CN113933892B - 一种基于气动注液震源的槽波勘探方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于气动注液震源的槽波勘探方法，在工作面切眼及两侧巷道的煤壁上布置多个钻孔及多个检波器，多个检波器与地震仪组成地震波观测系统；将气动注液震源装置的爆破管伸入到一个钻孔内；启动气动注液震源装置使其在该钻孔内产生一次震源，并检测该次震源是否为合格震源，若是，则将各个检波器实时接收的槽波信号，传递给地震仪进行存储；若否，则确定本次震源为不合格震源，重新调整气源压力后再完成一次震源激发，直至确定震源为合格震源时，地震仪存储各个检波器接收的槽波信号；接着重复上述过程完成各个钻孔的震源激发过程，地震仪将采集的数据进行处理获得工作面内的地质构造情况，从而有效实现对煤矿工作面的槽波地质勘探。

Description

一种基于气动注液震源的槽波勘探方法
技术领域
本发明涉及矿井地球物理勘探技术领域，具体是一种基于气动注液震源的槽波勘探方法。
背景技术
煤炭的开采过程中会伴随着多种灾害事故，如：煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、透水、顶板垮落等。其中煤与瓦斯突出灾害一直是世界矿井领域的巨大难题之一，也是煤矿生产安全的最大威胁之一。在现有的地球物理勘探方法中，地震槽波勘探是矿井地球物理勘探中具有发展潜力和应用前景的物探手段方法之一。它具有探测距离远、分辨精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别以及最终成果直观的优点。槽波勘探大致主要有以下三种观测手段:即透射法、反射法与透射、反射联合勘探法。近年来，随着煤炭开采深度的增加，煤岩应力条件更加复杂，煤岩内部应力的增加使得煤层内瓦斯压力增加，煤层气在煤岩内部富集会增加煤炭开采过程中瓦斯灾害事故的发生。目前，槽波地震勘探以炸药震源为主，但是该震源受到高瓦斯矿井的限制，以及存在炸药爆炸安全性等问题，甚至一些综采综掘全部机械化矿井没有炸药，这些情况直接影响了地震勘探的施工；并且炸药震源在使用时产生的废气会对环境造成污染。随着采掘深度的不断增加，高瓦斯突出的问题会慢慢的凸显出来，常规炸药震源必定会受到严格的管制。当前，槽波勘探已是煤矿井下构造精细勘探的首选物探方法之一，其震源是关键部分，直接影响地震信号质量。因此，亟需一个在高瓦斯突出矿井中，以及在易燃、易爆、温度湿度大的场所均能使用的震源，然后基于该震源实现对煤矿工作面的槽波勘探过程。
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气动注液震源的槽波勘探方法，其产生的震源在高瓦斯突出矿井中，以及在易燃、易爆、温度湿度大的场所均能安全使用，从而有效实现对煤矿工作面的槽波地质勘探。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于气动注液震源的槽波勘探方法，具体的勘探步骤为：
A、在工作面切眼及两侧巷道的煤壁上每隔20m布置一个钻孔，且各个钻孔处在同一水平面；每相邻两个钻孔之间的煤壁上均设有两个检波器，各个相邻检波器之间的距离相等，且各个检波器均与各个钻孔处在同一水平面；各个检波器通过数据线均与地震仪连接，组成地震波观测系统；
B、将气动注液震源装置的气动换向阀与气源连通，同时将第二单向阀的进口与水源连通，并使注液缸总成的下腔注满水；然后设定一个爆破管内的压力值，并将气动注液震源装置的爆破管伸入到切眼处的一个钻孔内设定深度，完成气动注液震源装置在一个钻孔内的布设过程；
C、开始激发震源，先使气动换向阀的进口与其第一出口连通，开启气源，气源的高压气体通过气动换向阀进入气缸总成的上腔，进而推动气缸活塞向下腔移动，由于活塞杆使气缸活塞与注液缸活塞固定，此时注液缸活塞同步向注液缸总成的下腔移动，压缩注液缸总成的下腔空间，由于第二单向阀的出口与注液缸总成的下腔连接，此时下腔压力大于外部水源的压力，第二单向阀处于关闭状态，使其内部压力增大，当下腔压力达到第一单向阀的开启压力时，注液缸总成下腔内的水通过第一单向阀进入注液缸总成上腔，随着注液缸活塞持续向下腔移动，注液缸总成上腔不断被注入水，直至气缸活塞与第二机动气阀的触发端接触时，第二机动气阀反馈电信号给气动换向阀，气动换向阀进行换向，使进口与第二出口连通，此时气源与气缸总成的下腔连通；气源的高压气体通过气动换向阀进入气缸总成的下腔，进而推动气缸活塞向上腔移动，进而注液缸活塞开始向上腔移动，上腔压力增大，注液缸总成上腔的内部压力大于注液缸