CN110632667B - 一种基于冲击波激震条件下的隐伏陷落柱超前探测方法 - Google Patents

一种基于冲击波激震条件下的隐伏陷落柱超前探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于冲击波激发激震条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，采用冲击波作为激发震源，将冲击波激发震源放置到底板钻孔最深处，通过改变不同孔深的方式分别进行激发，从而产生多个震源，且多个震源与检波器之间的偏移距均不相同，每次激发后获得一次共炮点道集，然后将各个共炮点道集叠加进行处理，获取各个震源产生的绕射波在隐伏陷落柱上最大振幅绕射点位置；最后通过各个最大振幅绕射点位置进行曲线拟合，将曲线显示在坐标系的XOZ面上，该曲线的位置即为隐伏陷落柱的侧界面位置；本发明通过冲击波激发震源进行多次激发，从而利用绕射波信号对煤层下方的陷落柱进行探测成像，不仅精度高，而且方便快捷，对煤巷安全掘进提供数据支撑。

Description

一种基于冲击波激震条件下的隐伏陷落柱超前探测方法
技术领域
本发明涉及一种隐伏陷落柱的超前探测方法，具体是一种基于冲击波激震条件下的隐伏陷落柱超前探测方法。
背景技术
巷道掘进是煤矿安全事故的频发阶段，有些巷道掘进过程中会发生突水事故，使煤矿受到巨大的经济损失或人员伤亡，突水事故的主要原因是底板隐伏陷落柱导通奥灰水形成。目前针对掘进迎头前方煤层的底板隐伏陷落柱的探测方法有限，因此亟需发展井下探测技术，确保工作面安全掘进。
专利号“201610323984.6”中提出一种基于绕射波的回采工作面小型陷落柱的探测方法，利用工作面煤层内的陷落柱透射方向的绕射波进行探查，然而超前探测是利用反射方向的绕射波，两者差异大，因此无法采用；故如何对隐伏陷落柱进行超前探测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，本发明提供一种基于冲击波激震条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，通过冲击波激震产生多次激发，从而利用底板绕射波信号对底板以下的陷落柱进行探测成像，不仅精度高，而且使用方便，对煤巷安全掘进提供数据支撑。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于冲击波激发震源条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，该方法的具体步骤为：
步骤一：在巷道底板距离迎头10m位置施工一个激发钻孔，钻孔长度为N米，钻孔与巷道底板垂直；
步骤二：将冲击波激发震源送入钻孔最深处；
步骤三：在巷道底板布设n个安装孔，相邻安装孔的间距为3米，n个安装孔与激发钻孔的位置处在同一直线上，在每个安装孔内均布置一个三分量检波器；各个三分量检波器与地震记录仪连接，建立煤巷掘进超前预报观测系统；
步骤四：冲击波激发震源从钻孔最深处进行第一次激发，然后冲击波激发震源由下往上每偏移3m激发一次，直至冲击波激发震源距离钻孔孔口3m时，停止激发并退出钻孔，共激发n次，形成震源S1、S2、S3…Sn，各个三分量检波器实时接收各个冲击波激发震源产生的地震波并传递给地震记录仪；
步骤五：沿巷道建立三维坐标系，其中X方向为指向迎头方向，Y方向为垂直于煤壁且垂直于迎头方向，Z方向为垂直于巷道顶板且垂直于迎头方向，以模型左边界上巷道面的中心为原点建立三维坐标系，将各个震源位置与三分量检波器位置归入上述三维坐标系中；
步骤六：每个震源产生一个共炮点道集，共产生n个共炮点道集，对每个共炮点道集进行分析，选取其中来自前方的绕射波信号，对绕射波信号进行时频域希尔伯特极化成像，计算煤层下方隐伏陷落柱上绕射点的位置；
步骤七：获取每个共炮点道集中最大振幅绕射点，记为A1(x1，y1，z1)，A2(x2，y2，z2)，A3(x3，y3，z3)…An(xn，yn，zn)；
