CN114966855A

CN114966855A - 探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质

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Publication number: CN114966855A
Application number: CN202210900960.8A
Authority: CN
Inventors: 李向上; 何团; 李海涛; 崔春阳; 李春元; 郑伟钰; 王美美; 王嘉敏; 雷国荣; 齐庆新
Original assignee: General Coal Research Institute Co Ltd
Current assignee: General Coal Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-07-28
Also published as: CN114966855B

Abstract

本公开提出一种探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质，涉及数据处理技术领域。其中，方法包括：确定煤岩体的第一目标探测区域；控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到各激发点激发的地震波；从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间；根据第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度及速度反演图；根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。由此，基于电火花震源激发地震波的目标速度，可以及时且有效地确定煤岩体高应力区的范围。

Description

探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质

技术领域

本公开涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质。

背景技术

冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体，由于弹性变形能（或称为弹性应变能）的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很强的破坏性，是煤矿的主要灾害之一。

随着浅部煤炭资源的逐渐减少，煤矿开采由浅部开采阶段逐渐趋向于深部开采阶段。然而，深部矿井中高应力现象十分突出，其中，高应力是诱发煤矿冲击地压等煤岩动力灾害的重要因素。对矿井进行煤岩体应力探测的方式，可以获取矿井煤岩体内部由地质结构及开采因素造成的高应力异常区域，从而可以预防冲击地压等煤岩动力灾害事故，以保障矿井工作人员的生命安全。

如何使得煤矿工作人员及时地获取矿井的煤岩体高应力异常区是非常重要的。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本公开提出一种探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质，以通过电火花震源激发地震波，一方面，采用地震波层析成像方法，可以有效获取速度反演图，该速度反演图用于指示地震波在煤岩体中的速度分布，从而可以根据地震波在煤岩体中的速度分布，以及速度与应力之间的对应关系，有效且准确地确定煤岩体高应力区的范围；另一方面，电火花震源易于设置和操作，且不会造成环境污染。

本公开第一方面实施例提出了一种探测煤岩体高应力区的方法，包括：

确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，所述第一目标探测区域一侧设置第一数量的检波器，所述第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；

控制电火花震源在第一目标能量下通过所述第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到所述电火花震源在所述第二数量的激发点激发的地震波；

从所述任一检波器获取在所述第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间；

根据所述第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定速度反演图，其中，所述速度反演图，用于指示所述第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度；

根据所述第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在所述速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法，通过确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，第一目标探测区域一侧设置第一数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第二数量的激发点激发的地震波；从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间；根据第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定速度反演图，其中，速度反演图，用于指示第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度；根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。由此，通过电火花震源激发地震波，一方面，采用地震波层析成像方法，可以有效获取速度反演图，该速度反演图用于指示地震波在煤岩体中的速度分布，从而可以根据地震波在煤岩体中的速度分布，以及速度与应力之间的对应关系，有效且准确地确定煤岩体高应力区的范围；另一方面，电火花震源易于设置和操作，且不会造成环境污染。

本公开第二方面实施例提出了一种探测煤岩体高应力区的装置，包括：

第一确定模块，用于确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，所述第一目标探测区域一侧设置第一数量的检波器，所述第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；

第一控制模块，用于控制电火花震源在第一目标能量下通过所述第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到所述电火花震源在所述第二数量的激发点激发的地震波；

第一获取模块，用于从所述任一检波器获取在所述第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间；

第一处理模块，用于根据所述第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定速度反演图，其中，所述速度反演图，用于指示所述第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度；

第二确定模块，根据所述第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在所述速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

本公开实施例的探测煤岩体高应力区的装置，通过确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，第一目标探测区域一侧设置第一数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第二数量的激发点激发的地震波；从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间；根据第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定速度反演图，其中，速度反演图，用于指示第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度；根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。由此，通过电火花震源激发地震波，一方面，采用地震波层析成像方法，可以有效获取速度反演图，该速度反演图用于指示地震波在煤岩体中的速度分布，从而可以根据地震波在煤岩体中的速度分布，以及速度与应力之间的对应关系，有效且准确地确定煤岩体高应力区的范围；另一方面，电火花震源易于设置和操作，且不会造成环境污染。

本公开第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如本公开第一方面实施例提出的探测煤岩体高应力区的方法。

本公开第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面实施例提出的探测煤岩体高应力区的方法。

本公开第五方面实施例提出了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品中的指令由处理器执行时，执行如本公开第一方面实施例提出的探测煤岩体高应力区的方法。

本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本公开实施例一所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图；

