CN109597124B - 一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，属于煤矿地质灾害预测技术领域。其解决了现有技术中工作面高应力区地质灾害预测预报问题。其采用的方法包括：通过煤岩体加载条件下纵波和横波波速测试，绘制应力—波速变化全过程曲线，并分阶段进行线性和非线性公式；根据地质资料及井田地应力分布特征，计算工作面正常区域地应力大小；预计工作面正常区煤岩体的纵波和横波波速；根据工作面煤岩体物性参数，建立三层对称介质模型，通过数值计算分析槽波理论频散曲线特征；收集现场采集的透射槽波数据并对其进行时频分析，绘制实测时频曲线等步骤。本发明能更好的为煤矿地质灾害进行预测预报。
Description
技术领域
本发明属于煤矿地质灾害预测技术领域，具体涉及一种工作面应力集中区槽波地震精细探测新方法。
背景技术
随着煤炭资源的大量开采，浅部资源逐渐枯竭，煤层开采深度逐年增大，面临的地应力也随之增大。对于地质构造复杂的矿井，由于受多期构造运动叠加影响，还会产生较大的构造应力。高应力对巷道的掘进与维护、硐室的开挖和工作面的回采都会造成很大的影响，甚至阻碍正常的生产。同时，矿井采掘过程中遇到这些高应力区也极易发生巷道变形、顶板垮落，造成压架事故，损坏设备，甚至人员伤亡，造成巨大的经济损失。
目前，针对工作面高应力区地质灾害，现有技术中还没有一种有效的预测预报方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，其能更好的为煤矿地质灾害进行预测预报。
其技术解决方案包括：
一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，依次包括以下步骤：
a、通过煤岩体加载条件下纵波和横波波速测试，以获得应力—应变、波速—应变全过程变化曲线；绘制应力—波速变化全过程曲线，并分阶段进行线性和非线性公式，得拟合应力—波速拟合公式；
b、根据地质资料及井田地应力分布特征，计算工作面正常区域地应力大小；
c、基于步骤a所述的应力—波速拟合公式，根据步骤b所述的工作面正常区域地应力大小，预计工作面正常区煤岩体的纵波和横波波速；
d、根据工作面煤岩体物性参数，建立三层对称介质模型，通过数值计算分析槽波理论频散曲线特征；
e、收集现场采集的透射槽波数据并对其进行时频分析，绘制实测时频曲线；
f、将实测时频曲线与理论频散曲线进行对比分析，选取槽波频散曲线稳定段某一频率，拾取该频率对应的槽波旅行时；
g、利用观测系统和槽波旅行时信息，并采用层析成像技术计算和绘制槽波速度云图，圈定高速异常区，结合地质条件确定应力集中区及范围。
作为本发明的一个优选方案，步骤a中，所述的煤岩体加载条件下纵波和横波波速测试，是借助岩石力学实验机和声波测试系统，加载时采用位移控制法，轴向位移每变化0.01mm采集1次声波数据，直到岩石试件发生破坏或设定的极限变形为止，来获得应力—应变、波速—应变全过程变化曲线。
作为本发明的另一个优选方案，步骤a中，所述的绘制应力—波速变化全过程曲线，并分阶段进行线性和非线性公式拟合步骤，是根据应力、波速与应变的关系，借助应变中间变量，转化为应力与波速的关系，将岩石加载破坏全过程的五个阶段对应的波速响应特征进行应力与波速的线性和非线性公式拟合。
进一步的，步骤d中，根据工作面煤岩体物性参数，建立三层对称介质模型，通过数值计算分析槽波理论频散曲线特征，是指基于工作面煤岩体的纵波、横波波速及密度等参数测试结果，建立三层对称槽波形成的介质模型，模型中L型槽波群速度vL和频率f的关系式如式(1)、(2)所示：
式中，vx为槽波相速度，m/s；vsc为煤层横波波速，m/s；vsr为岩层层横波波速，m/s；d为1/2煤层厚度m；ρc为煤层密度，g/m3；ρr为岩层密度，g/m3；