总成的内部下腔，第一单向阀关闭，注液缸活塞对上腔内的水施压，使高压水从输出端经过管路进入爆破管内，爆破管受到高压水的冲击及内部空气被压缩从爆破管内喷出，最终产生震源；同时注液缸活塞向上腔移动时，下腔的内部压力持续下降，并处于负压状态，此时外部水源的压力大于下腔内部压力，第二单向阀开启，水源向下腔内持续补水；直至气缸活塞与第一机动气阀的触发端接触时，第一机动气阀反馈电信号给气动换向阀，气动换向阀再次换向使气源与气缸总成的上腔连通，完成一次震源产生的工作过程，并关闭气源；在本次震源产生过程中，通过压力表实时获取管路内的压力值是否等于设定的压力值，若是，则确定本次震源为合格震源，各个检波器实时接收本次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号，并传递给地震仪进行存储；若否，则确定本次震源为不合格震源，重新调整气源压力后再次重复步骤C完成一次震源激发，各个检波器实时接收每次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号，直至确定震源为合格震源时，各个检波器将该次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号传递给地震仪进行存储；对每次震源是否合格进行检测，能保证每次合格震源激发的参数一致，进而保证各次合格震源信号的时间同一性，最终为数据处理时能获得精确的地质构造情况；
D、完成一个钻孔内的震源激发后，将爆破管从该钻孔内取出，并放入切眼处的另一个钻孔内与该钻孔相同深度的位置，接着重复步骤C完成另一个钻孔内震源的激发及地震仪的数据采集工作；如此重复，直至完成切眼处的所有钻孔内的震源激发及地震仪的数据采集过程；
E、接着对两侧巷道内的各个钻孔按照距离切眼由近至远的顺序，重复步骤C依次进行震源激发及数据采集过程；直至完成所有钻孔的震源激发及数据采集过程；
F、地震仪将采集的数据采用基于槽波能量衰减系数的透射层析成像方法进行处理，获得工作面内的地质构造情况，从而完成本次槽波勘探的过程。
进一步，所述相邻两个钻孔之间的距离为20m；相邻两个检波器之间的距离为10m。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明产生的震源具有高效、环保、安全以及安保要求低，是一种环境友好型槽波勘探震源，其通过气源的压力全程可控、爆破无热源和明火、爆破无尘(含水)，因此在高瓦斯突出矿井中，以及在易燃、易爆、温度湿度大的场所均能安全使用。
2)本发明的震源在煤层深孔激发产生的纵波、横波及槽波的走时、速度、频率及频散等差异特征显著，地震仪易于识别、分离；同时对每次震源是否合格进行检测，能保证每次合格震源激发的参数一致，进而保证各次合格震源信号的时间同一性，最终为数据处理时能获得精确的地质构造情况。
3)本发明采用的震源为单向激发方式属于集中力源，该震源激发既产生纵波，也产生横波，有利于槽波发育；同时煤层深孔气动震源激发避开了巷道及围岩松动圈影响，能量泄漏少且定向聚能作用于煤层，槽波能量相对较强；有利于槽波地震勘探。
4)本发明采用的气源为矿井下已有的高压气体管路，水源为矿井内已有的输水管路，因此本发明无需额外设置气源及水源，直接布设在矿井内即可使用，具有较好的适用性。
5)本发明的震源结构简单，成本较低，且其重量及体积均较小，无须多人协同配合，便于移动施工。
附图说明
图1是本发明中钻孔及检波器的位置布设图；
图2是本发明中气动注液震源装置的结构示意图。
图中：1、气动换向阀，2、第一机动气阀，3、气源，4、气缸总成，4-1、气缸活塞，5、活塞杆，6、第二机动气阀，7、第一单向阀，8、注液缸总成，8-1、注液缸活塞，9、第二单向阀，10、水源，11、爆破管，12、压力表。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体的勘探步骤为：
A、在工作面切眼及巷道A和巷道B的煤壁上每隔20m布置一个钻孔，且各个钻孔处在同一水平面；每相邻两个钻孔之间的煤壁上均设有两个检波器，各个相邻检波器之间的距离为10m，且各个检波器均与各个钻孔处在同一水平面；各个检波器通过数据线均与地震仪连接，组成地震波观测系统；
B、将气动注液震源装置的气动换向阀1与气源3(即矿井下已有的高压气体管路)连通，同时将第二单向阀9的进口与水源10(即矿井下已有的输水管路)连通，并使注液缸总成8的下腔注满水；然后设定一个爆破管11内的压力值，并将气动注液震源装置的爆破管11伸入到切眼处的一个钻孔内设定深度，完成气动注液震源装置在一个钻孔内的布设过程；
