CN112578428B - 一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,先布设一排三分量检波器,然后相邻检波器之间的中点均设有震源,然后震源依次激发,此时多个检波器分别接收各个震源的地震波信号;确定虚拟测线的位置及垂向虚拟测线成像范围;然后设定等效的自激自收点E,进而计算得出等时偏移距he;对检波器的三分量信号进行偏振分析,得出极化滤波函数;然后采用该函数对信号进行矢量滤波后获得成像区域内各共散射点不同类型等价散射波信号,并结合等时偏移距形成共散射点道集;对各共散射点道集的等价散射波信号进行速度分析,进而得出各个道集的零偏移距记录;最后将各个零偏移距记录重排,形成基于垂向虚拟测线的不同类型散射波成像剖面。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井巷道超前探测方法,具体是一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法。
背景技术
巷道掘进是煤矿生产的关键阶段之一,同时也是安全事故易发、频发的阶段,其中76%的煤矿重特大事故发生于此。因此,巷道前方的异常地质构造精准探测是保障煤矿安全生产的必然要求,因此如何进一步提高巷道构造超前探测的精准程度成为行业同仁追求的现实需求目标。
构造超前探测通常利用在巷道内布置地震震源(炸药、大锤等)与接收系统(各类三分量检波器),通过震源激发地震波向前方传播,然后地震波遇到地质异常产生反射波,接收系统接收反射波来进行异常位置的成像与解释。然而,矿井特殊地质条件下常常面对的是复杂、不规则的小尺度地质异常体,如小断层、陷落柱等,这类地质异常体通常会产生丰富的散射波而难以形成发育明显的反射波,源于惠更斯-菲涅尔原理的散射波涵盖所有类型的波,比反射波更适合小尺度复杂不均匀的矿井地质构造的探测;同时,巷道复杂且狭小空间的采集环境(煤巷断面高、宽通常为3~5m),以及深度仅为1.5~2m的炸药激发钻孔导致垂直于巷道超前探测方向的横向偏移距极小,所采集波场信号远不完备;最后,在巷道立体空间下,不同方位不同类型的地震波混叠,会造成成像假象,限制了超前探测的精准性。鉴于现有超前探测存在上述三点问题,因此如何提供一种新的探测方法,能有效提高巷道前方异常地质构造探测的精准性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巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,通过对各个三分量检波器接收到的散射波进行分析处理,最终能有效提高巷道前方异常地质构造探测的精准性。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,具体步骤为:
步骤一:在巷道迎头后方的巷道两帮中任一帮沿巷道走向布设多个三分量检波器,三分量检波器的X方向为巷道掘进方向,Y方向为巷道水平方向,Z方向为垂直于顶底板方向;多个三分量检波器相互之间的间距为2m且处在同一水平面,多个三分量检波器均与地震仪连接;在每两个三分量检波器的中间点均布置一个震源;然后震源依次向侧帮激发地震波,此时多个三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号,并传递给地震仪记录;
步骤二:建立巷道空间XYZ坐标系,将巷道掘进方向定义为X,巷道水平方向定义为Y,垂直于顶底板方向定义为Z,并将巷道内的实际测线(即现场布置的测线)标注在XYZ坐标系内;
步骤三:建立在Z方向上并以X为探测方向的虚拟测线Lz,定义虚拟测线位于巷道迎头位置,其中虚拟测线与三分量检波器R和震源S之间连线的交点为点O,以O为零点、在Z方向上选择-L至L的范围,确定巷道迎头前方的该范围内为垂向虚拟测线成像范围;
步骤四:在虚拟测线成像范围内的虚拟测线上沿Z方向等间距的建立多个共散射点道集,分别记为CSP1,CSP2,…,CSPn,假设虚拟测线上存在等效的自激自收点E,使得散射波从点E到某个道集内零偏移距上任一前方距离X处散射点SP的双程旅行时等于从其中一个震源S经过散射点SP回到任一三分量检波器R的实际旅行时t,由此能计算当前的E到散射点SP在虚拟测线上投影的距离,即等效偏移距he;
