CN110187390B

CN110187390B - 一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法

Info

Publication number: CN110187390B
Application number: CN201910523570.1A
Authority: CN
Inventors: 朱国维; 朱晨阳
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: CN110187390A

Abstract

本发明提供了一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，包括巷道空间的侧帮或底板布设平行测线观测系统，单测线地震数据经处理获得二维地震剖面，相邻测线地震剖面可以进行对比与地质条件联合分析，多条平行测线进行相关处理分析并利用地震可视化软件成像，形成拟三维地震数据体，对数据体进行不同方向的剖分，综合解释探测前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存状态及特性。本发明与现有矿井巷道地震技术相比，具有平行测线数据采集信息量大，利于克服巷道局限空间限制、干扰因素多与激发接收条件差等影响，达到提高工作面隐蔽地质异常体的判识能力和可靠性的目的。

Description

一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法

技术领域

本发明涉及矿井地震超前探测技术领域，特别涉及一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，煤矿生产安全备受全社会关注。我国煤炭资源赋存地质条件差、隐蔽致灾地质因素多，迫切需要超前精细查明隐蔽地质异常体的分布。目前，地面地质勘探只能控制落差≥30m的断层，煤矿采区三维地震勘探在适宜条件下仅能控制落差≥5m的断层、直径≥20m的陷落柱等，井巷掘进与工作面回采需要查明<5m的断层、陷落柱等，因此需要开展矿井物探或钻探来精细查明隐蔽地质异常体的分布，以满足煤矿生产的需求。

由于煤矿井下条件限制，可供观测的空间十分有限，必须充分利用有限的空间条件，在巷道空间内尽可能多的布置激发与接收点，采集尽可能多的地震数据供处理分析，才能提高探测效果，达到地质构造精细探测与描述之目的。现有的井下地震勘探均采用单测线观测方法，由于煤岩巷道周边围岩受采动影响多破碎，并且巷道支护与侧帮矿用装置时常影响侧帮激发与接收点的布设，使采集数据出现坏炮或坏道记录，采集的数据质量难以达到探测要求。

因此，如何提供一种能够充分利用巷道空间，克服井巷条件限制并提高采集效率的巷道平行测线立体地震观测与成像方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，用于探测巷道内侧工作面、外侧煤层及其底板下伏的断层、褶曲、陷落柱等地质异常体的分布，为煤矿巷道掘进与工作面回采的安全高效生产服务。解决了传统矿井地震探测数据量少、易受干扰影响而使异常判识可靠度低、不能完全满足煤矿生产需求的问题。具体方案如下：

一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，包括如下步骤：

步骤一，根据巷道探测空间位置与方向，在巷道侧方探测的侧帮或/和下方探测的底板布设平行测线立体地震观测系统；

步骤二，利用所述平行测线立体地震观测系统对地震数据进行采集，采集的数据经处理获得各平行测线地震剖面；

步骤三，对多条所述平行测线进行相关处理分析得到平行测线数据，对平行测线数据进行可视化成像，形成拟三维地震数据体。

优选的，所述平行测线立体地震观测系统包括，在巷道侧帮或/和巷道底板分别布设至少3条平行地震测线，依据巷道空间条件确定所述平行测线立体地震观测系统参数，包括偏移距、道间距、检波器道数、覆盖次数及测线条数与间距。

优选的，所述步骤二对采集的数据进行处理的过程具体包括：预处理、抽道集、静校正、速度分析、动校正、叠加、偏移；其中偏移方法采用Kirchhoff叠前偏移或叠前逆时偏移，处理后获得各平行测线地震剖面。

优选的，所述步骤二获得各平行测线地震剖面之后，利用各相邻测线进行对比分析，判定有效信号并对不同波组层同相轴进行追踪，利用波组同相轴的连续性、振幅与相位变化及空间展布形态，解析探测前方地质异常体。

优选的，所述步骤三中对多条所述平行测线进行相关处理分析的过程具体包括：

对相邻两道能量信号进行互相关分析的步骤；

对相邻的不同道的能量进行空间混波的步骤。

优选的，所述步骤三中进行平行测线可视化成像，形成拟三维地震数据体的方法采用二维剖面约束三维建模方法，具体包括：

对平行测线数据进行二维剖面的重建；

在所述二维剖面的空白区域对平行测线数据选择空间插值处理进行三维数据重建，形成拟三维地震数据体；所述空间插值方法包括距离加权平均法与曲面样条插值法。

优选的，所述三维数据重建具体包括：

拟三维地震数据体边界断面的构造；

拟三维地震数据体内部实体的填充。

优选的，所述步骤三形成拟三维地震数据体之后，对所述数据体进行不同方向的剖分，分析获得前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存状态及特性。

