CN110531413A - 一种小断层超前三维可视化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小断层超前三维可视化建模方法，先建立煤巷掘进超前预报观测系统；然后对各个三分量检波器接收到的三分量Love型反射槽波信号，进行时频域极化偏移成像，获取反射槽波在本盘界面上反射点位置及断层走向；在接收到的三分量信号中确定绕射体波信号，然后对绕射体波信号采用时频域希尔伯特极化成像方法进行处理，获取断层对盘绕射点的位置，进行收敛成像，并获得断层落差；通过上述得到的反射点及绕射点几何位置关系，获取小断层的倾角参数；最后获得断层性质及倾向，根据上述断层参数即可建立小断层三维空间模型。因此本发明能精确探测出巷道前方断层的三维空间下的各要素信息，从而能实现超前探测小断层的三维可视化。

Description

一种小断层超前三维可视化建模方法

技术领域

本发明涉及一种矿井地球物理探测方法，具体是一种小断层超前三维可视化建模方法。

背景技术

随着煤矿开采深度的不断增加，三维地震探测断层的难度增加，导致目前对断层的探查程度不够，同时煤巷掘进过程中由于断层的影响造成的煤与瓦斯突出事故和突水频发，给煤矿生产带来巨大的安全隐患，因此积极发展井下探查技术是目前煤矿生产迫切需要。

煤巷掘进超前探测断层主要通过矿井物探方法(反射槽波超前探、瞬变电磁法，直流电法等)和钻探技术，钻探技术虽然能够直观的反应前方的构造情况，但存在“一孔之径”的问题所导致的探测范围的有限，且钻探成本较高，目前地震反射槽波最适合超前探测断层，目前针对回采工作面内断层的探测，前人做了大量工作，而针对掘进迎头前方断层探测较少。专利申请号“201711007670.6”中杨思通提出厚煤层沿底板或顶板掘进煤巷反射槽波超前探测方法，利用Rayleigh槽波进行超前探测，但Rayleigh槽波形成条件较为苛刻，而Love型槽波更具普遍性。专利申请号“201711391055.X”中王保利提出了基于孔巷联合的井下独头巷道槽波超前探测方法及系统，利用偏振滤波对地震记录进行区噪处理，采用散射成像方法对去噪后的地震记录进行偏移成像；综上所述，针对煤巷掘进迎头前方断层研究上取得了一定的成果，但均没有解决如何可视化探测断层的几何要素(如断层面的具体走向、倾向、倾角等)的问题。因此如何发明一种小断层超前三维可视化建模方法是本行业的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种小断层超前三维可视化建模方法，能精确探测出巷道前方断层，在三维空间中的各要素参数信息，从而能实现超前探测断层的三维可视化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种小断层超前三维可视化建模方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：在煤巷左右帮的中心高度分别布置n个三分量检波器接收地震信号，道间距(即相邻三分量检波器之间的距离)为N米，从迎头反向依此布置；

步骤二：采用CO₂炮在煤巷左右帮煤层中各激发一次，分别产生震源S₁和震源S₂；(震源产生的原理为CO₂炮激发后对煤岩体压裂过程中会产生震动)

步骤三：沿煤巷建立三维坐标系，X方向为指向迎头，Y方向为垂直于煤壁方向，Z方向为垂直于煤层底板，以模型边界上煤巷中心为原点建立三维空间坐标系，将上述震源位置与三分量检波器位置归入到空间坐标系中，建立三维煤巷地震超前预报观测系统；