步骤五:对步骤四的三分量检波器R接收到时间t处的三分量信号进行偏振分析,并根据当前散射点SP回波路径构建针对不同类型波的极化滤波函数;
步骤六:根据成像波类型,采用步骤五确定的极化滤波函数对时间t处的三分量信号进行极化滤波,并输出滤波后的振幅值Aout,由此形成当前共散射点道集内时间t处,等效偏移距he,振幅值为Aout的该散射点等价散射波信号;
步骤七:然后依次计算此散射点SP在不同震源S和不同三分量检波器R之间的等价散射波信号并对相同时间t和相同等效偏移距he的信号进行叠加;重复步骤五和步骤六计算该共散射点道集内前方不同距离X处散射点的等价散射波信号,形成虚拟上某个共散射点道集;重复步骤四至步骤六确定其他虚拟测线上其他位置等价散射波信号的共散射点道集,最终形成垂向虚拟测线成像范围内的不同类型散射波共散射点道集的集合;
步骤八:依次对不同类型散射波共散射道集中等价散射波信号进行速度分析,根据平均最大振幅能量法和等价散射波在道集内时距关系进行不同t0处信号的速度扫描,获取相应散射波信号的偏移速度,再根据相应的偏移速度对各个道集进行克希霍夫积分偏移,获得各个道集的零偏移距记录;
步骤九:根据多个不同类型共散射点道集的零偏移距记录重排结果,形成虚拟测线的不同类型散射波成像剖面,最终实现对巷道前方地质异常体的多波探测。
进一步,所述步骤四具体为:
(1)假定巷道垂向虚拟测线前方X0处存在一散射点SP,震源S经过此点到三分量检波器R的旅行时为地震散射波的总旅行时t:
式中,ts为散射波从震源S到散射点SP的旅行时,tr为散射波从散射点SP三分量检波器R的旅行时,X0为散射点在巷道前方的距离,hs为震源S到O点的距离,hr为三分量检波器R到O点的距离,ho为虚拟测线上O点到散射点SP在虚拟测线投影点的距离,v为散射波的速度;
(2)在虚拟测线上存在一自激自收点E,使得其到散射点SP的双程旅行时等于上述总旅行时,即t=2te:
式中he为散射点SP在虚拟测线上的等效偏移距,t0为散射点SP到虚拟测线的垂直单程旅行时;
(3)由此计算等效偏移距he:
(4)等效偏移距分析:当震源S和三分量检波器R的位置关系确定时,he与h0和t0均呈现正相关关系,那么,在采样点数不受限制的情况下,t0max=∞,由此可知he的最大值能趋近于无穷大,即hemax=∞(具体由信号长度以及探测深度而定);当散射点SP位于巷道迎头正前方0m处时,则ho=0和t0=0,此时存在等效偏移距最小值当散射点SP位于巷道迎头正前方0m处时,则ho=0和t0=0,此时存在等效偏移距最小值基于上述分析可知,在经过等效偏移距计算后形成的虚拟测线记录中,信号更多地集中在较大的等偏移距上,在一定程度上解决了超前探测中偏移孔径小的问题。
进一步,所述步骤五具体为:
Ⅰ.对三分量信号进行希尔伯特自适应瞬时极化分析,计算偏振参数:
Ⅲ.对于空间某个位置的散射点SP来说,假设任一确定位置关系的震源S和三分量检波器R的地震波传播路径为已知的,则定义该三分量检波器R接收地震波传播路径的空间向量为该三分量检波器R地震记录的主极化向量为则:
i)纵波滤波向量纵波在该三分量检波器R振动方向与传播路径一致;ii)SH横波滤波向量SH横波在该三分量检波器R的振动方向垂直于传播途径且与该震源S和三分量检波器R处于同一平面内;iii)SV横波滤波向量SV横波在该三分量检波器R的振动方向垂直于传播途径且垂直于该震源S和三分量检波器R所处的平面;
上述极化滤波函数的滤波特性随成像点空间位置和成像波类型的变化而变化,可提高极化滤波的准确性,在一定程度可避免巷道立体空间对波场分离及定向探测带来的影响。
进一步,所述步骤六具体为:
根据不同类型散射波,根据步骤五确定其相应的极化滤波函数,对信号(t,A)进行极化滤波计算,得出Aout=A(t)Y(t)。
进一步,所述步骤八具体为:
(1)在共散射点道集内的等价散射波信号中根据等效偏移距公式确定其时距关系:
(2)每个t0和he,能根据不同速度v(v1、v2、……vn)和获取多道不同t时刻振幅fi,计算t时刻的一定时窗Δt平均振幅能量其中Emax对应的速度vmig为当前t0位置散射波的准确均方根速度,即偏移速度;