步骤八：将所有最大振幅绕射点反映在三维坐标系的XOZ面上，其坐标分别为A1(x1,z1)、A2(x2,z2)，A3(x3,z3)……An(xn,zn)；
步骤九：将步骤八中的各个绕射点进行曲线拟合，得出的曲线即为隐伏陷落柱的侧界面。
进一步，所述步骤六具体为：
(1)在震源S1形成的共炮点道集中确定来自底板的绕射波信号，选定带有绕射波信号的时窗t；
(2)通过对绕射波信号进行时频域希尔伯特极化分析，获得绕射波的方位角及倾角参数；
(3)通过检波器组合计算关系结合极化参数并三维网格化后，获得射线交汇点的空间分布，具体步骤为：
Ⅰ、根据任一个检波器的空间位置和步骤(2)获取相应的极化参数构建空间矢量，如下：
设检波器R的空间坐标为(xR，yR，zR)，检波器R接收的绕射波的方位角、倾角的主极化方向信息为(m，l，p)，列出该检波器的主极化方向参数方程，t表示时间参数：
Figure GDA0002767497800000031
计算任意两个检波器主极化方向射线相交的交点位置：
Figure GDA0002767497800000032
上述方程用以下矩阵形式表示：
VT＝P
其中：
Figure GDA0002767497800000033
Ⅱ、在三维空间中若能得出两个相交的主极化方向射线，则记录该交点的位置坐标；地震记录由于噪声干扰和极化方法误差的影响，若未能得出两个相交的主极化方向射线，则使目标函数的解J达到最小：
J＝||T-V-1P||2
采用最小二乘法求解，即：
T＝(VTV)-1VTP
从而得出两个未相交的主极化方向射线的最小距离，并记录该最小距离中点的位置坐标；
Ⅲ、重复步骤Ⅰ和Ⅱ将各个检波器的主极化方向射线两两分组，使每组的两个主极化方向射线相交或距离最小；并得出各组的交点或中点的位置坐标，这些坐标则为所有绕射点的位置坐标；
(4)对震源S2、S3…Sn形成的三分量共炮点道集重复步骤(1)至(3)，获得震源S2、S3…Sn各自所有绕射点的位置坐标。
进一步，所述步骤七的具体过程为：
(1)统计震源S1形成的各个绕射点在三维空间的分布特征，将各组得出的交点或中点的位置坐标放入在建立的三维空间坐标系内，然后将三维空间坐标系以1m为单位划分三维空间网格；
(2)统计每个三维空间网格内落入的交点或中点，将落入交点或中点数量最多的三维空间网格确定为最大振幅绕射点位置，设其点为A1，坐标为(x1，y1，z1)；
(3)对震源S2、S3…Sn形成的各个绕射点重复步骤(1)和(2)，分别得出各个震源对应的最大振幅绕射点位置分别为A2(x2，y2，z2)，A3(x3，y3，z3)，A4(x4，y4，z4)…An(xn，yn，zn)。
进一步，所述步骤九的具体过程为：
(1)各个最大振幅绕射点在XOZ面上的坐标分别为A1(x1,z1)、A2(x2,z2)，A3(x3,z3)……An(xn,zn)；
(2)设拟合多项式曲线为：
z＝a0+a1x+…+akxk
其中a0、a1…ak为求解参数；
(3)将所有最大振幅绕射点坐标分别代入到步骤(2)中的拟合多项式，构成如下矩阵：
Figure GDA0002767497800000041
(4)设置k＝1，k＝2，k＝3，k＝4，分别代入步骤(3)中矩阵，利用最小二乘法进行求解，即可对应的获得四组参数；
(5)为了确定最优解，将四组a0、a1…ak的参数值代入拟合曲线，分别归入到三维坐标系的XOZ面上；
(6)分别求取各个最大振幅绕射点到每组曲线的距离和，平方和数值分为
Figure GDA0002767497800000042
Figure GDA0002767497800000043
求取方法如下：
Figure GDA0002767497800000051
(7)比较
Figure GDA0002767497800000052
的大小，所有最大振幅绕射点与曲线的距离平方和最短代表曲线拟合最好，因此最小值对应的为最优拟合曲线，该曲线对应位置即为隐伏陷落柱的侧界面位置。