图2为本公开实施例所提供的检波器和激发点的设置方式示意图；

图3为本公开实施例二所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图；

图4为本公开实施例所提供的网格划分示意图；

图5为本公开实施例三所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图；

图6为本公开实施例四所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图；

图7为本公开实施例五所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图；

图8为电缆放电过程中电流、电容器电压、电缆电感上的电压及电缆电阻上的电压规律图；

图9为本公开所提供的对已开采煤岩体探测煤岩体高应力区的具体流程示意图；

图10为本公开所提供的地震波波速异常系数与煤岩体应力的量化关系图；

图11为本公开所提供的已开采煤岩体的煤岩体高应力区确定图；

图12为本公开实施例六所提供的探测煤岩体高应力区的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

在相关技术中，常采用电磁波跨孔CT、地震波探测技术获取煤岩体内部高应力异常区。其中，电磁波跨孔CT技术探测精确比较准确，但是探测距离较近，一般为10~30m，远远不能满足需求。而地震波探测技术通过监测地震波穿越煤岩体时的能量变化，得到煤岩体内部地震波波速和地震波衰减系数分布图像，该方法具有探测距离远的优点。然而，目前常采用炸药作为震源，但是炸药产生的地震波振幅、频率及波形受炸药量、煤岩体性质以及爆炸介质等多种因素的影响，震源波形难以重复，导致所测结果不准确；同时炸药作为震源操作施工流程复杂，极易造成环境污染。

因此，针对上述问题中的至少一个问题，本公开提出一种探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质。

下面参考附图描述本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法、装置、设备和介质。

图1为本公开实施例一所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图。

本公开实施例以该探测煤岩体高应力区的方法被配置于探测煤岩体高应力区的装置中来举例说明，该探测煤岩体高应力区的装置可以应用于任一电子设备中，以使该电子设备可以执行探测煤岩体高应力区的功能。

其中，电子设备可以为任一具有计算能力的设备，例如可以为PC（PersonalComputer，个人电脑）、移动终端、服务器等，移动终端例如可以为手机、平板电脑、个人数字助理、穿戴式设备等具有各种操作系统、触摸屏和/或显示屏的硬件设备。

如图1所示，该探测煤岩体高应力区的方法可以包括以下步骤：

步骤101，确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，第一目标探测区域一侧设置第一数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点。

在本公开实施例中，第一数量和第二数量可以是预先设定的。其中，第一数量和第二数量可以相同，或者也可以不同，本公开对此并不做限制。

在本公开实施例中，第一目标探测区域可以为待探测煤岩体应力状态，且受到开采扰动的煤岩体区域。

在本公开实施例中，可以在第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，以拾取地震波；且可以在第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点，以激发地震波。

作为一种示例，以第一数量和第二数量均为6进行示例，可以在第一目标探测区域的一侧巷道（比如回风巷道），以间隔距离为第一设定距离（比如，2m、3m等等）进行等间隔且水平设置第一数量的检波器（分别为检波器A、检波器B、检波器C、检波器D、检波器E、检波器F），而在第一目标探测区域的另一侧巷道（比如进风巷道），以间隔距离为第二设定距离（比如，3m、4m等等）进行等间隔且水平设置第二数量的激发点（分别为激发点A'、激发点B'、激发点C'、激发点D'、激发点E'、激发点F'），其设置方式如图2所示。其中，在第一目标探测区域的另一侧巷道设置第二数量的激发点时，例如可以利用钻机在该侧煤岩体内部进行钻孔，获取间隔为第二设定距离的水平钻孔，其中，钻孔，比如为孔深2m、孔径50mm的规格，或者，孔深2.5m、孔径60mm的规格等等，本公开对此不做限制；在获取水平钻孔后，可以向钻孔内部填入装有水的薄质PVC（PolyVinyl Chloride，聚氯乙烯）管，并向PVC管内填入装有电极的电缆，以此可以将任一携带电缆的钻孔作为电火花震源的激发点。

如图2所示，电火花震源可以包括控制器和主机，其中，控制器和主机可以设置于开采工作面端头。

需要说明的是，在第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，在第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点时，对第一数量的检波器和第二数量的激发点的设置，需使得电火花震源在激发点激发的地震波形成的地震射线能够覆盖第一目标探测区域，即使得探测煤岩体应力状态的区域能够覆盖第一目标探测区域，以提高后续获取的数据的完整性和准确性，进而可以提高确定煤岩体高应力区范围的准确性。

步骤102，控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第二数量的激发点激发的地震波。

在本公开实施例中，电火花震源可以具有第一目标能量，且在该第一目标能量下，任一检波器均能接收到电火花震源在任一激发点激发的地震波。

需要说明的是，第一目标能量可以是根据人工经验设置的，也可以是在实验基础上获取的。

在本公开实施例中，可以控制电火花震源在第一目标能量下依次通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器均可以接收到电火花震源在第二数量的激发点中的任一激发点激发的地震波。