与现有技术相比,本发明先在巷道侧帮等间距布设一排三分量检波器,然后每两个三分量检波器之间的中点均设有震源,然后震源依次向侧帮激发地震波,此时多个三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号;接着建立巷道空间XYZ坐标系,并确定虚拟测线的位置及垂向虚拟测线成像范围;然后设定等效的自激自收点E,根据震源S、检波器R和散射点SP的位置,进而计算得出等效偏移距he;对三分量检波器R的三分量信号进行偏振分析,得出针对不同类型波的极化滤波函数;然后根据成像波类型,采用对应函数进行处理后得出当前共散射点道集内时间t处,等效偏移距he,振幅值为Aout的等价散射波信号;再进一步计算当前道集内不同前方距离X的等价散射波信号和虚拟测线不同位置处的共散射点道集,最终获得垂向虚拟测线成像范围内的共散射道集的集合;对集合内各个共散射点道集的等价散射波信号进行速度分析,获取相应偏移速度,进而得出各个道集的零偏移距记录;最后将各个零偏移距记录重排,形成虚拟测线的不同类型散射波成像剖面,实现对巷道前方地质异常体的散射多波探测。本发明通过对各个三分量检波器接收到的散射波进行分析处理,建立可利用等效偏移距代替实际偏移距的虚拟测线,解决了目前巷道地震超前探偏移孔径小的问题;同时动态地将矢量极化滤波方法融合进共散射点道集的形成过程中,实现了前方不同方位不同类型散射波的成像,解决了巷道立体空间下波场混叠造成成像假象的问题,最终能有效提高巷道前方异常地质构造探测的精准性。
附图说明
图1是反射波和散射波的形成机制图;
图2是本发明中垂向虚拟测线和成像区域的示意图;
图3是本发明中垂向虚拟测线的等效偏移距示意图;
图4是利用本发明方法获得的断层模型散射P波的CSP道集;
图5是利用本发明方法获得的断层模型散射S波的CSP道集;
图6是利用本发明方法获得的垂向虚拟测线的散射P波和S波成像剖面。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图所示,本发明具体步骤为:
步骤一:在巷道迎头后方的巷道两帮中任一帮沿巷道走向布设多个三分量检波器,三分量检波器的X方向为巷道掘进方向,Y方向为巷道水平方向,Z方向为垂直于顶底板方向;多个三分量检波器相互之间的间距为2m且处在同一水平面,多个三分量检波器均与地震仪连接;在每两个三分量检波器的中间点均布置一个震源;然后震源依次向侧帮激发地震波,此时多个三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号,并传递给地震仪记录;
步骤二:建立巷道空间XYZ坐标系,将巷道掘进方向定义为X,巷道水平方向定义为Y,垂直于顶底板方向定义为Z,并将巷道内的实际测线(即现场布置的测线)标注在XYZ坐标系内;
步骤三:建立在Z方向上并以X为探测方向的虚拟测线Lz,定义虚拟测线位于巷道迎头位置,其中虚拟测线与三分量检波器R和震源S之间连线的交点为点O,以O为零点、在Z方向上选择-L至L的范围,确定巷道迎头前方的该范围内为垂向虚拟测线成像范围;
步骤四:在虚拟测线成像范围内的虚拟测线上沿Z方向等间距的建立多个共散射点道集,分别记为CSP1,CSP2,…,CSPn,假设虚拟测线上存在等效的自激自收点E,使得散射波从点E到某个道集内零偏移距上任一前方距离X处散射点SP的双程旅行时等于从其中一个震源S经过散射点SP回到任一三分量检波器R的实际旅行时t,由此能计算当前的E到散射点SP在虚拟测线上投影的距离,即等效偏移距he;具体为:
(1)假定巷道垂向虚拟测线前方X0处存在一散射点SP,震源S经过此点到三分量检波器R的旅行时为地震散射波的总旅行时t:
式中,ts为散射波从震源S到散射点SP的旅行时,tr为散射波从散射点SP三分量检波器R的旅行时,X0为散射点在巷道前方的距离,hs为震源S到O点的距离,hr为三分量检波器R到O点的距离,ho为虚拟测线上O点到散射点SP在虚拟测线投影点的距离,v为散射波的速度;
(2)在虚拟测线上存在一自激自收点E,使得其到散射点SP的双程旅行时等于上述总旅行时,即t=2te:
式中he为散射点SP在虚拟测线上的等效偏移距,t0为散射点SP到虚拟测线的垂直单程旅行时;