与现有技术相比，本发明采用冲击波激震仪作为震源，将冲击波震源放置到底板钻孔内，利用冲击波在钻孔内能多次激发的特点，通过改变不同孔深的方式分别进行激发，从而产生多个震源，且多个震源与检波器之间的偏移距均不相同，每次激发后地震观测系统获取一次共炮点道集，然后将各个共炮点道集进行处理，获取各个震源产生的绕射波在隐伏陷落柱上最大振幅反射点位置；最后通过各个最大振幅反射点位置拟合曲线，将曲线显示在坐标系的XOZ面上，该曲线的位置即为隐伏陷落柱的反射界面；本发明通过冲击波激发震源产生多次激发，震源新型且多次循环激发效率快，解决了现有钻探、三维地震勘探精度低的难题。
附图说明
图1是本发明中观测系统的布置示意图；
图2是采用本发明得出的反射点成像散点分布图。
图中：1、三分量检波器，2、巷道，3、迎头，4、钻孔，5、隐伏陷落柱。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明的具体步骤为：
步骤一：在巷道2底板距离迎头10m位置施工一个激发钻孔，钻孔长度为N米，钻孔4与巷道2底板垂直；
步骤二：将冲击波激发震源送入钻孔4最深处；
步骤三：在巷道2底板布设n个安装孔，相邻安装孔的间距为3米，n个安装孔与激发钻孔的位置处在同一直线上，在每个安装孔内均布置一个三分量检波器1；各个三分量检波器1与地震记录仪连接，建立煤巷掘进超前预报观测系统；
步骤四：冲击波激发震源从钻孔4最深处进行第一次激发，然后冲击波激发震源由下往上每偏移3m激发一次，直至冲击波激发震源距离钻孔孔口3m时，停止激发并退出钻孔4，共激发n次，形成震源S1、S2、S3…Sn，各个三分量检波器1实时接收各个冲击波激发震源产生的地震波并传递给地震记录仪；
步骤五：沿巷道建立三维坐标系，其中X方向为指向迎头方向，Y方向为垂直于煤壁且垂直于迎头方向，Z方向为垂直于巷道顶板且垂直于迎头方向，以模型左边界上巷道面的中心为原点建立三维坐标系，将各个震源位置与三分量检波器1位置归入上述三维坐标系中；
步骤六：每个震源产生一个共炮点道集，共产生n个共炮点道集，对每个共炮点道集进行分析，选取其中来自前方的绕射波信号，对绕射波信号进行时频域希尔伯特极化成像，计算煤层下方隐伏陷落柱5上绕射点的位置；
步骤七：获取每个共炮点道集中最大振幅绕射点，记为A1(x1，y1，z1)，A2(x2，y2，z2)，A3(x3，y3，z3)…An(xn，yn，zn)；
步骤八：将所有最大振幅绕射点反映在三维坐标系的XOZ面上，其坐标分别为A1(x1,z1)、A2(x2,z2)，A3(x3,z3)……An(xn,zn)；
步骤九：将步骤八中的各个绕射点进行曲线拟合，得出的曲线即为隐伏陷落柱5的侧界面。
进一步，所述步骤六具体为：
(1)在震源S1形成的共炮点道集中确定来自底板的绕射波信号，选定带有绕射波信号的时窗t；
(2)通过对绕射波信号进行时频域希尔伯特极化分析，获得绕射波的方位角及倾角参数；
(3)通过检波器组合计算关系结合极化参数并三维网格化后，获得射线交汇点的空间分布，具体步骤为：
Ⅰ、根据任一个检波器的空间位置和步骤(2)获取相应的极化参数构建空间矢量，如下：
设检波器R的空间坐标为(xR，yR，zR)，检波器R接收的绕射波的方位角、倾角的主极化方向信息为(m，l，p)，列出该检波器的主极化方向参数方程，t表示时间参数：
Figure GDA0002767497800000071
计算任意两个检波器主极化方向射线相交的交点位置：
Figure GDA0002767497800000072
上述方程用以下矩阵形式表示：
VT＝P
其中：
Figure GDA0002767497800000073
Ⅱ、在三维空间中若能得出两个相交的主极化方向射线，则记录该交点的位置坐标；地震记录由于噪声干扰和极化方法误差的影响，若未能得出两个相交的主极化方向射线，则使目标函数的解J达到最小：
J＝||T-V-1P||2
采用最小二乘法求解，即：
T＝(VTV)-1VTP
从而得出两个未相交的主极化方向射线的最小距离，并记录该最小距离中点的位置坐标；
Ⅲ、重复步骤Ⅰ和Ⅱ将各个检波器的主极化方向射线两两分组，使每组的两个主极化方向射线相交或距离最小；并得出各组的交点或中点的位置坐标，这些坐标则为所有绕射点的位置坐标；
(4)对震源S2、S3…Sn形成的三分量共炮点道集重复步骤(1)至(3)，获得震源S2、S3…Sn各自所有绕射点的位置坐标。