比如，在第一目标探测区域的一侧设置2个激发点，分别为激发点A'、激发点B'，在第一目标探测区域的另一侧设置3个检波器，分别为检波器A、检波器B、检波器C，首先控制电火花震源在第一目标能量下在激发点A'激发地震波，以使3个检波器中的任意一个检波器均接收到电火花震源在激发点A'激发的地震波，然后控制电火花震源在第一目标能量下在激发点B'激发地震波，3个检波器中的任意一个检波器均接收到电火花震源在激发点B'激发的地震波。

需要说明的是，上述示例中激发点和检波器的数量仅是示例性的，在实际应用中，可以根据需要确定激发点和检波器的数量。

可以理解的是，在采用携带电缆的钻孔作为激发点，并控制电火花震源在激发点激发地震波时，为了防止电火花震源能量外溢，可以采用快速喷浆材料封堵钻孔，该喷浆材料可快速凝结，从而封堵钻孔。

步骤103，从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间。

在本公开实施例中，第一初至时间可以为任一检波器拾取地震波初至波的实际时间。

在本公开实施例中，在各检波器接收到第二数量的激发点激发的地震波之后，可以从任一检波器获取在第二数量的激发点激发的地震波的第一初至时间。

步骤104，根据第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定速度反演图。

其中，速度反演图可以用于指示第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度，且第一目标速度可以指示地震波在第一目标探测区域内各位置上的传播速度。

在本公开实施例中，可以根据第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，对地震波波速进行反演分析，确定地震波在第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度的速度分布，并可以根据地震波在第一目标探测区域内的速度分布，确定与速度分布对应的速度反演图。

步骤105，根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

在本公开实施例中，可以根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在第一目标区域对应的速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

为了清楚说明本公开上述实施例中，是如何根据第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，来确定速度反演图的，本公开还提出一种探测煤岩体高应力区的方法。

图3为本公开实施例二所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图。

如图3所示，该探测煤岩体高应力区的方法可以包括以下步骤：

步骤301，确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点。

步骤302，控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第二数量的激发点激发的地震波。

步骤303，从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间。

步骤301至303的解释说明可以参见本公开任一实施例中的相关描述，在此不做赘述。

步骤304，建立第一初始速度模型，其中，第一目标探测区域中的各网格单元具有对应的第一初始速度。

在本公开实施例中，可以对第一目标探测区域采用规则网格进行划分，划分得到第三数量的网格单元，其中，规则网格可以为正方形、长方形、三角形等等，本公开对此不做限制。

作为一种示例，以第一目标探测区域为矩形探测区域，且长为9m，宽为4m进行示例，可以将第一目标探测区域采用正方形规则网格进行划分，正方形的边长为1m，将第一目标探测区域划分为4行9列的网格单元，网格单元的第三数量为4*9（=36），如图4所示为网格划分示意图。

需要说明的是，上述对第一目标探测区域的划分仅是示例性的，在实际应用中，第一目标探测区域的长和宽可以远远大于示例中的长和宽，对第一目标探测区域的划分可以根据实际应用需求进行划分。

在本公开实施例中，可以建立第一初始速度模型，其中，第一初始速度模型可以为常速模型、变速模型等等，本公开对此不做限制。

作为一种示例，第一初始速度模型为常速模型时，比如，第一初始速度模型的常速模型为：

V(i,j)=k；（1）

其中，第一目标探测区域被划分为N行M列的网格单元，i=1,2,…,N，j=1,2,…,M，V(i,j)为第一目标探测区域的第i行第j列的网格单元对应的第一初始速度，k为常数。

作为另一种示例，第一初始速度模型为变速模型时，比如，第一初始速度模型的变速模型为：

V(i,j)=v₀+bi；（2）

其中，第一目标探测区域被划分为N行M列的网格单元，i=1,2,…,N，j=1,2,…,M，V(i,j)为第一目标探测区域的第i行第j列的网格单元对应的第一初始速度，v₀、b为常数。

需要说明的是，上述对第一初始速度模型的示例仅是示例性的，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据地质资料信息、地球物理信息等，确定第一目标探测区域的第一初始速度模型，且，第一初始速度模型中第一初始速度越接近地震波在煤岩体中的真实波速，在后续的数据处理中模型的收敛速度越快，且可以提高探测煤岩体高应力区的准确性。

步骤305，根据第一初始速度和第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代反演，以将第一初始速度模型中第一初始速度更新为第一目标速度。