(3)由此计算等效偏移距he:
(4)等效偏移距分析:当震源S和三分量检波器R的位置关系确定时,he与h0和t0均呈现正相关关系,那么,在采样点数不受限制的情况下,t0max=∞,由此可知he的最大值能趋近于无穷大,即hemax=∞(具体由信号长度以及探测深度而定);当散射点SP位于巷道迎头正前方0m处时,则ho=0和t0=0,此时存在等效偏移距最小值当散射点SP位于巷道迎头正前方0m处时,则ho=0和t0=0,此时存在等效偏移距最小值基于上述分析可知,在经过等效偏移距计算后形成的虚拟测线记录中,信号更多地集中在较大的等偏移距上,在一定程度上解决了超前探测中偏移孔径小的问题。
步骤五:对步骤四的三分量检波器R接收到时间t处的三分量信号进行偏振分析,并根据当前散射点SP回波路径构建针对不同类型波的极化滤波函数;具体为:
Ⅰ.对三分量信号进行希尔伯特自适应瞬时极化分析,计算偏振参数:
Ⅲ.对于空间某个位置的散射点SP来说,假设任一确定位置关系的震源S和三分量检波器R的地震波传播路径为已知的,则定义该三分量检波器R接收地震波传播路径的空间向量为该三分量检波器R地震记录的主极化向量为则:
i)纵波滤波向量纵波在该三分量检波器R振动方向与传播路径一致;ii)SH横波滤波向量SH横波在该三分量检波器R的振动方向垂直于传播途径且与该震源S和三分量检波器R处于同一平面内;iii)SV横波滤波向量SV横波在该三分量检波器R的振动方向垂直于传播途径且垂直于该震源S和三分量检波器R所处的平面;
上述极化滤波函数的滤波特性随成像点空间位置和成像波类型的变化而变化,可提高极化滤波的准确性,在一定程度可避免矿井全空间对波场分离及定向探测带来的影响。
步骤六:根据成像波类型,采用步骤五确定的极化滤波函数对时间t处的三分量信号进行极化滤波,并输出滤波后的振幅值Aout,由此形成当前共散射点道集内时间t处,等效偏移距he,振幅值为Aout的该散射点等价散射波信号;具体为:
根据不同类型散射波,根据步骤五确定其相应的极化滤波函数,对信号(t,A)进行极化滤波计算,得出Aout=A(t)Y(t)。
步骤七:然后依次计算此散射点SP在不同震源S和不同三分量检波器R之间的等价散射波信号并对相同时间t和相同等效偏移距he的信号进行叠加;重复步骤五和步骤六计算该共散射点道集内前方不同距离X处散射点的等价散射波信号,形成虚拟上某个共散射点道集;重复步骤四至步骤六确定其他虚拟测线上其他位置等价散射波信号的共散射点道集,最终形成垂向虚拟测线成像范围内的不同类型散射波共散射点道集的集合;
步骤八:依次对不同类型散射波共散射道集中等价散射波信号进行速度分析,根据平均最大振幅能量法和等价散射波在道集内时距关系进行不同t0处信号的速度扫描,获取相应散射波信号的偏移速度,再根据相应的偏移速度对各个道集进行克希霍夫积分偏移,获得各个道集的零偏移距记录;具体为:
(1)在共散射点道集内的等价散射波信号中根据等效偏移距公式确定其时距关系:
(2)每个t0和he,能根据不同速度v(v1、v2、……vn)和获取多道不同t时刻振幅fi,计算t时刻的一定时窗Δt平均振幅能量其中Emax对应的速度vmig为当前t0位置散射波的准确均方根速度,即偏移速度;
步骤九:根据多个不同类型共散射点道集的零偏移距记录重排结果,形成虚拟测线的不同类型散射波成像剖面,最终实现对巷道前方地质异常体的多波探测。
Claims (5)
1.一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤一:在巷道迎头后方的巷道两帮中任一帮沿巷道走向布设多个三分量检波器,三分量检波器的X方向为巷道掘进方向,Y方向为巷道水平方向,Z方向为垂直于顶底板方向;多个三分量检波器相互之间的间距为2m且处在同一水平面,多个三分量检波器均与地震仪连接;在每两个三分量检波器的中间点均布置一个震源;然后震源依次向侧帮激发地震波,此时多个三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号,并传递给地震仪记录;
步骤二:建立巷道空间XYZ坐标系,将巷道掘进方向定义为X,巷道水平方向定义为Y,垂直于顶底板方向定义为Z,并将巷道内的实际测线标注在XYZ坐标系内;