C、开始激发震源，先使气动换向阀1的进口与其第一出口连通，开启气源3，气源3的高压气体通过气动换向阀1进入气缸总成4的上腔，进而推动气缸活塞4-1向下腔移动，由于活塞杆6使气缸活塞4-1与注液缸活塞8-1固定，此时注液缸活塞8-1同步向注液缸总成8的下腔移动，压缩注液缸总成8的下腔空间，由于第二单向阀9的出口与注液缸总成8的下腔连接，此时下腔压力大于外部水源10的压力，第二单向阀9处于关闭状态，使其内部压力增大，当下腔压力达到第一单向阀7的开启压力时，注液缸总成8下腔内的水通过第一单向阀7进入注液缸总成8上腔，随着注液缸活塞8-1持续向下腔移动，注液缸总成8上腔不断被注入水，直至气缸活塞4-1与第二机动气阀6的触发端接触时，第二机动气阀6反馈电信号给气动换向阀1，气动换向阀1进行换向，使进口与第二出口连通，此时气源3与气缸总成4的下腔连通；气源3的高压气体通过气动换向阀1进入气缸总成4的下腔，进而推动气缸活塞4-1向上腔移动，进而注液缸活塞8-1开始向上腔移动，上腔压力增大，注液缸总成8上腔的内部压力大于注液缸总成8的内部下腔，第一单向阀7关闭，注液缸活塞8-1对上腔内的水施压，使高压水从输出端经过管路进入爆破管11内，爆破管11受到高压水的冲击及内部空气被压缩从爆破管11内喷出，最终产生震源；同时注液缸活塞8-1向上腔移动时，下腔的内部压力持续下降，并处于负压状态，此时外部水源10的压力大于下腔内部压力，第二单向阀9开启，水源10向下腔内持续补水；直至气缸活塞4-1与第一机动气阀2的触发端接触时，第一机动气阀2反馈电信号给气动换向阀1，气动换向阀1再次换向使气源3与气缸总成4的上腔连通，完成一次震源产生的工作过程，并关闭气源；在本次震源产生过程中，通过压力表实时获取管路内的压力值是否等于设定的压力值，若是，则确定本次震源为合格震源，各个检波器实时接收本次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号，并传递给地震仪进行存储；若否，则确定本次震源为不合格震源，重新调整气源压力后再次重复步骤C完成一次震源激发，各个检波器实时接收每次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号，直至确定震源为合格震源时，各个检波器将该次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号传递给地震仪进行存储；对每次震源是否合格进行检测，能保证每次合格震源激发的参数一致，进而保证各次合格震源信号的时间同一性，最终为数据处理时能获得精确的地质构造情况；
D、完成一个钻孔内的震源激发后，将爆破管11从该钻孔内取出，并放入切眼处的另一个钻孔内与该钻孔相同深度的位置，接着重复步骤C完成另一个钻孔内震源的激发及地震仪的数据采集工作；如此重复，直至完成切眼处的所有钻孔内的震源激发及地震仪的数据采集过程；
E、接着对两侧巷道内的各个钻孔按照距离切眼由近至远的顺序，重复步骤C依次进行震源激发及数据采集过程；直至完成所有钻孔的震源激发及数据采集过程；
F、地震仪将采集的数据采用基于槽波能量衰减系数的透射层析成像方法进行处理，获得工作面内的地质构造情况，从而完成本次槽波勘探的过程。
如图2所示，上述方法中采用的气动注液震源装置包括气动换向阀1、气缸总成4、注液缸总成8、活塞杆6、第一单向阀7、第二单向阀9和爆破管11，
所述气缸总成4内部设有气缸活塞4-1，气缸活塞4-1将其内部分隔成上腔和下腔；气动换向阀1的进气口与气源3连通，气动换向阀1的第一出气口与气缸总成4的上腔连通，气动换向阀1的第二出气口与气缸总成4的下腔连通；气缸总成4顶端装有第一机动气阀2，第一机动气阀2的触发端伸入气缸总成4的上腔；气缸总成4底端装有第二机动气阀6，第二机动气阀6的触发端伸入气缸总成4的下腔；第一机动气阀2和第二机动气阀6均与气动换向阀1通过电信号连接，当气缸活塞4-1与第一机动气阀2的触发端接触时，第一机动气阀2反馈电信号给气动换向阀1，气动换向阀1使气源3与气缸总成4的上腔连通；当气缸活塞4-1与第二机动气阀6的触发端接触时，第二机动气阀6反馈电信号给气动换向阀1，气动换向阀1使气源3与气缸总成4的下腔连通；所述气动换向阀1是二位四通气动换向阀；所述第一机动气阀2和第二机动气阀6均为二位二通机动气阀；
