处理得知探测方向的地质情况，但探测的有效距离为100米左右；地质雷达是一种快速、无损、准确的地球物理探测技术，目前广泛使用的是反射波探测法，基于地下介质的介电常数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探测目标体及地质现象，该方法在矿井巷道侧壁松动圈和底板含水区探测效果明显，但探测距离一般限制在30米左右。

通过以上分析可以看出，目前的物探方法均不能用于探测现代化煤矿回采区的灾害源。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井回采区灾害源的地质雷达层析探测方法，以实现在现代化煤矿回采区对灾害源的探测，满足矿井回采区灾害源探测对施工难度、准确率和探测距离的需求。

本发明是通过以下步骤来实现的：

a、确定发射点、接收点位置：沿探测区域两侧的巷道布置两条长度、高度均相等，且长度不超过400米的测线，测线距地高度一般为煤层高度的1/4～3/4；将每一条测线等距划分为k段，每段的边长即为探测精度D，D的最小值为探测剖面沿回采方向长度的1/100，D的最大值不应超过10米；选取两测线中任一测线布置发射点Tr_i，i＝1，2，…，k，发射点位置在该测线中各个段的中点；在另一测线上按相同方法布设接收点Re_i，i＝1，2，…，k，接收点与发射点个数相同、位置对称；

b、对两条测线间的探测剖面进行地质雷达层析探测：将地质雷达的发射天线置于发射点Tr₁，接收天线置于接收点Re₁，采集第一道射线的走时数据t₁₁，发射天线不动，沿回采方向移动接收天线，在每个接收点采集与Tr₁对应射线的走时数据t_1j，其中j表示接收点的编号，j＝1，2，…，k；移动发射天线置于发射点Tr₂，重复以上过程，得到与发射点Tr₂对应的数据t_2j，；依次类推，在各个发射点重复上述过程，共采集k²道射线的走时数据，得到发射天线到接收天线的走时向量T＝(t₁₁，t₁₂，…，t₂₁，t₂₂，…，t_nn)^T；

c、对探测剖面进行网格划分：为了将整个区域的波速分布离散化，转化为求取每个网格的波速值，在以两个测线为对边的长方形内以边长D绘制正方形网格，一共有n个网格，并且各发射点与接收点均位于其所在网格的所在边的中点，每一条射线从发射点到接收点的走时即为该射线在其经过的各个网格的走时之和；对网格进行编号，以Tr₁所在网格为起始，编号为1，然后以Tr₁至Re₁所在直线为行，以Tr₁至Tr_k为列，逐行依次编号，至Re_k所在网格为止；

d、构造波速层析的反演方程组：计算每一道射线落在各个网格内的长度，每一条射线从发射点到接收点的总路程即为该射线在其经过的各个网格的长度之和，每一道射线的数据组成一个行向量，共k²个行向量，构成系数矩阵L；待求解的向量S为每个网格中介质的电磁波波速平均值的倒数，T为步骤b中采集到的走时向量，由此构造出波速层析的反演方程组LS＝T：

$S=\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ .\\ .\\ .\\ s_n\end{array}\right)$ $T=\left(\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ .\\ .\\ .\\ t_m\end{array}\right),$ m＝k²；

e、确定探测剖面的波速分布：利用计算机求解步骤d中构造的反演方程组，通过迭代计算求出满足min||LS-T||₂的解向量S；根据公式：

计算出各网格的波速v_c，c代表网格编号；

f、绘制探测剖面波速分布的等值线图，确定灾害源的空间位置和特征属性：建立256色阶表，对步骤d中得到的各网格波速进行彩色剖面成像得到探测剖面波速分布的等值线图，从波速异常信息中识别灾害源的空间位置，根据波速与介电常数的关系判断异常区域的特征属性。

附图说明

图1为本发明中雷达层析探测现场的工作示意图；

图2为本发明中布点设计示意图；

图3为本发明的一个实施例中建立的正演模型的示意图；

图4为本发明的一个实施例的波速分布彩色剖面图像。

具体实施方式

实施例1：我国西北部某井工开采区，巷道间垂直距离为300米，两侧巷道长400米，煤层高度4米，指定探测精度为5米。各步骤具体实施细节如下：

a、确定发射点、接收点位置：沿矿井回采方向，选取距离工作面垂直距离400米以内的区域作为探测区域；沿探测区域两侧的巷道布置两条长度为400米，距巷道地面高度为2米的测线；将每一条测线等距划分为80段，每段的边长为5米；选取任一测线，在每段的中点布置发射点共80个，沿另一测线，按相同方法布设80个接收点，接收点与发射点位置对称；

b、对两条测线间的探测剖面进行地质雷达层析探测：将地质雷达的发射天线置于第一个发射点Tr₁，接收天线置于第一个接收点Re₁，采集第一道射线的走时数据，记为t₁₁；发射天线不动，将接收天线沿回采方向移动，在每个接收点采集一道射线的走时数据t_1j，其中j表示接收点的编号，j＝1，2，…，80；将发射天线置于第二个发射点，重复以上过程，得到与第二个发射点对应的80道射线的数据；依次类推，将发射天线沿回采方向移动，在各个发射点重复以上过程，共采集到6400道射线的走时数据，得到电磁波在不同偏移距情况下从发射天线到接收天线的走时向量T，T＝(t₁₁，t₁₂，…，t₂₁，t₂₂，…，t₆₄₀₀)^T；