步骤三:建立在Z方向上并以X为探测方向的虚拟测线Lz,定义虚拟测线位于巷道迎头位置,其中虚拟测线与三分量检波器R和震源S之间连线的交点为点O,以O为零点、在Z方向上选择-L至L的范围,确定巷道迎头前方的该范围内为垂向虚拟测线成像范围;
步骤四:在虚拟测线成像范围内的虚拟测线上沿Z方向等间距的建立多个共散射点道集,分别记为CSP1,CSP2,…,CSPn,假设虚拟测线上存在等效的自激自收点E,使得散射波从点E到某个道集内零偏移距上任一前方距离X处散射点SP的双程旅行时等于从其中一个震源S经过散射点SP回到任一三分量检波器R的实际旅行时t,由此能计算当前的E到散射点SP在虚拟测线上投影的距离,即等效偏移距he;
步骤五:对步骤四的三分量检波器R接收实际旅行时t处的三分量信号进行偏振分析,并根据当前散射点SP回波路径构建针对不同类型波的极化滤波函数;
步骤六:根据成像波类型,采用步骤五确定的极化滤波函数对实际旅行时t处的三分量信号进行极化滤波,并输出滤波后的振幅值Aout,由此形成当前共散射点道集内实际旅行时t处,等效偏移距he,振幅值为Aout的该散射点等价散射波信号;
步骤七:然后依次计算此散射点SP在不同震源S和不同三分量检波器R之间的等价散射波信号并对相同实际旅行时t和相同等效偏移距he的信号进行叠加;重复步骤五和步骤六计算该共散射点道集内前方不同距离X处散射点的等价散射波信号,形成虚拟上某个共散射点道集;重复步骤四至步骤六确定其他虚拟测线上其他位置等价散射波信号的共散射点道集,最终形成垂向虚拟测线成像范围内的不同类型散射波共散射点道集的集合;
步骤八:依次对不同类型散射波共散射道集中等价散射波信号进行速度分析,根据平均最大振幅能量法和等价散射波在道集内时距关系进行不同t0处信号的速度扫描,获取相应散射波信号的偏移速度,再根据相应的偏移速度对各个道集进行克希霍夫积分偏移,获得各个道集的零偏移距记录,所述t0为散射点SP到虚拟测线的垂直单程旅行时;
步骤九:根据多个不同类型共散射点道集的零偏移距记录重排结果,形成虚拟测线的不同类型散射波成像剖面,最终实现对巷道前方地质异常体的多波探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,其特征在于,所述步骤四具体为:
(1)假定巷道垂向虚拟测线前方X0处存在一散射点SP,震源S经过此点到三分量检波器R的旅行时为地震散射波的实际旅行时t:
式中,ts为散射波从震源S到散射点SP的旅行时,tr为散射波从散射点SP三分量检波器R的旅行时,X0为散射点在巷道前方的距离,hs为震源S到O点的距离,hr为三分量检波器R到O点的距离,ho为虚拟测线上O点到散射点SP在虚拟测线投影点的距离,v为散射波的速度;
(2)在虚拟测线上存在一自激自收点E,使得其到散射点SP的双程旅行时等于上述实际旅行时,即t=2te:
式中he为散射点SP在虚拟测线上的等效偏移距,t0为散射点SP到虚拟测线的垂直单程旅行时;
(3)由此计算等效偏移距he:
3.根据权利要求1所述的一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,其特征在于,所述步骤五具体为:
Ⅰ.对三分量信号进行希尔伯特自适应瞬时极化分析,计算偏振参数:
Ⅲ.对于空间某个位置的散射点SP来说,假设任一确定位置关系的震源S和三分量检波器R的地震波传播路径为已知的,则定义该三分量检波器R接收地震波传播路径的空间向量为该三分量检波器R地震记录的主极化向量为则:
i)纵波滤波向量纵波在该三分量检波器R振动方向与传播路径一致;ii)SH横波滤波向量SH横波在该三分量检波器R的振动方向垂直于传播途径且与该震源S和三分量检波器R处于同一平面内;iii)SV横波滤波向量SV横波在该三分量检波器R的振动方向垂直于传播途径且垂直于该震源S和三分量检波器R所处的平面;
4.根据权利要求1所述的一种基于巷道垂向虚拟测线的散射多波超前探测方法,其特征在于,所述步骤六具体为:
根据不同类型散射波,根据步骤五确定其相应的极化滤波函数,对信号(t,A)进行极化滤波计算,得出Aout=A(t)Y(t)。
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