通过数值计算，带入煤岩体物性参数，得出工作面内槽波理论频散曲线，确定频散曲线稳定段的槽波频率范围。
进一步的，步骤f中，所述的选取槽波频散曲线稳定段某一频率，拾取该频率对应的槽波旅行时，是通过对比实测时频曲线与理论频散曲线，并结合多炮多道记录的频散曲线特征，选取合适的频率，由于频率与旅行时为一一对应关系，进而可进行旅行时记录的提取。
进一步的，所述的采用层析成像技术计算和绘制槽波速度云图，圈定高速异常区，是根据观测系统与槽波旅行时相关信息，通过层析成像方法反演计算出槽波速度，并绘制测区的速度云图，将云图中波速超过理论速度的范围视为高速区，结合工作面地质特征综合圈定高速异常区。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提供的工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，由于采用现场实测数据与理论成果进行对比分析，通过对槽波频散曲线稳定段进行旅行时提取，操作方便、简洁，人为误差小，能更精准的圈定异常范围，提高探测精度，更好的为煤矿地质灾害进行预测预报。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1是本发明一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法工艺流程图；
图2是具体实施方式中煤样全应力—应变过程波速变化曲线；
图3是具体实施方式中三层对称介质模型示意图；
图4是具体实施方式中不同煤层波速槽波理论频散曲线图；
图5是具体实施方式中实测槽波频散曲线图；
图6是具体实施方式中槽波速度层析成像成果图。
具体实施方式
本发明提出了一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，具体包括以下步骤：
第一步、首先对煤岩体在加载条件下进行纵波和横波波速测试，借助岩石力学实验机和声波测试系统，加载时采用位移控制法，轴向位移每变化0.01mm采集1次声波数据，直到岩石试件发生破坏或设定的极限变形为止，以获得应力—应变、波速—应变全过程变化曲线；绘制煤样全应力—波速变化全过程曲线，如图2所示，并分阶段进行线性和非线性公式，得拟合应力—波速拟合公式；
第二步、根据地质资料及井田地应力分布特征，具体的，根据地质资料、煤岩体岩石物理力学参数，计算工作面正常区域地应力大小；
第三步、基于应力—波速拟合公式，根据工作面地应力大小，预计工作面正常区煤岩体的纵波和横波波速；具体的，将计算出的工作面地应力结果带入基于应力—波速拟合公式，从而得出工作面正常区纵波和横波波速；
第四步、根据工作面煤岩体物性参数，建立三层对称介质模型，其示意图如图3所示，通过数值计算分析槽波理论频散曲线特征；具体的，是指基于工作面煤岩体的纵波、横波波速及密度等参数测试结果，建立三层对称槽波形成的介质模型。模型中L型槽波群速度vL和频率f的关系式：
式中，vx为槽波相速度，m/s；vsc为煤层横波波速，m/s；vsr为岩层层横波波速，m/s；d为1/2煤层厚度m；ρc为煤层密度，g/m3；ρr为岩层密度，g/m3；
通过数值计算，带入煤岩体物性参数，得出工作面内槽波理论频散曲线，确定频散曲线稳定变化段的槽波频率范围；
第五步、将现场采集的透射槽波数据进行时频分析，绘制实测槽波旅行时与频率关系的时频曲线；
第六步、将实测时频曲线与理论频散曲线进行对比分析，选取槽波频散曲线稳定段某一频率，拾取该频率对应的槽波旅行时；通过对比实测时频曲线与理论频散曲线，并结合多炮多道记录的频散曲线特征，选取200Hz的频率，并对该频率对应的旅行时记录进行提取；