本发明相较现有技术具有以下有益效果：

本发明公开提供了一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，本方法设计在巷道侧帮或底板各布置两条以上测线同时施测，形成巷道空间平行测线立体观测系统，充分利用巷道空间布设侧方或底板平行测线立体观测系统，提高了采集数据量和采集效率；采集的地震数据根据观测系统及测线空间分布进行数据抽排和处理，获得各平行测线地震剖面，并可利用可视化技术对平行测线空间数据形成数据体，对数据体进行不同方向的剖分，综合解释探测前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存状态及特性，从而提高地质异常精细判别能力。本发明具有平行测线数据采集信息量大，利于克服巷道局限空间限制、干扰因素多与激发接收条件差等影响，达到提高工作面隐蔽地质异常体的判识能力和可靠性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法流程图；

图2为本发明巷道平行测线立体观测系统示意图；

图3为本发明上、中、下三条测线地震剖面图；

图4为本发明平行测线可视化数据体；

图5为本发明对平行测线可视化数据体不同方向剖分示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，通过以下步骤实现：

S1、依据矿井地质勘探报告及井下巷道掘进地质资料，分析矿井隐蔽致灾地质体地质分布特征，明确探测地质任务及其巷道探测空间位置、方位，设计巷道侧帮或底板的平行测线立体观测系统，包括若干条平行测线，每条平行测线上布设有震源与多道检波器，测试时，震源和检波器按照设定的步距沿测线滚动，如图2所示。

S2、巷道平行测线立体观测系统参数，包括偏移距、道间距、检波器道数、覆盖次数及测线条数与间距，一般偏移距不小于20m，道间距2-5m，检波器道数不少于12道，多次覆盖次数大于6次，平行测线间距则依据人员装备的工作条件和巷道空间一般不小于1m，平行测线数不少于3条。

S3、利用平行测线立体观测系统对地震数据进行采集，其震源激发需要能够产生足够能量的有效反射波，高频信号丰富，使用人工机械震源时采用多次增强方法压制噪声，采集信号经质量判定合格者保存记录。

S4、对单测线地震数据进行处理的步骤包括：预处理、抽道集、静校正、速度分析、动校正、叠加、偏移。

偏移方法采用Kirchhoff叠前偏移或叠前逆时偏移，处理后获得各平行测线地震剖面，如图3示出3条平行测线的地震剖面，各相邻测线进行反射波组的对比分析，结合探测区已有地质资料判定有效信号并对不同波组层同相轴进行追踪，利用波组同相轴的连续性、振幅与相位变化及空间展布形态，分析并精细解析探测前方地质异常体，综合分析探测前方地质条件；

具体的，数据处理中偏移处理包括Kirchhoff叠前偏移与叠前逆时偏移：

Kirchhoff叠前偏移的基本算法(以共炮集记录为例)用公式(1)进行表示：

公式(1)中，x，x_s，x_R分别表示成像点、震源激发点和接收点的空间位置，t_s，t_R分别表示震源点和接收点到成像点的初至旅行时，U(x_R，x_s，t)表示接收波场，δ[t-(t_s+t_R)]表示狄拉克函数，W代表加权函数；I(x，x_s)表示单炮的成像值，由全部道的成像贡献进行叠加得到。

叠前逆时偏移主要利用一阶速度—应力波动方程，同时界定激发时间成像条件与边值条件，具体算法表达式包括：

在进行波场逆时延拓时使用一阶速度—应力波动方程，其表达式如式(2)：

式(2)中T表示检波器最大的记录时间；R_x和R_z分别表示检波器接收到的X方向分量和Z方向分量的地震记录；x_R和z_R表示检波器的空间位置。

激发时间成像条件如表达式(3)、(4)所示：

在上面的表达式中，t_d(x′,z′)表示各个离散点的初至旅行时；R(x,z,t)表示逆时延拓的波场；I(x,z)表示逆时偏移剖面；T表示检波器的最大记录时间。

边值条件表达式如式(5)、(6)所示：

波场逆时延拓是从检波器最大的记录时间开始进行的，在进行逆时延拓的每一个时刻，需将检波器所接收的波场记录当做逆时延拓的边值条件：

V_x(x_i,z_i,t)＝R_x(x_i,z_i,t) (5)

V_z(x_i,z_i,t)＝R_z(x_i,z_i,t) (6)

式(5)和(6)中，R_x(x_i,z_i,t)、R_z(x_i,z_i,t)分别代表检波器接收的X方向分量和Z方向分量的波场值；(x_i，z_j)表示检波器的空间位置。

S5、多条平行测线进行相关处理分析包括互相关分析与空间混波，互相关分析函数关系式如式(7)所示：

式(7)中，f₁(t)、f₂(t)为相邻两道检波器采集信号，R₁₂为f₁(t)、f₂(t)的互相关函数。

空间混波是指把相邻近的不同道的检波器采集的能量，按照一定的运算规则进行合并运算，混波形式设置有二种：①简单的等能量混波，即输出道包含从相邻输入道能量的相等贡献；②递减混波，即各道输到中心道的能量反比于它们到中心道的距离，混波道数及所占权重可人机交互选择。