在本公开实施例中，可以根据各网格单元对应的第一初始速度和各激发点所激发的地震波的第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代反演，以将第一初始速度模型中地震波在各网格单元内的第一初始速度更新为第一目标速度。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，针对任一轮的迭代反演过程，可以根据本轮采用的第一初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各射线路径的第一射线路径长度、本轮各射线路径经过的各网格单元以及本轮沿各射线路径传播地震波所需的第一参考时长；根据第一初至时间和本轮第一参考时长，确定本轮的第一走时残差及本轮的第一损失函数；若本轮的第一损失函数的取值大于第一设定阈值，则可以根据本轮第一走时残差和第一射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第一慢度更新量，且可以将第一初始速度更新为第一慢度更新量和第一初始慢度之和的倒数，并将更新后的第一初始速度作为下一轮采用的第一初始速度，其中，本轮第一慢度更新量用于指示本轮第一初始慢度的更新量，本轮第一初始慢度为本轮第一初始速度的倒数；若本轮的第一损失函数的取值未大于第一设定阈值，停止对第一初始速度模型进行迭代反演，且可以将更新后的第一初始速度作为第一目标速度。

在上述可能的实现方式中，针对任一轮的迭代反演过程，其具体过程可以包括以下几个步骤：

1）可以根据本轮采用的第一初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各射线路径的第一射线路径长度、各射线路径经过的各网格单元以及沿各射线路径传播地震波所需的第一参考时长。

在本公开实施例中，根据几何地震学理论可知，射线路径可以指示地震波从任一激发点到任一检波器的路径。

需要说明的是，射线路径的数量可以根据激发点的数量和检波器的数量确定，比如，激发点的数量为N个，检波器的数量为M个，则射线路径的数量为M*N条。

可以理解的是，为了方便后续的数据处理，可以对各射线路径设置编号。

比如，假设激发点的数量为3个，分别为激发点A'、激发点B'、激发点C'，检波器的数量为4个，分别为检波器A、检波器B、检波器C、检波器D，其对应的射线路径的数量为12条，可以将激发点A'和检波器A之间对应的射线路径设置为1，将激发点A'和检波器B之间对应的射线路径设置为2，将激发点A'和检波器C之间对应的射线路径设置为3，可以按照上述方式依次对激发点和检波器之间对应的射线路径设置编号，在此不做赘述。

在本公开实施例中，可以对各射线路径进行射线追踪，比如，可以采用基于最短路径法，或者有限差分法，或者走时线性插值（Linear Traveltime Interpolation，简称LTI）等射线追踪算法对各射线路径进行射线追踪。

从而在本公开中，针对任一轮的迭代反演过程，可以根据本轮采用的第一初始速度对各射线路径进行射线追踪，可以确定本轮各射线路径的第一射线路径长度、各射线路径穿过的各网格单元以及沿各射线路径传播地震波所需的第一参考时长。

作为一种示例，假设有50条射线路径，针对任一轮的迭代反演过程，可以根据本轮采用的第一初始速度对该50条射线路径进行射线追踪，从而可以确定本轮该50条射线路径的第一射线路径长度、该50条射线路径经过的各网格单元以及沿各射线路径传播地震波所需的第一参考时长。

比如，在任一轮的迭代反演过程中，根据本轮采用的第一初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各射线路径的第一射线路径长度为L_i，各射线路径经过的各网格单元，以及沿各射线路径传播地震波所需的第一参考时长为T_i；其中，i=1,2,…,N,射线路径的数量为N。

2）根据第一初至时间和本轮第一参考时长，确定本轮的第一走时残差及本轮的第一损失函数。

在本公开实施例中，可以根据第一初至时间和本轮第一参考时长，确定本轮的第一走时残差。

比如，地震波从任一激发点到任一检波器的第一初至时间为T_0i，其对应的第一参考时长为T_i，则其对应的走时残差ΔT_i为T_0i-T_i，其中，i=1,2,…,N，N是指射线路径的数量。

在本公开实施例中，第一损失函数可以是根据走时残差确定的函数。

作为一种示例，仍以上述例子进行示例，第一损失函数比如可以为：

；（3）

3）判断本轮的第一损失函数的取值是否大于第一设定阈值，若本轮的第一损失函数的取值大于第一设定阈值，则可以执行步骤4）至步骤5）；若本轮的第一损失函数的取值未大于第一设定阈值，则可以执行步骤6）。

在本公开实施例中，第一设定阈值可以为预先设定的，比如，该第一设定阈值为1.0e-2(或0.01)、1.0e-3(或0.001)等，本公开对此不做限制。

4）根据本轮第一走时残差和第一射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第一慢度更新量。

其中，本轮第一慢度更新量可以用于指示本轮第一初始慢度的更新量，本轮第一初始慢度为本轮第一初始速度的倒数。

在本公开实施例中，可以根据本轮第一走时残差和第一射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第一慢度更新量。