步骤四：分析震源S₁和S₂的地震记录，选取信噪比高的地震记录进行处理分析；

步骤五：在地震记录中确定来自本盘的反射Love型槽波信号，进行时频域极化偏移成像，获取本盘断层的位置及走向，并获得最大振幅反射点位置；

步骤六：在地震记录中确定来自对盘的绕射体波信号，然后对绕射体波信号采用时频域希尔伯特极化成像方法进行处理，获取对盘绕射点的位置，进行收敛成像；

步骤七：根据步骤六中对盘绕射点位置求取断层的落差；

步骤八：结合步骤五、步骤六中反射点位置和绕射点位置，通过几何位置关系求取断层的倾角、性质、倾向；

步骤九：根据步骤五至八获取的断层的位置、走向、倾角、性质及倾向的参数信息，建立断层三维空间模型。

进一步，所述步骤五具体步骤为：

(1)在由t组成的时窗t₁范围内的反射Love型数据A_i(t)采用解析信号u_i(t)来表示：

式中，表示任意采样点优势频率，argc_i(t)表示求取A_i(t)的幅角，表示复数共轭；

(2)根据上述时频特征，构建协方差矩阵：

式中表示t时刻的l分量时窗叠加振幅，第l分量在时窗内的均值μ_l，T_lh(t)表示t时刻的自适应时窗长度，h为1、2、3；

(3)通过上述协方差矩阵求取的最大特征值对应的特征向量，进行归一化后表示为[x₁(t),y₁(t),z₁(t)]；

(4)主极化方向的极化优势倾角表示为：

其中即主极化方向与XOZ面之间的夹角；

(5)根据以上参数进行时频域极化成像，其原理如下所示：

其中Ω代表所有地震道，A(t,f)代表标量振幅的叠加函数，A_i代表振幅能量，L_s+L_r代表地震波传播的总路径，v代表地震波速；主极化方向的权重函数P_c表达如下：

(6)通过上述(1)至(5)，得到断层本盘界面，计算得出断层界面走向为α₁和断层距离坐标原点的水平长度为L；

(7)在断层本盘界面上选取最大振幅反射点位置，设其为A点，三维空间坐标为(x_i，y_i，z_i)。

进一步，所述步骤六的具体过程为：

(1)在地震记录中确定断层对盘断点绕射体波波列，选定时窗t₂；

(2)从时窗t₂中选取负相位最大振幅采样点，对该采样点的三分量信号进行时频域希尔伯特极化分析，获得主极化方向的方位角及倾角参数；

(3)通过n个检波器之间的组合计算关系，结合上步骤方位角及倾角参数，获得射线交汇点的空间分布；

(4)将上步骤交汇点的位置归入到三维空间坐标系内，然后将三维空间坐标系以1m为单位划分三维空间网格；

(5)统计每个三维空间网格内落入的交汇点，将落入交汇点最多的三维空间网格确定为对盘绕射点位置，设其点为B，坐标为(x_j，y_j，z_j)；

进一步，所述步骤七的具体过程为：

(1)将步骤六中对盘断层绕射点B投影到XOZ面上，即可获得B点坐标为(x_j，z_j)；

(2)根据几何位置关系即可获得落差H为：

H＝z_j

进一步，所述步骤八的具体过程为：

(1)由于断层本盘反射点A的坐标为(x_i,y_i,z_i)以及断层对盘绕射点B坐标为(x_j,y_j,z_j)；将A、B两点分别投影到XOZ面上，即坐标分别为(x_i，z_i)，(x_j，z_j)，根据坐标关系求取AB两点连线投影角度即：

θ即为断层倾角。

(2)在XOZ面上，根据几何位置坐标关系，判定断层的性质，具体步骤为：

根据上述A、B两点的位置坐标关系，即可获得断层的性质，可分为以下四种情况：

①当坐标关系满足z_j＞z_i，x_j＞x_i时，为正断层；

②当坐标关系满足z_j<z_i，x_j<x_i时，为逆断层；

③当坐标关系满足z_j＜z_i，x_j＞x_i时，为正断层；

④当坐标关系满足z_j＞z_i，x_j＜x_i时，为逆断层；

(3)根据上述步骤(2)得到的断层性质，结合确定的断层走向，即获得断层的倾向。

与现有技术相比，本发明先建立煤巷掘进超前预报观测系统；然后对各个三分量检波器接收到的三分量Love型反射槽波信号，进行时频域极化偏移成像，获取反射槽波在断层本盘界面上反射点位置及走向、倾向的大小；在接收到的三分量信号中确定绕射体波信号，然后对绕射体波信号进行时频域希尔伯特极化成像方法，获取断层对盘绕射点的位置，进行收敛成像，并获得小断层落差；通过上述得到的反射点及绕射点位置关系，通过几何关系，获取小断层的倾角大小；最后根据获取的断层参数，建立小断层三维空间模型。因此本发明能精确探测出巷道前方断层的三维空间下的各要素信息，从而能实现超前探测小断层的三维可视化。