S6、平行测线可视化成像包括空间插值与数据三维重建，地震数据空间插值选用距离加权平均法与曲面样条插值法，数据三维重建一般包括这样几个过程：物探数据输入、数据结构分析、选择插值方法、数据三维重建、成果验证分析，通过循环比较而选择一个合用的、适合的数据插值方法和模型参数，进而形成探测前方拟三维数据体。其中，在地球物理场数据重绘过程中需要根据不同地球物理场数据特点，科学地选择插值方法和灵活地进行参数设置，并根据地球物理场数据特点进行处理才可以达到最理想的效果。对数据量大的数据如地震数据进行网格化时，距离加权平均法的速度比曲面样条插值法快。

本实施例进行三维重建是基于二维剖面约束完成的，具体步骤为：首先进行完整物探数据二维剖面的重建，然后在空白区域采用适当的插值方法进行数据重建。

其中，通过数据重建建立拟三维地震数据体就是构建原始数据断面以及模型的边界面包围三维数据体空间来进行三维数据体体的表达的过程，要经过两个步骤：原始物探断面的构造和数据体内部实体填充，其重点与难点在于数据体边界断面的确定。最主要的是每一数据层上、下层边界的确定，上下边界面由二维插值的方法确定，数据整体边界或复杂形状界面往往由相关算法或人机交互方式完成。在三维物探数据体边界构造完成后，可采用栅格、三棱柱、四面体等体元构造地层体内部从而得到三维物探数据体模型。如图4所示。地震数据属于波动描述过程，基本数据为振幅/时间值，数据采集量大而且详细，在进行重绘时应尽量保持其波动特征，应尽量采用小的搜索半径及尽量少的圆滑点个数。

S7、多条平行测线进行相关处理分析并利用地震可视化软件成像，形成拟三维地震数据体，对数据体进行不同方向的剖分，如图5所示，综合解释探测前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存状态及特性。从图4数据体表面可以看出探测前方(Y轴)60-80m段存在一个同相轴连续性较差、发育短轴状反射波组的区域，该区域形态不规则、横向宽度有变化，利用可视化软件对数据体进行剖分，图5左侧为数据体综合剖分图(水平、斜交切剖)，右侧为数据体从上部向下0.5m切剖的水平顺层剖面图，根据图5进一步综合解析此区域的内部空间结构展布形态，如图中红色标注线，可见，其在探测范围内均发育，但空间展布形态不规则，边界面横向延展有起伏，宽度在纵横方向均有一定变化，所以经观测判断为宽度10-20m的断层带，断层带内部发育不连续、短轴状反射波组，说明其岩体曾受构造应力作用而发生破碎、成层性差。

综合上述说明及图1-图5可知，本发明能更好地利用巷道空间条件，采集获得探测前方更丰富信息，数据体剖分解释能确定异常体空间形态与性质，提高异常解析的精度与可靠性。

以上对本发明所提供的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims

1.一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤二，利用所述平行测线立体地震观测系统对地震数据进行采集，对单测线地震数据进行处理，包括预处理、抽道集、静校正、速度分析、动校正、叠加、偏移，获得各平行测线地震剖面；

步骤三，对多条所述平行测线进行相关处理分析得到平行测线数据，包括：对相邻两道能量信号进行互相关分析，对相邻的不同道的能量进行空间混波的步骤；然后对平行测线数据进行可视化成像，形成拟三维地震数据体。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，所述平行测线立体地震观测系统包括，在巷道侧帮或/和巷道底板分别布设至少3条平行地震测线，依据巷道空间条件确定所述平行测线立体地震观测系统参数，包括偏移距、道间距、检波器道数、覆盖次数及测线条数与间距。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，所述步骤二对采集的数据进行处理的过程具体包括：预处理、抽道集、静校正、速度分析、动校正、叠加、偏移；其中偏移方法采用Kirchhoff叠前偏移或叠前逆时偏移，处理后获得各平行测线地震剖面。

4.根据权利要求1或3所述的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，所述步骤二获得各平行测线地震剖面之后，利用各相邻测线进行对比分析，判定有效信号并对不同波组层同相轴进行追踪，利用波组同相轴的连续性、振幅与相位变化及空间展布形态，解析探测前方地质异常体。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，所述步骤三中进行平行测线可视化成像，形成拟三维地震数据体的方法采用二维剖面约束三维建模方法，具体包括：

对平行测线数据进行二维剖面的重建；

6.根据权利要求5所述的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，所述三维数据重建具体包括：

拟三维地震数据体边界断面的构造；

拟三维地震数据体内部实体的填充。

7.根据权利要求1或5所述的一种煤矿巷道平行测线立体地震观测与成像方法，其特征在于，所述步骤三形成拟三维地震数据体之后，对所述数据体进行不同方向的剖分，分析获得前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存状态及特性。