第七步、利用观测系统和槽波旅行时信息，并采用层析成像技术计算和绘制槽波速度云图，圈定高速异常区，结合地质条件确定应力集中区及范围。具体的，根据观测系统与槽波旅行时信息，通过层析成像方法反演计算出槽波速度，并绘制测区的速度云图，将云图中波速超过1000m/s的范围视为高速区，结合工作面地质特征综合圈定高速异常区。
图4是上述不同煤层波速槽波理论频散曲线图，图5是具体实施方式中实测槽波频散曲线图，图6是具体实施方式中槽波速度层析成像成果图。结合上述说明及图1-图6可知，本发明能更精准的圈定异常范围，提高探测精度，更好的为煤矿地质灾害进行预测预报。
本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a、通过煤岩体加载条件下纵波和横波波速测试，以获得应力—应变、波速—应变全过程变化曲线；绘制应力—波速变化全过程曲线，并分阶段进行线性和非线性公式拟合，得应力—波速拟合公式；
b、根据地质资料及井田地应力分布特征，计算工作面正常区域地应力大小；
c、基于步骤a所述的应力—波速拟合公式，根据步骤b所述的工作面正常区域地应力大小，预计工作面正常区煤岩体的纵波和横波波速；
d、根据工作面煤岩体物性参数，建立三层对称介质模型，通过数值计算分析槽波理论频散曲线特征；
e、收集现场采集的透射槽波数据并对其进行时频分析，绘制实测时频曲线；
f、将实测时频曲线与理论频散曲线进行对比分析，选取槽波频散曲线稳定段某一频率，拾取该频率对应的槽波旅行时；
g、利用观测系统和槽波旅行时信息，并采用层析成像技术计算和绘制槽波速度云图，圈定高速异常区，结合地质条件确定应力集中区及范围；
步骤a中，所述的煤岩体加载条件下纵波和横波波速测试，是借助岩石力学实验机和声波测试系统，加载时采用位移控制法，轴向位移每变化0.01mm采集1次声波数据，直到岩石试件发生破坏或达到设定的极限变形为止，来获得应力—应变、波速—应变全过程变化曲线；
步骤a中，所述的绘制应力—波速变化全过程曲线，并分阶段进行线性和非线性公式拟合步骤，是根据应力、波速与应变的关系，借助应变中间变量，转化为应力与波速的关系，将岩石加载破坏全过程的五个阶段对应的波速响应特征进行应力与波速的线性和非线性公式拟合；
步骤d中，根据工作面煤岩体物性参数，建立三层对称介质模型，通过数值计算分析槽波理论频散曲线特征，是指基于工作面煤岩体的纵波、横波波速及密度参数测试结果，建立三层对称槽波形成的介质模型，模型中L型槽波群速度vL和频率f的关系式如式(1)、(2)所示：
式中，vx为槽波相速度，m/s；vsc为煤层横波波速，m/s；vsr为岩层横波波速，m/s；d为1/2煤层厚度，m；ρc为煤层密度，g/m3；ρr为岩层密度，g/m3；
通过数值计算，带入煤岩体物性参数，得出工作面内槽波理论频散曲线，确定频散曲线稳定段的槽波频率范围。
2.根据权利要求1所述的一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，其特征在于：步骤f中，所述的选取槽波频散曲线稳定段某一频率，拾取该频率对应的槽波旅行时，是通过对比实测时频曲线与理论频散曲线，并结合多炮多道记录的频散曲线特征，选取合适的频率，由于频率与旅行时为一一对应关系，进而可进行旅行时记录的提取。
3.根据权利要求1所述的一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，其特征在于：所述的采用层析成像技术计算和绘制槽波速度云图，圈定高速异常区，是根据观测系统与槽波旅行时相关信息，通过层析成像方法反演计算出槽波速度，并绘制测区的速度云图，将云图中波速超过理论速度的范围视为高速区，结合工作面地质特征综合圈定高速异常区。
4.根据权利要求3所述的一种工作面应力集中区槽波地震精细探测方法，其特征在于：所述的速度云图中波速超过1000m/s的范围视为高速区。
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