进一步，所述步骤七的具体过程为：
(1)统计震源S1形成的各个绕射点在三维空间的分布特征，将各组得出的交点或中点的位置坐标放入在建立的三维空间坐标系内，然后将三维空间坐标系以1m为单位划分三维空间网格；
(2)统计每个三维空间网格内落入的交点或中点，将落入交点或中点数量最多的三维空间网格确定为最大振幅绕射点位置，设其点为A1，坐标为(x1，y1，z1)；
(3)对震源S2、S3…Sn形成的各个绕射点重复步骤(1)和(2)，分别得出各个震源对应的最大振幅绕射点位置分别为A2(x2，y2，z2)，A3(x3，y3，z3)，A4(x4，y4，z4)…An(xn，yn，zn)。
进一步，所述步骤九的具体过程为：
(1)各个最大振幅绕射点在XOZ面上的坐标分别为A1(x1,z1)、A2(x2,z2)，A3(x3,z3)……An(xn,zn)；
(2)设拟合多项式曲线为：
z＝a0+a1x+…+akxk
其中a0、a1…ak为求解参数；
(3)将所有最大振幅绕射点坐标分别代入到步骤(2)中的拟合多项式，构成如下矩阵：
Figure GDA0002767497800000081
(4)设置k＝1，k＝2，k＝3，k＝4，分别代入步骤(3)中矩阵，利用最小二乘法进行求解，即可对应的获得四组参数；
(5)为了确定最优解，将四组a0、a1…ak的参数值代入拟合曲线，分别归入到三维坐标系的XOZ面上；
(6)分别求取各个最大振幅绕射点到每组曲线的距离和，平方和数值分为
Figure GDA0002767497800000082
Figure GDA0002767497800000083
求取方法如下：
Figure GDA0002767497800000091
(7)比较
Figure GDA0002767497800000092
的大小，所有最大振幅绕射点与曲线的距离平方和最短代表曲线拟合最好，因此最小值对应的为最优拟合曲线，该曲线对应位置即为隐伏陷落柱的侧界面位置。

Claims (4)

1.一种基于冲击波激发震源条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一：在巷道底板距离迎头10m位置施工一个激发钻孔，钻孔长度为N米，钻孔与巷道底板垂直；
步骤二：将冲击波激发震源送入钻孔最深处；
步骤三：在巷道底板布设n个安装孔，相邻安装孔的间距为3米，n个安装孔与激发钻孔的位置处在同一直线上，在每个安装孔内均布置一个三分量检波器；各个三分量检波器与地震记录仪连接，建立煤巷掘进超前预报观测系统；
步骤四：冲击波激发震源从钻孔最深处进行第一次激发，然后冲击波激发震源由下往上每偏移3m激发一次，直至冲击波激发震源距离钻孔孔口3m时，停止激发并退出钻孔，共激发n次，形成震源S1、S2、S3…Sn，各个三分量检波器实时接收各个冲击波激发震源产生的地震波并传递给地震记录仪；
步骤五：沿巷道建立三维坐标系，其中X方向为指向迎头方向，Y方向为垂直于煤壁且垂直于迎头方向，Z方向为垂直于巷道顶板且垂直于迎头方向，以模型左边界上巷道面的中心为原点建立三维坐标系，将各个震源位置与三分量检波器位置归入上述三维坐标系中；
步骤六：每个震源产生一个共炮点道集，共产生n个共炮点道集，对每个共炮点道集进行分析，选取其中来自前方的绕射波信号，对绕射波信号进行时频域希尔伯特极化成像，计算煤层下方隐伏陷落柱上绕射点的位置；
步骤七：获取每个共炮点道集中最大振幅绕射点，记为A1(x1，y1，z1)，A2(x2，y2，z2)，A3(x3，y3，z3)…An(xn，yn，zn)；
步骤八：将所有最大振幅绕射点反映在三维坐标系的XOZ面上，其坐标分别为A1(x1,z1)、A2(x2,z2)，A3(x3,z3)……An(xn,zn)；
步骤九：将步骤八中的各个绕射点进行曲线拟合，得出的曲线即为隐伏陷落柱的侧界面。
2.根据权利要求1所述的一种基于冲击波激发震源条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，其特征在于，所述步骤六具体为：