附图说明

图1是本发明中检波器和震源的布设示意图；

图2是图3的俯视图；

图3是本发明探测断层时的剖面示意图；

图4是本发明中震源S₁激发后的地震记录信号及反射槽波组和反射体波组图；

图5是本发明中震源S₂激发后的地震记录信号及反射槽波组和反射体波组图；

图6是本发明三维坐标系中XOY面探测成像示意图；

图7是本发明三维坐标系中XOZ面探测成像示意图；

图8是本发明在XOZ面中计算断层落差的示意图；

图9是本发明在XOZ面中计算断层面倾角的示意图；

图10是本发明断层性质判断示意图。

图中：1、震源S₁，2、三分量检波器，3、巷道，4、断层界面，5、断层本盘，6、断层对盘。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图所示，以图1中的右方为前方进行专利描述，本发明的具体步骤为：

步骤一：在煤巷左右帮的中心高度分别布置n个三分量检波器2接收地震信号，道间距(即相邻三分量检波器之间的距离)为N米，从迎头反向依此布置；

步骤二：采用CO₂炮在煤巷左右帮煤层中各激发一次，分别产生震源S₁和震源S₂；(震源产生的原理为CO₂炮激发后对煤岩体压裂过程中会产生震动)

步骤三：沿煤巷建立三维坐标系，X方向为指向迎头，Y方向为垂直于煤壁方向，Z方向为垂直于煤层底板，以模型边界上煤巷中心为原点建立三维空间坐标系，将上述震源位置与三分量检波器2位置归入到空间坐标系中，建立三维煤巷地震超前预报观测系统；

步骤四：分析震源S₁和S₂的地震记录，选取信噪比高的地震记录进行处理分析；

步骤五：在地震记录中确定来自本盘的反射Love型槽波信号，进行时频域极化偏移成像，获取断层本盘5的位置及走向，并获得最大振幅反射点位置；

步骤六：在地震记录中确定来自对盘的绕射体波信号，然后对绕射体波信号采用时频域希尔伯特极化成像方法进行处理，获取对盘绕射点的位置，进行收敛成像；

步骤七：根据步骤六中对盘绕射点位置求取断层的落差；

步骤八：结合步骤五、步骤六中反射点位置和绕射点位置，通过几何位置关系求取断层的倾角、性质、倾向；

步骤九：根据步骤五至八获取的断层的位置、走向、倾角、性质及倾向的参数信息，建立断层三维空间模型。

进一步，所述步骤五具体步骤为：

(1)在由t组成的时窗t₁范围内的反射Love型数据A_i(t)采用解析信号u_i(t)来表示：

式中，表示任意采样点优势频率，argc_i(t)表示求取A_i(t)的幅角，表示复数共轭；

(2)根据上述时频特征，构建协方差矩阵：

式中表示t时刻的l分量时窗叠加振幅，第l分量在时窗内的均值μ_l，T_lh(t)表示t时刻的自适应时窗长度，h为1、2、3；

(3)通过上述协方差矩阵求取的最大特征值对应的特征向量，进行归一化后表示为[x₁(t),y₁(t),z₁(t)]；

(4)主极化方向的极化优势倾角表示为：

其中即主极化方向与XOZ面之间的夹角；

(5)根据以上参数进行时频域极化成像，其原理如下所示：

其中Ω代表所有地震道，A(t,f)代表标量振幅的叠加函数，A_i代表振幅能量，L_s+L_r代表地震波传播的总路径，v代表地震波速；主极化方向的权重函数P_c表达如下：