比如，本轮任一网格单元的第一慢度更新量ΔS(m,n)为：

；（4）

其中，ΔT_i为第i条射线路径对应的走时残差，L_i为第i条射线路径的第一射线路径长度，K为穿过(m,n)位置处网格单元的射线数量。

5）将第一初始速度更新为第一慢度更新量和第一初始慢度之和的倒数，并将更新后的第一初始速度作为下一轮采用的第一初始速度。

在本公开实施例中，可以将任一网格单元的第一初始速度更新为任一网格单元的第一慢度更新量和任一网格单元的第一初始慢度之和的倒数。

比如，任一网格单元的第一慢度更新量为ΔS，任一网格单元的第一初始速度为v^old，任一网格的第一初始慢度为：

S^old=1/v^old；（5）

则将任一网格单元的第一初始速度更新为：

v^new=1/(S^old+ΔS)；（6）

在本公开实施例中，在本轮的第一损失函数大于第一设定阈值的情况下，则可以将更新后的第一初始速度作为下一轮采用的第一初始速度。

6）若本轮的第一损失函数的取值未大于第一设定阈值，则可以停止对第一初始速度模型进行迭代反演，且可以将更新后的第一初始速度作为第一目标速度。

需要说明的是，上述仅以对模型迭代反演的终止条件为第一损失函数的取值未大于第一设定阈值进行解释说明，在实际应用中，也可以设置其它的终止条件，比如终止条件还可以为迭代次数达到设定的次数阈值、迭代反演时长大于设定的时长阈值等等，本公开对此并不做限制。

步骤306，根据第一目标速度，获取第一目标探测区域的速度反演图。

在本公开实施例中，可以根据第一目标探测区域中各网格单元的第一目标速度，获取第一目标探测区域的速度反演图。

步骤307，根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

步骤307的执行过程可以参见本公开任一实施例的执行过程，在此不做赘述。

可以理解的是，在采用本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法确定煤岩体高应力区的范围之后，可以对确定的高应力区范围的应力状态进行检测，比如，可以采用钻孔应力计等对确定的高应力区范围的应力状态进行检测。当确定的高应力区范围的应力状态不为高应力时，则可以对该方法进行调整，比如，更换第一初始速度模型，或者调整网格单元的规格等等。

在本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法，通过建立第一初始速度模型，其中，第一目标探测区域中的各网格单元具有对应的第一初始速度；根据第一初始速度和第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代训练，以将第一初始速度模型中第一初始速度更新为第一目标速度；根据第一目标速度，获取第一目标探测区域的速度反演图。由此，可以有效获取第一目标探测区域的速度反演图。

基于本公开上述实施例，为了清楚说明本公开任一实施例中是如何根据第一目标速度以及速度与应力之间的对应关系，在第一目标探测区域中确定煤岩体高应力区的范围的，本公开还提出一种探测煤岩体高应力区的方法。

图5为本公开实施例三所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图。

如图5所示，该探测煤岩体高应力区的方法可以包括以下步骤：

步骤501，确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点。

步骤502，控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第二数量的激发点激发的地震波。

步骤503，从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间。

步骤504，建立第一初始速度模型，其中，第一目标探测区域中的各网格单元具有对应的第一初始速度。

步骤505，根据第一初始速度和第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代训练，以将第一初始速度模型中第一初始速度更新为第一目标速度。

步骤506，根据第一目标速度，获取第一目标探测区域的速度反演图。

步骤501至506的执行过程可以参见本公开任一实施例的执行过程，在此不做赘述。

步骤507，获取参考速度，其中，参考速度为地震波在煤岩体邻近破坏时的速度。

在本公开实施例中，可以获取参考速度，其中，参考速度可以为地震波在煤岩体邻近破坏时的速度。

需要说明的是，参考速度可以为在大量实验基础上获取的。

步骤508，根据参考速度和任一网格单元的第二目标速度之差，确定任一网格单元的第一速度差值，其中，第二目标速度指示在煤岩体未开采的情况下地震波在任一网格单元中的波速。