(1)在震源S1形成的共炮点道集中确定来自底板的绕射波信号，选定带有绕射波信号的时窗t；
(2)通过对绕射波信号进行时频域希尔伯特极化分析，获得绕射波的方位角及倾角参数；
(3)通过检波器组合计算关系结合极化参数并三维网格化后，获得射线交汇点的空间分布，具体步骤为：
Ⅰ、根据任一个检波器的空间位置和步骤(2)获取相应的极化参数构建空间矢量，如下：
设检波器R的空间坐标为(xR，yR，zR)，检波器R接收的绕射波的方位角、倾角的主极化方向信息为(m，l，p)，列出该检波器的主极化方向参数方程，t表示时间参数：
Figure FDA0002767497790000021
计算任意两个检波器主极化方向射线相交的交点位置：
Figure FDA0002767497790000022
上述方程用以下矩阵形式表示：
VT＝P
其中：
Figure FDA0002767497790000023
Ⅱ、在三维空间中若能得出两个相交的主极化方向射线，则记录该交点的位置坐标；地震记录由于噪声干扰和极化方法误差的影响，若未能得出两个相交的主极化方向射线，则使目标函数的解J达到最小：
J＝‖T-V-1P‖2
采用最小二乘法求解，即：
T＝(VTV)-1VTP
从而得出两个未相交的主极化方向射线的最小距离，并记录该最小距离中点的位置坐标；
Ⅲ、重复步骤Ⅰ和Ⅱ将各个检波器的主极化方向射线两两分组，使每组的两个主极化方向射线相交或距离最小；并得出各组的交点或中点的位置坐标，这些坐标则为所有绕射点的位置坐标；
(4)对震源S2、S3…Sn形成的三分量共炮点道集重复步骤(1)至(3)，获得震源S2、S3…Sn各自所有绕射点的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于冲击波激发震源条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，其特征在于，所述步骤七的具体过程为：
(1)统计震源S1形成的各个绕射点在三维空间的分布特征，将各组得出的交点或中点的位置坐标放入在建立的三维空间坐标系内，然后将三维空间坐标系以1m为单位划分三维空间网格；
(2)统计每个三维空间网格内落入的交点或中点，将落入交点或中点数量最多的三维空间网格确定为最大振幅绕射点位置，设其点为A1，坐标为(x1，y1，z1)；
(3)对震源S2、S3…Sn形成的各个绕射点重复步骤(1)和(2)，分别得出各个震源对应的最大振幅绕射点位置分别为A2(x2，y2，z2)，A3(x3，y3，z3)，A4(x4，y4，z4)…An(xn，yn，zn)。
4.根据权利要求1所述的一种基于冲击波激发震源条件下的隐伏陷落柱超前探测方法，其特征在于，所述步骤九的具体过程为：
(1)各个最大振幅绕射点在XOZ面上的坐标分别为A1(x1,z1)、A2(x2,z2)，A3(x3,z3)……An(xn,zn)；
(2)设拟合多项式曲线为：
z＝a0+a1x+…+akxk
其中a0、a1…ak为求解参数；
(3)将所有最大振幅绕射点坐标分别代入到步骤(2)中的拟合多项式，构成如下矩阵：
Figure FDA0002767497790000041
(4)设置k＝1，k＝2，k＝3，k＝4，分别代入步骤(3)中矩阵，利用最小二乘法进行求解，即可对应的获得四组参数；
(5)为了确定最优解，将四组a0、a1…ak的参数值代入拟合曲线，分别归入到三维坐标系的XOZ面上；
(6)分别求取各个最大振幅绕射点到每组曲线的距离和，平方和数值分为
Figure FDA0002767497790000042
Figure FDA0002767497790000043
求取方法如下：
Figure FDA0002767497790000044
(7)比较
Figure FDA0002767497790000045
的大小，所有最大振幅绕射点与曲线的距离平方和最短代表曲线拟合最好，因此最小值对应的为最优拟合曲线，该曲线对应位置即为隐伏陷落柱的侧界面位置。
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