(6)通过上述(1)至(5)，得到断层本盘5界面，计算得出断层界面4走向为α₁和断层距离坐标原点的水平长度为L；

(7)在断层本盘5界面上选取最大振幅反射点位置，设其为A点，三维空间坐标为(x_i，y_i，z_i)。

进一步，所述步骤六的具体过程为：

(1)在地震记录中确定断层对盘断点绕射体波波列，选定时窗t₂；

(2)从时窗t₂中选取负相位最大振幅采样点，对该采样点的三分量信号进行时频域希尔伯特极化分析，获得主极化方向的方位角及倾角参数；

(3)通过n个检波器之间的组合计算关系，结合上步骤方位角及倾角参数，获得射线交汇点的空间分布；具体步骤为：

①根据任一个检波器的空间位置和步骤(2)获取主极化方向的方位角及倾角参数构建空间矢量，如下：

设检波器R的空间坐标为(x_R，y_R，z_R)，检波器R接收的绕射波的方位角、倾角的方向信息为(m，n，p)，列出参数方程(t表示时间参数)：

计算任意两个主极化方向射线相交的交点位置：

②在三维空间中得出两个相交的主极化方向射线，并将该交点的位置坐标记录；

③将剩下的检波器的空间坐标及检波器所接收的对盘断点绕射波传播方向重复步骤①和②，获得所有交汇点的位置；

④统计出各个交汇点在三维空间的分布特征；

(4)将上步骤交汇点的位置归入到三维空间坐标系内，然后将三维空间坐标系以1m为单位划分三维空间网格；

(5)统计每个三维空间网格内落入的交汇点，将落入交汇点最多的三维空间网格确定为对盘绕射点位置，设其点为B，坐标为(x_j，y_j，z_j)；

进一步，所述步骤七的具体过程为：

(1)将步骤六中对盘断层绕射点B投影到XOZ面上，即可获得B点坐标为(x_j，z_j)；

(2)根据几何位置关系即可获得落差H为：

H＝z_j

进一步，所述步骤八的具体过程为：

(1)由于断层本盘反射点A的坐标为(x_i,y_i,z_i)以及断层对盘绕射点B坐标为(x_j,y_j,z_j)；将A、B两点分别投影到XOZ面上，即坐标分别为(x_i，z_i)，(x_j，z_j)，根据坐标关系求取AB两点连线投影角度即：

θ即为断层倾角。

(2)在XOZ面上，根据几何位置坐标关系，判定断层的性质，具体步骤为：

根据上述A、B两点的位置坐标关系，即可获得断层的性质，可分为以下四种情况：

①当坐标关系满足z_j＞z_i，x_j＞x_i时，为正断层；

②当坐标关系满足z_j<z_i，x_j<x_i时，为逆断层；

③当坐标关系满足z_j＜z_i，x_j＞x_i时，为正断层；

④当坐标关系满足z_j＞z_i，x_j＜x_i时，为逆断层；

(3)根据上述步骤(2)得到的断层性质，结合确定的断层走向，即获得断层的倾向。

Claims (5)

1.一种小断层超前三维可视化建模方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一：在煤巷左右帮的中心高度分别布置n个三分量检波器接收地震信号，道间距为N米，从迎头反向依此布置；

步骤二：采用CO₂炮在煤巷左右帮煤层中各激发一次，分别产生震源S₁和震源S₂；

步骤三：沿煤巷建立三维坐标系，X方向为指向迎头，Y方向为垂直于煤壁方向，Z方向为垂直于煤层底板，以模型边界上煤巷中心为原点建立三维空间坐标系，将上述震源位置与三分量检波器位置归入到空间坐标系中，建立三维煤巷地震超前预报观测系统；

