CN103969678A - 煤矿采空区无源地震探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿采空区无源地震探测方法，所述方法包括在采空区设置观测台阵，所述观测台阵由若干地震仪按照台阵排布方法排布形成，其中所述台阵排布方法为：以所述观测区域的中心为台阵圆心，以n个预定接收半径为半径形成n重以所述台阵圆心为圆心的同心圆环，在所述台阵圆心位置布置一台地震仪，并分别在每一重圆环上均匀布置三台地震仪；所述地震仪采集采空区的微动观测数据，基于所述微动观测数据计算频率谱和自相关函数，拟合贝塞尔函数，计算相速度得到频散曲线，反演S波速度结构；基于所述反演S波速度彩色剖面判定煤层采空区的分布情况。

Description

煤矿采空区无源地震探测方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿采空区无源地震探测方法。

背景技术

微动的理论基础由Aki(1957年)和Capon(1969年)提出，即从天然地震信号中提取面波相速度频散曲线的方法。主要应用于探测地下深部结构，应用领域涉及地质勘察、城市活断层调查、工程地基勘察和场地稳定性评价及城市建设等多个领域。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种对自然界没有破坏，施工方便且对采空区的探测效果好的煤矿采空区无源地震探测方法。

为达到上述目的，本发明煤矿采空区无源地震探测方法，所述方法包括：

在采空区设置观测台阵，所述观测台阵由若干地震观测仪按照台阵排布方法排布形成，其中所述台阵排布方法为：以所述观测区域的中心为台阵圆心，以n个预定接收半径为半径形成n重以所述台阵圆心为圆心的同心圆环，在所述台阵圆心位置布置一台地震仪，并分别在每一重圆环上均匀布置三台地震仪，所述地震仪采集采空区的微动观测数据；

基于所述微动观测数据计算频率谱和自相关函数，拟合贝塞尔函数，计算相速度得到频散曲线，反演S波速度结构；

基于所述反演S波速度彩色剖面判定煤层采空区的分布情况。

进一步地，所述预定接收半径由采空区探测的目的层的深度决定，所述预定接收半径为采空区目的层的深度的1/5至1/3。

本煤矿采空区无源地震探测方法，与常规地震勘探技术相比，无需进行人工激发，只接收来自自然界的微小振动。本发明所述的方法借助精密地震记录仪，布置成以一个中心点和多个半径的同心圆台阵，同时接收自然界的微小振动，通过资料处理与分析，计算相速度频散曲线，反演视S波速度彩色剖面，根据剖面视速度的变化判定煤层采空情况。

创造性地采用了地震记录仪拾取自然界的微小振动，不采用人工激发作为地震源，对自然环境没有任何破坏，不受外界噪声干扰，施工方便，对采空区的探测效果良好。

附图说明

图1是本发明煤矿采空区无源地震探测方法的观测台阵的布置示意图；

图2是本发明煤矿采空区无源地震探测方法的流程。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1至2所示，本实施例煤矿采空区无源地震探测方法，所述方法包括：

在采空区设置观测台阵，所述观测台阵由若干地震观测仪按照台阵排布方法排布形成，其中所述台阵排布方法为：以所述观测区域的中心为台阵圆心，以n个预定接收半径为半径形成n重以所述台阵圆心为圆心的同心圆环，本实施例中设定了3个半径R₁、R₂、R₃，在所述台阵圆心位置布置一台地震仪S₀，并分别在每一重圆环上均匀布置三台地震仪，在半径为R₁的圆环上布置有地震仪S₁、S₂、S₃，在半径为R₂的圆环上布置有地震仪S₄、S₅、S₆，在半径为R₃的圆环上布置有地震仪S₇、S₈、S₉。

所述地震仪采集采空区的微动观测数据；

基于所述微动观测数据计算频率谱和自相关函数，拟合贝塞尔函数，计算相速度得到频散曲线，反演S波速度结构；

基于所述反演S波速度彩色剖面判定煤层采空区的分布情况。

进一步地，所述预定接收半径由采空区探测的目的层的深度决定，所述预定接收半径为采空区目的层的深度的1/5至1/3。

(1)震源

常规地震勘探法一般需要采用炸药、可控震源等激发人工源，对地表环境造成破坏。

无源地震不用人工激发震源，仅采用地震记录仪记录野外自然界的微小振动(一般振幅为10^-4-10^-2cm，频率约为)。对环境无破坏，适合在复杂人文环境应用。采集用地震记录仪可采用传统低频地震检波器，也可采用高精度低频拾震仪，目前采用的拾震仪有国内的MD-1台阵探测仪；日本MTKV-1C微动勘察仪等。

