CN104166164B - 煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，在巷道迎头前方煤层内布设炮点激发地震波；在巷道壁两侧煤层和巷道顶底板内布置三分量检波器；布设在巷道两侧煤层内的三分量检波器接收来在煤层内的构造反射槽波，布设在巷道顶、底板中的三分量检波器接收来在煤层顶板和底板围岩内的构造反射纵波；对三分量多波反射信号进行处理、分析完成对掘进巷道迎头前方的地质构造进行三维精确超前探测。本发明实现了应用地震波在构造面产生的反射信号实现超前探测煤巷迎头前方的断层、陷落柱、采空区等构造的三维全空间位置的精确解释。本发明在煤矿井下的巷道构造超前探测和工作面构造探测中具有广泛的应用前景。

Description

煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法

技术领域

本发明属于勘探技术领域，尤其涉及一种煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法。

背景技术

煤炭一直是我国的主要能源，在未来一段时间内我国能源消费仍将以煤为主。我国煤层赋存地质条件差，含煤地层构造复杂，煤炭资源勘探程度较低，随着煤矿开采深度的不断加大和井巷工程掘进速度的加快，煤巷掘进超前探测方法难以满足深度开采和快速施工导致煤矿事故频发。煤矿安全事故已经成为制约我国煤炭工业健康发展的主要因素。在煤巷掘进施工中造成重大伤亡和经济损失的矿难事故大多源于煤与瓦斯突出、矿井突水。而这些矿难大都与迎头前方未知的断层、陷落柱、采空区地质构造等有关。因为这些构造往往造成顶底板不稳定，或成为地下水、瓦斯的导通通道和储集空间。采煤作业和掘进工程中遇到这些不良地质构造，就可能引发矿难。根据《煤矿安全规程》有掘必探的原则，在煤巷掘进过程中必须进行超前探测。

现有反射槽波超前探测方法的探测装置采用在煤巷侧帮或迎头前方激发在煤巷侧帮煤层布置检波器接收地震波的水平分量信号。由于煤层相对于围岩具有低波速和低密度的特征，震源激发的地震波在煤层内传播产生槽波，槽波向前传播遇到构造面产生反射槽波。煤层侧帮的检波器记录反射SH槽波。根据反射槽波的传播时间和槽波的波速计算构造面在巷道迎头前方的位置。

然而目前的反射槽波超前探测方法的缺点是基于二维地震波传播理论，不能对构造进行三维空间位置和发育尺度的精确解释，且只能探测过煤层的构造。反射槽波探测只是应用了槽波中的水平(SH)分量信号，没有充分利用全波场中的其它波型的三分量信号。现有的煤巷掘进超前探测方法主要有钻探方法、电法超前探测法、反射槽波超前探测法等。钻探方法具有探测距离短、控制范围小、难以超前探测构造的发育规模和三维空间形态。电法超前探测技术具有探测距离短、受巷道供电和施工影响因素较多、构造位置解释精度低的缺点，难以实现构造的三维空间精确超前探测。槽波超前具有探测距离远，接收信号的信噪比较高的优点，但只能超前探测过煤层的构造，不能探测煤层顶、底板围岩中构造。且不能对过煤层构造进行三维空间成像解释。

本发明应用地震波在煤巷掘进特殊的三维空间中产生的纵波和槽波在构造面产生的三分量反射信号实现构造三维全空间位置和形态的精确解释。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤巷掘进三分量多波反射构造三维地震超前探测方法，旨在解决现有的技术基于二维地震波传播理论，不能对构造进行三维空间位置和发育尺度的精确解释，且只能探测过煤层的构造，反射槽波探测只是应用了槽波中的水平(SH)分量信号，没有充分利用全波场中的其它波型的三分量信号的问题。

本发明是这样实现的，一种煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，该方法的步骤包括：

步骤一、在巷道迎头前方煤层内打孔，孔内布设炮点激发地震波；

步骤二、在巷道壁两侧煤层各打三个接收孔，每孔内布置一个三分量检波器；

步骤三、在巷道顶、底板各打三个接收孔，每孔内布置一个三分量检波器；

步骤四、炮点激发纵波震源，巷道上下左右12个检波器接收地质构造面的多波反射地震记录；

步骤五、对巷道顶、底板6个三分量检波器的18个地震记录进行煤层顶板和底板围岩内发育的地质构造反射纵波信号提取；

步骤六、对巷道两侧煤层内6个三分量检波器的18个地震记录进行煤层内构造反射槽波信号提取；

步骤七、根据巷道顶、底板6个检波器接收到的反射纵波旅行时t_p1、t_p2、t_p3、t_p4、t_p5、t_p6计算煤层顶板和底板围岩纵波传播的距离v_p*t_p1、v_p*t_p2、v_p*t_p3、v_p*t_p4、v_p*t_p5、v_p*t_p6；