c、对探测剖面进行网格划分：绘制边长等于5米的网格，则各发射点与接收点均位于其所在网格边长的中点，共有4800个网格；对网格进行编号，以Tr₁至Re₁所在直线为行，以Tr₁至Tr₈₀为列，以Tr₁所在网格为起始，编号为1，逐行依次编号，至Re₈₀所在网格为止；

d、构造波速层析的反演方程组：认定电磁波在探测剖面的传播路径为连接发射点到接收点的直线，对每一条射线：沿射线走向确定其经过的网格编号，计算射线在其经过的网格的长度l_ij，i为射线编号，与T中走时数据的射线排列顺序相对应，j为网格编号，未经过的网格数值为0，无需计算；每一道射线的数据组成一个行向量，共6400个行向量，构成系数矩阵L；雷达采集到的射线走时等于射线在其经过的各个网格的走时之和，设每个网格介质的波速为一个平均值，该平均值的倒数为慢度s_i。取每个网格中介质的电磁波波速的平均值的倒数s_i构成解向量S，由此构造出波速层析的反演方程组LS＝T：

$S=\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ .\\ .\\ .\\ s_n\end{array}\right)$ $T=\left(\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ .\\ .\\ .\\ t_m\end{array}\right)$ 式中m＝6400，n＝4800；

e、得到探测剖面的波速分布：由于每条射线只经过剖面中的少数网格，矩阵L中大多数元素为0，再加上射线分布不均，方程组通常是病态的，无法用直接法求解。利用matlab软件求解步骤d中构造的反演方程组，求得解向量S；根据公式：

计算出每个网格的波速v_i，i代表网格编号；

f、作出探测剖面波速分布的等值线图，识别灾害源的空间位置和特征属性：建立256色阶表，对步骤d中得到的波速数据进行彩色剖面成像，成像后可以依据不同的颜色表示回采区探测剖面的波速分布，波速异常区域的位置即为灾害源的空间位置，根据波速数值判断异常区域的特征属性。

图3为图像重建后的等值线图，探测的煤层剖面沿回采方向湿度逐渐降低，从图中可以清晰地识别出两个波速异常区域，第15～20列之间有一个高速异常区域，波速数值为0.230～0.3m/ns，而空气的波速为0.3m/ns，这一区域有可能是含瓦斯带；第50～55列之间有一个狭长的低速异常区域，波速数值为0.03～0.09m/ns，而纯水的波速为0.33m/ns，这一区域可能为含水区。

Claims (1)

1.一种矿井回采区灾害源的地质雷达层析探测方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

a、确定发射点、接收点位置：沿探测区域两侧的巷道布置两条长度、高度均相等，且长度不超过400米的测线，测线距巷道地面高度一般为煤层高度的1/4～3/4；将每一条测线等距划分为k段，每段的长度即为探测精度D，D的最小值为探测剖面沿回采方向长度的1/100，D的最大值不应超过10米；选取两测线中任一测线布置发射点Tr_i，i=1,2,…,k，发射点位置在该测线中各个段的中点；在另一测线上按相同方法布设接收点Re_i，i=1,2,…,k，接收点与发射点个数相同、位置对称；

b、对两条测线间的探测剖面进行地质雷达层析探测：将地质雷达的发射天线置于发射点Tr₁，接收天线置于接收点Re₁，采集第一道射线的走时数据t₁₁，发射天线不动，沿回采方向移动接收天线，在每个接收点采集与Tr₁对应射线的走时数据t_1j，其中j表示接收点的编号，j=1,2,…,k；移动发射天线置于发射点Tr₂，重复以上过程，得到与发射点Tr₂对应的数据t_2j；依次类推，在各个发射点重复上述过程，共采集k²道电磁波射线的走时数据，得到发射天线到接收天线的走时向量T=(t₁₁,t₁₂,…,t₂₁,t₂₂,…,t_nn)^T；

c、对探测剖面进行网格划分：为了将整个区域的波速分布离散化，转化为求取每个网格的波速值，在以两个测线为对边的长方形内以边长D绘制正方形网格，一共有n个网格，并且各发射点与接收点均位于其所在网格的所在边的中点，每一条射线从发射点到接收点的走时即为该射线在其经过的各个网格的走时之和；对网格进行编号，以Tr₁所在网格为起始，编号为1，然后以Tr₁至Re₁所在直线为行，以Tr₁至Tr_k为列，逐行依次编号，至Re_k所在网格为止；

d、构造波速层析的反演方程组：计算每一道射线在各个网格内的长度，每一条射线从发射点到接收点的总路程即为该射线在其经过的各个网格的长度之和，每一道射线的数据组成一个行向量，共k²个行向量，构成系数矩阵L；待求解的向量S为每个网格中介质的电磁波波速平均值的倒数，T为步骤b中采集到的走时向量，由此构造出波速层析的反演方程组LS=T：

$S=\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ .\\ .\\ .\\ s_n\end{array}\right)T=\left(\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ .\\ .\\ .\\ t_m\end{array}\right),m=k^2;$

e、确定探测剖面的波速分布：利用计算机求解步骤d中构造的反演方程组，通过迭代计算求出满足min||LS-T||₂的解向量S；根据公式：计算出各网格的波速v_c，c代表网格编号；

f、绘制探测剖面波速分布的等值线图，确定灾害源的空间位置和特征属性：建立256色阶表，对步骤e中得到的各网格波速进行彩色剖面成像得到探测剖面波速分布的等值线图，波速异常区域的位置即为灾害源的空间位置，根据波速数值判断异常区域的特征属性。

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