(2)观测方式

常规地震勘探接收排列长度等于或大于最大目的层埋藏深度，探测500m的目的层，则需要布置大于或等于500m长的接收点，工作量大，施工速度慢。

如图1所示，无源地震勘探法，是根据目的层的埋藏深度不同，选择不同的接收台阵半径，通常台阵半经约为目的层深度的1/3-1/5。施工简单，受外界地形和噪声影响小。

(3)数据处理

假设微动是来自各个方向的各向同性波，微动信号在时间和空间上符合平稳随机过程，而且微动中所包含的各种波中面波的一个振动模式占优势，则如图1所示的圆形观测阵列上的一点和中心点观测信号的标准化自相关函数方位平均值可以表示为：

$\mathrm{\ρ}(f,r)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{S(f,r,\mathrm{\θ})}{\sqrt{S_0(f,0)S_r(f,r)}}\mathrm{d\θ}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2o}\exp \left(\frac{2\mathrm{\πfr}}{c\left(f\right)}\right)\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\Φ})\mathrm{d\θ}=J_0\left(x_0\right)$

式中：S(f，r，θ)为圆心处观测点与圆周上观测点信号的交叉谱，S₀(f，0)和S_r(f，r)分别为圆心处和圆周上观测点信号的功率谱，J₀为第I类0阶贝塞尔函数，为0阶贝塞尔函数的宗量，θ为波的入射角度，c(f)为波的传播速度，ρ(f，r)为空间自相关系数。

数据处理步骤一：计算功率谱和自相关函数

用SPAC法处理微动数据时，先将实测记录分成若干数据段，剔除干扰明显的记录段，将各数据段通过中心频率不同的窄带滤波器以提取各个频率成分f，再对不同的f分别计算中心测点与圆周上各测点之间的空间自相关函数，经过方向平均后求得空间自相关系数ρ(f，r)。

数据处理步骤二：计算相速度得到频散曲线

由ρ(f，r)＝J₀(x₀)求出零阶贝塞尔函数的宗量x₀，再由求出相速度c(f)，最终获得相速度频散曲线。

数据处理步骤三：反演S波速度结构

从微动记录中提取出瑞雷波相速度频散曲线之后，采用个体群探索分歧型遗传算法(FGA)反演地下S波速度结构。

(4)数据解释

根据煤层采空后，经受长时间的地质作用，采空区塌陷或充水，在采空区及其上下地层中，面波速度降低，导致VS速度剖面出现异常，从而分析煤层采空位置。

(5)观测深度

由于观测台阵的半径从小逐渐变大，因此，对地层从浅到深的速度结构均有反映，与常规地震勘探相比，该方法技术向浅、向深探测深度均有延伸，应用范围更大。该项方法与常规地震勘探中借助波阻变化和电磁勘探中借助视电阻率变化来判定采空区的原理均有不同，且该方法不受低阻屏蔽影响，勘探深度优势明显。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种煤矿采空区无源地震探测方法，其特征在于，所述方法包括：

在采空区设置观测台阵，所述观测台阵由若干地震观测仪按照台阵排布方法排布形成，其中所述台阵排布方法为：以所述观测区域的中心为台阵圆心，以n个预定接收半径为半径形成n重以所述台阵圆心为圆心的同心圆环，在所述台阵圆心位置布置一台地震仪，并分别在每一重圆环上均匀布置三台地震仪，所述地震仪采集采空区的微动观测数据；

基于所述微动观测数据计算频率谱和自相关函数，拟合贝塞尔函数，计算相速度得到频散曲线，反演S波速度结构；

基于所述反演S波速度彩色剖面判定煤层采空区的分布情况。

2.根据权利要求1所述的煤矿采空区无源地震探测方法，其特征在于：所述预定接收半径由采空区探测的目的层的深度决定，所述预定接收半径为采空区目的层的深度的1/5至1/3。