步骤四：分析震源S₁和S₂的地震记录，选取信噪比高的地震记录进行处理分析；

步骤五：在地震记录中确定来自本盘的反射Love型槽波信号，进行时频域极化偏移成像，获取本盘断层的位置及走向，并获得最大振幅反射点位置；

步骤六：在地震记录中确定来自对盘的绕射体波信号，然后对绕射体波信号采用时频域希尔伯特极化成像方法进行处理，获取对盘绕射点的位置，进行收敛成像；

步骤七：根据步骤六中对盘绕射点位置求取断层的落差；

步骤八：结合步骤五、步骤六中反射点位置和绕射点位置，通过几何位置关系求取断层的倾角、性质、倾向；

步骤九：根据步骤五至八获取的断层的位置、走向、倾角、性质及倾向的参数信息，建立断层三维空间模型。

2.根据权利要求1所述的一种小断层超前三维可视化建模方法，其特征在于，所述步骤五具体步骤为：

(1)在由t组成的时窗t₁范围内的反射Love型数据A_i(t)采用解析信号u_i(t)来表示：

式中，表示任意采样点优势频率，argc_i(t)表示求取A_i(t)的幅角，表示复数共轭；

(2)根据上述时频特征，构建协方差矩阵：

式中表示t时刻的l分量时窗叠加振幅，第l分量在时窗内的均值μ_l，T_lh(t)表示t时刻的自适应时窗长度，h为1、2、3；

(3)通过上述协方差矩阵求取的最大特征值对应的特征向量，进行归一化后表示为[x₁(t),y₁(t),z₁(t)]；

(4)主极化方向的极化优势倾角表示为：

其中指主极化方向与XOZ面之间夹角；

(5)根据以上参数进行时频域极化成像，其原理如下所示：

其中Ω代表所有地震道，A(t,f)代表标量振幅的叠加函数，A_i代表振幅能量，L_s+L_r代表地震波传播的总路径，v代表地震波速；主极化方向的权重函数P_c表达如下：

(6)通过上述(1)至(5)，得到断层本盘界面，计算得出断层界面走向为α₁和断层距离坐标原点的水平长度为L；

(7)在断层本盘界面上选取最大振幅反射点位置，设其为A点，三维空间坐标为(x_i，y_i，z_i)。

3.根据权利要求1所述的一种小断层超前三维可视化建模方法，其特征在于，所述步骤六的具体过程为：

(1)在地震记录中确定断层对盘断点绕射体波波列，选定时窗t₂；

(2)从时窗t₂中选取负相位最大振幅采样点，对该采样点的三分量信号进行时频域希尔伯特极化分析，获得主极化方向的方位角及倾角参数；

(3)通过n个检波器之间的组合计算关系，结合上步骤方位角及倾角参数，获得射线交汇点的空间分布；

(4)将上步骤交汇点的位置归入到三维空间坐标系内，然后将三维空间坐标系以1m为单位划分三维空间网格；

(5)统计每个三维空间网格内落入的交汇点，将落入交汇点最多的三维空间网格确定为对盘绕射点位置，设其点为B，坐标为(x_j，y_j，z_j)。

4.根据权利要求1所述的一种小断层超前三维可视化建模方法，其特征在于，所述步骤七的具体过程为：

(1)将步骤六中对盘断层绕射点B投影到XOZ面上，即可获得B点坐标为(x_j，z_j)；

(2)根据几何位置关系即可获得落差H为：

H＝z_j。

5.根据权利要求1所述的一种小断层超前三维可视化建模方法，其特征在于，所述步骤八的具体过程为：

(1)由于断层本盘反射点A的坐标为(x_i,y_i,z_i)以及断层对盘绕射点B坐标为(x_j,y_j,z_j)；将A、B两点分别投影到XOZ面上，即坐标分别为(x_i，z_i)，(x_j，z_j)，根据坐标关系求取AB两点连线投影角度即：

θ即为断层倾角；

(2)在XOZ面上，根据几何位置坐标关系，判定断层的性质，具体步骤为：

根据上述A、B两点的位置坐标关系，即可获得断层的性质，可分为以下四种情况：

①当坐标关系满足z_j＞z_i，x_j＞x_i时，为正断层；

②当坐标关系满足z_j<z_i，x_j<x_i时，为逆断层；

③当坐标关系满足z_j＜z_i，x_j＞x_i时，为正断层；

④当坐标关系满足z_j＞z_i，x_j＜x_i时，为逆断层；

(3)根据上述步骤(2)得到的断层性质，结合权利要求2中的走向，即获得断层的倾向。