在本公开实施例中，第二目标速度可以指示在煤岩体未开采的情况下地震波在第一目标探测区域中任一网格单元中的波速。

在本公开实施例中，可以根据参考速度和任一网格单元的第二目标速度之差，确定任一网格单元的第一速度差值。

比如，标记参考速度为v_p，任一网格单元的第二目标速度为v₂，则该任一网格单元的第一速度差值为v_p-v₂。

步骤509，根据第一目标速度和第二目标速度之差，确定任一网格单元的第二速度差值。

在本公开实施例中，针对任一网格单元，可以根据该网格单元的第一目标速度和该网格单元第二目标速度之差，确定该网格单元的第二速度差值。

比如，针对任一网格单元，标记该网格单元的第一目标速度为v₁，该网格单元的第二目标速度为v₂，则该网格单元的第二速度差值为v₁-v₂。

步骤510，根据第二速度差值和第一速度差值的比值，确定任一网格单元的波速异常系数。

在本公开实施例中，针对任一网格单元，可以根据该网格单元对应的第二速度差值和第一速度差值的比值，确定该网格单元的波速异常系数。

仍以上述例子进行示例，该网格单元的第二速度差值为v₁-v₂，该网格单元的第一速度差值为v_p-v₂，则该网格单元的波速异常系数为(v₁-v₂)/(v_p-v₂)。

步骤511，响应于任一网格单元的波速异常系数大于第二设定阈值，确定任一网格单元为高应力网格单元。

在本公开实施例中，高应力网格单元可以为应力状态为高应力的网格单元。

在本公开实施例中，第二设定阈值可以是预先设定的，比如第二设定阈值为0.7、0.75等等，本公开对此不做限制。

在本公开实施例中，针对任一网格单元，当该网格单元的波速异常系数大于第二设定阈值时，可以确定该网格单元为高应力网格单元。

步骤512，根据各高应力网格单元，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

在本公开实施例中，可以根据各高应力网格单元，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法，通过获取参考速度，其中，参考速度为地震波在煤岩体邻近破坏时的速度；根据参考速度和任一网格单元的第二目标速度之差，确定任一网格单元的第一速度差值，其中，第二目标速度指示在煤岩体未开采的情况下地震波在任一网格单元中的波速；根据第一目标速度和第二目标速度之差，确定任一网格单元的第二速度差值；根据第二速度差值和第一速度差值的比值，确定任一网格单元的波速异常系数；响应于任一网格单元的异常系数大于第二设定阈值，确定任一网格单元为高应力网格单元；根据各高应力网格单元，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。由此，基于各网格单元的第一目标速度和第二目标速度，可以准确确定波速异常系数，从而根据波速异常系数与应力之间的对应关系，可以有效且准确地确定煤岩体高应力区的范围。

基于本公开上述实施例，为了清楚说明本公开上述实施例中是如何获取任一网格单元的第二目标速度的，本公开还提出一种探测煤岩体高应力区的方法。

图6为本公开实施例四所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图。

如图6所示，在上述实施例的基础上，该探测煤岩体高应力区的方法还可以包括以下步骤：

步骤601，响应于煤岩体未开采，确定未开采煤岩体的第二目标探测区域，其中，第二目标探测区域的一侧设置第四数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点。

在本公开实施例中，第四数量和第五数量可以是预先设定的。

需要说明的是，第四数量可以与第一数量相同，或者，第四数量也可以与第一数量不相同，本公开对此不做限制；且，第五数量可以与第二数量相同，或者，第五数量也可以与第二数量不相同，本公开对此不做限制。

在本公开实施例中，第二目标探测区域可以为未开采煤岩体区域，即未受到开采扰动的煤岩体区域。

在本公开实施例中，可以在第二目标探测区域的一侧设置第四数量的检波器，以拾取地震波；且可以在第二目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点，以激发地震波。

需要说明的是，在第二目标探测区域的一侧设置第四数量的检波器，在第二目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点时，对第四数量的检波器和第五数量的激发点的设置，需使得电火花震源在激发点激发的地震波形成的地震射线能够覆盖第二目标探测区域，即使得探测煤岩体应力状态的区域能够覆盖第二目标探测区域，以提高后续获取的数据的完整性和准确性，进而可以提高确定煤岩体高应力区范围的准确性。

步骤602，控制电火花震源在第二目标能量下通过第五数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第五数量的激发点激发的地震波。

在本公开实施例中，电火花震源可以具有第二目标能量，且在该第二目标能量下，任一检波器均能接收到电火花震源在任一激发点激发的地震波。

需要说明的是，第二目标能量可以是根据人工经验设置的，也可以是在实验基础上获取的，且第二目标能量可以与第一目标能量相同，或者第二目标能量也可以与第一目标能量不相同，本公开对此不做限制。

步骤603，从任一检波器获取在第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间。

在本公开实施例中，第二初至时间可以为任一检波器拾取地震波初至波的实际时间。

在本公开实施例中，在各检波器接收到第五数量的激发点激发的地震波之后，可以从任一检波器获取在第五数量的激发点激发的地震波的第一初至时间。

步骤604，响应于第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元，根据第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用地震波层析成像方法，以获取第二目标探测区域内各网格单元的地震波传播的第二目标速度。