步骤八、分别以巷道顶、底板的6个检波器为圆心，以v_p*t_p1、v_p*t_p2、v_p*t_p3、v_p*t_p4、v_p*t_p5、v_p*t_p6为半径做六个球面，六个球面的交点为震源点相对于构造面的镜像点；

步骤九、煤层上下围岩中的构造面垂直震源点和镜像点的连线，且过连线的中点；

步骤十、根据巷道两侧煤层内6个检波器接收到的反射槽波旅行时t_c1、t_c2、t_c3、t_c4、t_c5、t_c6计算槽波传播的距离v_c*t_c1、v_c*t_c2、v_c*t_c3、v_c*t_c4、v_c*t_c5、v_c*t_c6；

步骤十一、分别以巷道两侧的6个检波器为圆心，以v_c*t_c1、v_c*t_c2、v_c*t_c3、v_c*t_c4、v_c*t_c5、v_c*t_c6为半径做六个球面，六个球面的交点为震源点相对于煤层内构造面的镜像点；

步骤十二、煤层内的构造面垂直震源点和镜像点的连线，且过连线的中点；

步骤十三、根据反射纵波确定的围岩构造和根据反射槽波确定的煤层内构造对整体构造进行综合解释，确定整体构造面发育的三维空间形态、位置，最终确定构造的性质。

进一步，在巷道迎头前方煤层内激发地震波，在煤巷两侧煤层内和顶底板布置三分量检波器接收全波场信号。

进一步，在步骤三中，利用检波器可以采集地震波在煤巷掘进特殊的三维空间中产生的纵波、横波和槽波在构造面产生的三分量反射信号。

进一步，在步骤四中，对检波器接收到的多波反射信号进行分析，实现构造三维全空间位置和尺度的精确解释。

本发明提供的煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，通过在巷道迎头前方煤层内布设炮点激发地震波，在巷道壁两侧煤层和巷道顶底板内布置三分量检波器的观测装置，利用检波器接收不同空间位置的多波反射信号等，实现了在掘进煤巷中应用地震波多波反射信号超前探测煤巷迎头前方的断层、陷落柱、采空区等煤内构造，并实现了应用地震波在掘进煤巷三维空间中围岩和煤层内的构造面上产生的反射纵波纵波和反射槽波信号实现构造三维全空间位置和尺度的精确解释，在巷道、隧道等地下工程的构造探测中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法探测装置图；

图中：巷道侧帮检波器孔和炮点激发孔与煤层平行，巷道顶底板检波器孔和煤层垂直，检波器孔和炮点激发孔孔深以穿过煤巷松动圈为准。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合附图1对本案例进行说明，一种煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，该方法的步骤包括：

步骤一、在巷道迎头前方煤层内打孔，孔内布设炮点激发地震波，如附图2所示；

步骤二、在巷道壁两侧煤层各打三个接收孔，每孔内布置一个三分量检波器，如附图2所示；

步骤三、在巷道顶、底板各打三个接收孔，每孔内布置一个三分量检波器，如附图2所示；

步骤四、炮点激发纵波震源，巷道上下左右12个检波器接收地质构造面的多波反射地震记录；

步骤五、对巷道顶、底板6个三分量检波器的18个地震记录进行煤层顶板和底板围岩内发育的地质构造反射纵波信号提取；

步骤六、对巷道两侧煤层内6个三分量检波器的18个地震记录进行煤层内构造反射槽波信号提取；

步骤七、根据巷道顶、底板6个检波器接收到的反射纵波旅行时t_p1、t_p2、t_p3、t_p4、t_p5、t_p6计算煤层顶板和底板围岩纵波传播的距离v_p*t_p1、v_p*t_p2、v_p*t_p3、v_p*t_p4、v_p*t_p5、v_p*t_p6；

步骤八、分别以巷道顶、底板的6个检波器为圆心，以v_p*t_p1、v_p*t_p2、v_p*t_p3、v_p*t_p4、v_p*t_p5、v_p*t_p6为半径做六个球面，六个球面的交点为震源点相对于构造面的镜像点；

步骤九、煤层上下围岩中的构造面垂直震源点和镜像点的连线，且过连线的中点；

步骤十、根据巷道两侧煤层内6个检波器接收到的反射槽波旅行时t_c1、t_c2、t_c3、t_c4、t_c5、t_c6计算槽波传播的距离v_c*t_c1、v_c*t_c2、v_c*t_c3、v_c*t_c4、v_c*t_c5、v_c*t_c6；

步骤十一、分别以巷道两侧的6个检波器为圆心，以v_c*t_c1、v_c*t_c2、v_c*t_c3、v_c*t_c4、v_c*t_c5、v_c*t_c6为半径做六个球面，六个球面的交点为震源点相对于煤层内构造面的镜像点；