所述注液缸总成8固定在气缸总成4底端，且注液缸总成8和气缸总成4同轴；注液缸总成8内部设有注液缸活塞8-1，注液缸活塞8-1将其内部分隔成上腔和下腔；活塞杆6一端伸入气缸总成4的下腔与气缸活塞4-1固定连接，活塞杆6另一端伸入注液缸总成8的上腔与注液缸活塞8-1固定连接，使气缸活塞4-1和注液缸活塞8-1能同步移动；注液缸总成8的上腔设有输出端，输出端通过管路与爆破管11的进口连通，还包括压力表12，压力表12装在输出端与爆破管11之间的管路上；设置压力表12能了解管路内的压力情况，便于控制爆破管11产生的震源大小。所述第一单向阀7装在注液缸活塞8-1上，且第一单向阀7的进口通过管路与注液缸总成8的下腔连通，第一单向阀7的出口通过管路与注液缸总成8的上腔连通；第二单向阀9的进口通过管路与水源10连通，第二单向阀9的出口通过管路与注液缸总成8的下腔连通。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于气动注液震源的槽波勘探方法，其特征在于，具体的勘探步骤为：
A、在工作面切眼及两侧巷道的煤壁上每隔相同距离布置一个钻孔，且各个钻孔处在同一水平面；每相邻两个钻孔之间的煤壁上均设有两个检波器，各个相邻检波器之间的距离相等，且各个检波器均与各个钻孔处在同一水平面；各个检波器通过数据线均与地震仪连接，组成地震波观测系统；
B、将气动注液震源装置的气动换向阀与气源连通，同时将第二单向阀的进口与水源连通，并使注液缸总成的下腔注满水；然后设定一个爆破管内的压力值，并将气动注液震源装置的爆破管伸入到切眼处的一个钻孔内设定深度，完成气动注液震源装置在一个钻孔内的布设过程；
C、开始激发震源，先使气动换向阀的进口与其第一出口连通，开启气源，气源的高压气体通过气动换向阀进入气缸总成的上腔，进而推动气缸活塞向下腔移动，由于活塞杆使气缸活塞与注液缸活塞固定，此时注液缸活塞同步向注液缸总成的下腔移动，压缩注液缸总成的下腔空间，由于第二单向阀的出口与注液缸总成的下腔连接，此时下腔压力大于外部水源的压力，第二单向阀处于关闭状态，使其内部压力增大，当下腔压力达到第一单向阀的开启压力时，注液缸总成下腔内的水通过第一单向阀进入注液缸总成上腔，随着注液缸活塞持续向下腔移动，注液缸总成上腔不断被注入水，直至气缸活塞与第二机动气阀的触发端接触时，第二机动气阀反馈电信号给气动换向阀，气动换向阀进行换向，使进口与第二出口连通，此时气源与气缸总成的下腔连通；气源的高压气体通过气动换向阀进入气缸总成的下腔，进而推动气缸活塞向上腔移动，进而注液缸活塞开始向上腔移动，上腔压力增大，注液缸总成上腔的内部压力大于注液缸总成的内部下腔，第一单向阀关闭，注液缸活塞对上腔内的水施压，使高压水从输出端经过管路进入爆破管内，爆破管受到高压水的冲击及内部空气被压缩从爆破管内喷出，最终产生震源；同时注液缸活塞向上腔移动时，下腔的内部压力持续下降，并处于负压状态，此时外部水源的压力大于下腔内部压力，第二单向阀开启，水源向下腔内持续补水；直至气缸活塞与第一机动气阀的触发端接触时，第一机动气阀反馈电信号给气动换向阀，气动换向阀再次换向使气源与气缸总成的上腔连通，完成一次震源产生的工作过程，并关闭气源；在本次震源产生过程中，通过压力表实时获取管路内的压力值是否等于设定的压力值，若是，则确定本次震源为合格震源，各个检波器实时接收本次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号，并传递给地震仪进行存储；若否，则确定本次震源为不合格震源，重新调整气源压力后再次重复步骤C完成一次震源激发，各个检波器实时接收每次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号，直至确定震源为合格震源时，各个检波器将该次震源产生的地震波经过工作面传播后的槽波信号传递给地震仪进行存储；
D、完成一个钻孔内的震源激发后，将爆破管从该钻孔内取出，并放入切眼处的另一个钻孔内与该钻孔相同深度的位置，接着重复步骤C完成另一个钻孔内震源的激发及地震仪的数据采集工作；如此重复，直至完成切眼处的所有钻孔内的震源激发及地震仪的数据采集过程；
E、接着对两侧巷道内的各个钻孔按照距离切眼由近至远的顺序，重复步骤C依次进行震源激发及数据采集过程；直至完成所有钻孔的震源激发及数据采集过程；
F、地震仪将采集的数据采用基于槽波能量衰减系数的透射层析成像方法进行处理，获得工作面内的地质构造情况，从而完成本次槽波勘探的过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于气动注液震源的槽波勘探方法，其特征在于，所述相邻两个钻孔之间的距离为20m；相邻两个检波器之间的距离为10m。
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