在本公开实施例中，可以将第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元。

需要说明的是，可以采用相同的规则网格将第二目标探测区域和第一目标探测区域进行划分，比如，采用1m×1m的正方形规则网格将第一目标探测区域和第二目标探测区域进行划分。

在本公开实施例中，可以根据第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用地震波层析成像方法，获取第二目标探测区域内各网格单元的地震波传播的第二目标速度。

需要说明的是，第二目标速度的确定方式与第一目标速度的确定方式类似，在此不做赘述。

本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法，通过响应于煤岩体未开采，确定未开采煤岩体的第二目标探测区域，其中，第二目标探测区域一侧设置第四数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点；控制电火花震源在第二目标能量下通过第五数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第五数量的激发点激发的地震波；从任一检波器获取在第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间；响应于第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元，根据第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用地震波层析成像方法，以获取第二目标探测区域内各网格单元中地震波传播的第二目标速度。由此，基于电火花震源激发的地震波，采用地震波层析成像方法，可以有效获取未开采煤岩体的第二目标探测区域中任一网格单元的第二目标速度。

为了清楚说明本公开上述实施例中，是如何根据第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用地震波层析成像方法，来获取第二目标探测区域内各位置上地震波传播的第二目标速度的，本公开还提出一种探测煤岩体高应力区的方法。

图7为本公开实施例五所提供的探测煤岩体高应力区的方法的流程示意图。

如图7所示，在上述实施例三的基础上，该探测煤岩体高应力区的方法还可以包括以下步骤：

步骤701，响应于煤岩体未开采，确定未开采煤岩体的第二目标探测区域，其中，第二目标探测区域一侧设置第四数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点。

步骤702，控制电火花震源在第二目标能量下通过第五数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第五数量的激发点激发的地震波。

步骤703，从任一检波器获取在第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间。

步骤701至703的执行过程，可以参见本公开任一实施例的执行过程，在此不做赘述。

步骤704，响应于第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元，建立第二初始速度模型，其中，第二目标探测区域中的各网格单元具有对应的第二初始速度。

在本公开实施例中，步骤604中将第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元的解释说明同样适用于本公开，在此不做赘述。

在本公开实施例中，可以建立第二初始速度模型，其中，第二目标探测区域中的各网格单元具有对应的第二初始速度，且第二初始速度模型可以为常速模型、变速模型等等，本公开对此不做限制。

步骤705，根据第二初始速度和各激发点所激发的地震波的第二初至时间，对第二初始速度模型进行多轮迭代反演，以将第二初始速度模型中地震波在各网格单元内的第二初始速度更新为第二目标速度。

在本公开实施例中，可以根据各网格单元对应的第二初始速度和各激发点所激发的地震波的第二初至时间，对第二初始速度模型进行多轮迭代反演，以将第二初始速度模型中地震波在各网格单元内的第二初始速度更新为第二目标速度。

作为一种可能的实现方式，针对任一轮的迭代反演过程，根据本轮采用的第二初始速度对各射线路径进行射线追踪，可以确定本轮各射线路径的第二射线路径长度、各射线路径经过的各网格单元以及沿各射线路径传播地震波所需的第二参考时长；并可以根据第二参考时长和第二初至时间，确定本轮的第二走时残差及本轮的第二损失函数；若本轮的第二损失函数的取值大于第三设定阈值（比如为1.0e-2、1.0e-3等），则可以根据本轮的第二走时残差和第二射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第二慢度更新量，且，可以将第二初始速度更新为第二慢度更新量和第二初始慢度之和的倒数，并将更新后的第二初始速度作为下一轮采用的第二初始速度；其中，本轮第二慢度更新量可以用于指示本轮第二初始慢度的更新量；本轮第二初始慢度为本轮第二初始速度的倒数；若本轮的第二损失函数的取值未大于第三设定阈值，则可以停止对第二初始速度模型进行迭代反演，且可以将更新后的第二初始速度作为第二目标速度。

需要说明的是，第二初始速度的更新方式与第一初始速度的确定方式类似，在此不做赘述。

需要说明的是，上述仅以对模型迭代反演的终止条件为第二损失函数的取值未大于第二设定阈值进行解释说明，在实际应用中，也可以设置其它的终止条件，比如终止条件还可以为迭代次数达到设定的次数阈值、迭代反演时长大于设定的时长阈值等等，本公开对此并不做限制。