步骤十二、煤层内的构造面垂直震源点和镜像点的连线，且过连线的中点；

步骤十三、根据反射纵波确定的围岩构造和根据反射槽波确定的煤层内构造对整体构造进行综合解释，确定整体构造面发育的三维空间形态、位置，最终确定构造的性质。

进一步，在巷道迎头前方煤层内激发地震波，在煤巷两侧煤层内和顶底板布置三分量检波器接收全波场信号。

进一步，在S103中，利用检波器可以采集地震波在煤巷掘进特殊的三维空间中产生的纵波、横波和槽波在构造面产生的三分量反射信号。

进一步，在S104中，对检波器接收到的多波反射信号进行分析，实现构造三维全空间位置和尺度的精确解释。

本发明公开了一种煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，该方法的步骤包括：在巷道迎头前方煤层内布设炮点激发地震波；在巷道壁两侧煤层和巷道顶底板内布置三分量检波器；布设在巷道两侧煤层内的三分量检波器接收来在煤层内的构造反射槽波，布设在巷道顶、底板中的三分量检波器接收来在煤层顶板和底板围岩内的构造反射纵波；对三分量多波反射信号进行处理、分析完成对掘进巷道迎头前方的地质构造进行三维精确超前探测。通过以上步骤本发明实现了应用地震波在煤巷掘进特殊的三维空间中产生的体波和槽波在构造面产生的反射信号实现超前探测煤巷迎头前方的断层、陷落柱、采空区等构造的三维全空间位置的精确解释。本发明在煤矿井下的巷道构造超前探测和工作面构造探测中具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，其特征在于，在巷道迎头前方煤层内布设炮点激发地震波；在巷道壁两侧煤层和巷道顶底板内布置三分量检波器；通过检波器接收的反射纵波和反射槽波信号精确超前探测地质构造的三维空间位置；该方法的具体步骤包括：

步骤一、在巷道迎头前方煤层内打孔，孔内布设炮点激发地震波；

步骤二、在巷道壁两侧煤层各打三个接收孔，每孔内布置一个三分量检波器；

步骤三、在巷道顶、底板各打三个接收孔，每孔内布置一个三分量检波器；

步骤四、炮点激发纵波震源，巷道上下左右12个检波器接收地质构造面的多波反射地震记录；

步骤五、对巷道顶、底板6个三分量检波器的18个地震记录进行煤层顶板和底板围岩内发育的地质构造反射纵波信号提取；

步骤六、对巷道两侧煤层内6个三分量检波器的18个地震记录进行煤层内构造反射槽波信号提取；

步骤七、根据巷道顶、底板6个检波器接收到的反射纵波旅行时t_p1、t_p2、t_p3、t_p4、t_p5、t_p6计算煤层顶板和底板围岩纵波传播的距离v_p*t_p1、v_p*t_p2、v_p*t_p3、v_p*t_p4、v_p*t_p5、v_p*t_p6；

步骤八、分别以巷道顶、底板的6个检波器为圆心，以v_p*t_p1、v_p*t_p2、v_p*t_p3、v_p*t_p4、v_p*t_p5、v_p*t_p6为半径做六个球面，六个球面的交点为震源点相对于构造面的镜像点；

步骤九、煤层上下围岩中的构造面垂直震源点和镜像点的连线，且过连线的中点；

步骤十、根据巷道两侧煤层内6个检波器接收到的反射槽波旅行时t_c1、t_c2、t_c3、t_c4、t_c5、t_c6计算槽波传播的距离v_c*t_c1、v_c*t_c2、v_c*t_c3、v_c*t_c4、v_c*t_c5、v_c*t_c6；

步骤十一、分别以巷道两侧的6个检波器为圆心，以v_c*t_c1、v_c*t_c2、v_c*t_c3、v_c*t_c4、v_c*t_c5、v_c*t_c6为半径做六个球面，六个球面的交点为震源点相对于煤层内构造面的镜像点；

步骤十二、煤层内的构造面垂直震源点和镜像点的连线，且过连线的中点；

步骤十三、根据反射纵波确定的围岩构造和根据反射槽波确定的煤层内构造对整体构造进行综合解释，确定整体构造面发育的三维空间形态、位置，最终确定构造的性质。

2.如权利要求1所述的煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，其特征在于，在巷道迎头前方煤层内激发地震波，在煤巷两侧煤层内和顶底板布置三分量检波器接收全波场信号。

3.如权利要求1所述的煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，其特征在于，利用检波器可以采集地震波在煤巷掘进特殊的三维空间中产生的纵波、横波和槽波在构造面产生的三分量反射信号。

4.如权利要求1所述的煤巷掘进地质构造三分量多波反射三维地震超前探测方法，其特征在于，对检波器接收到的多波反射信号进行分析，实现构造三维全空间位置和尺度的精确解释。