本公开实施例的探测煤岩体高应力区的方法，通过建立第二初始速度模型，其中，第二目标探测区域中的各网格单元具有对应的第二初始速度；根据第二初始速度和各激发点所激发的地震波的第二初至时间，对第二初始速度模型进行多轮迭代反演，以将第二初始速度模型中地震波在各网格单元内的第二初始速度更新为第二目标速度。由此，可以通过多轮的迭代反演方式，有效获取第二目标探测区域中各网格单元的第二目标速度。

下面结合一种地震波层析成像方法为例来描述探测煤岩体高应力区的方法，该方法中采用的电火花震源的特点包括电火花震源激发稳定性好、电火花震源的能量及波形重复性好。可以根据煤矿的开采规划，利用电火花震源的特点，对开采过程中某一区域煤岩体进行重复的地震波测试，为了预防冲击地压等煤岩动力灾害事故，可以周期性地对冲击地压矿井的煤岩体应力状态进行探测，以确定是否存在高应力区。

该方法的具体实施过程可以包括：

1、获取地震波在未开采煤岩体中传播的第二目标速度

在煤矿的煤岩体未开采，即煤岩体未受到开采扰动的情况下，确定未开采煤岩体的第二目标探测区域，并在第二目标探测区域的一侧设置第四数量的检波器，在第二目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点；选取适宜的第二目标能量，并控制电火花震源在第二目标能量下通过第五数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第五数量的激发点激发的地震波；从任一检波器获取在第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间；响应于第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元，根据第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用地震波层析成像方法，获取第二目标探测区域内各网格单元中地震波传播的第二目标速度。

其中，在设置检波器和激发点时，利用钻机在第二目标探测区域的一侧巷道（进风巷道）煤岩体内部进行钻孔，孔深2m，直径50mm，得到水平钻孔，向钻孔内部填入装有水的薄质PVC管，最后向PVC管内填入装有电极的电缆；在第二目标探测区域的另一侧巷道（回风巷道）煤岩体内部安装检波器，用以拾取煤岩体内部地震波。

需要说明的是，在采用携带电缆的钻孔作为激发点，并控制电火花震源在激发点激发地震波时，为了防止电火花震源能量外溢，可以采用快速喷浆材料封堵钻孔，该喷浆材料可快速凝结，从而封堵钻孔。

其中，在选取适宜的第二目标能量时，由于电火花震源激发的地震波在传播过程中有一定的衰减，因此根据探测空间跨度选取电火花震源的第二目标能量。对于电火花震源，高压脉冲放电激发能量可以按照储能来计算，在额定放电电压下，单次放电激发能量与储能器的电容成正比，激发能量与放电电压的平方成正比，如下式所示：

Q=CU²/2；（7）

其中，Q为电火花震源激发能量，C为电容器电容，U为电压。由公式（7）可知，电火花震源能量与电容器电容、电容器两端电压有关，电容器电容是固定不变的，因此可以通过改变电容器两端电压调整能量大小。同时电火花震源能量衰减与电缆放电过程中的电流i、电缆形成的电感L，充电电压U_e有关。

电火花震源放电时电缆电流i及电容器电压U_e分别为：

；（8）

；（9）

电缆电感上的电压为：

；（10）

电阻上的电压：

；（11）

其中，U为电容器原始电压，R为电缆电阻，L为电缆形成的电感，t为电缆放电时间，P₁和P₂分别为负实数且不相等，由以上公式可得电缆放电过程中的电流i、电容器电压U_e、电缆电感上的电压U_L及电缆电阻上的电压U_R规律如图8所示。

因此，根据探测空间跨度，在电容器电容一定的情况下，可以适当调节充电电压、电缆长度、电缆直径控制电缆放电过程中的电流、电容器电压、电缆电感上的电压及电缆电阻上的电压，最终达到根据探测工作面跨度选定电火花震源的第二目标能量的目的。

其中，在获取第二目标探测区域内各网格单元中地震波传播的第二目标速度时，所采用的一种地震波层析成像方法的原理为：

可以采用矩形规则网格划分探测区域的介质（比如，煤岩体）。

1.1建立初始速度模型，并根据初始速度模型，利用程函方程的有限差分算子，即采用有限差分方法对地震波任一射线路径进行射线追踪，确定地震波沿任一射线路径传播的初至走时、任一射线路径的射线路径长度以及任一射线路径所穿过的网格单元。其中，程函方程为：

；（12）

其中，地震射线经过慢度（即速度的倒数）为S(z,x)的介质（比如煤岩体等）中的点(x,z)时的初至走时为T。

1.2地震波在传播过程中，定义地震波的速度分布为V(x,z)，地震波传播到各位置的走时为T(x,z)，l[S(x,z)]表示射线路径，S(x,z)为点(x,z)处对应的慢度（即速度的倒数），地震波走时可以表示为：

；（13）

假定一个与参考慢度S₀(x,z)有关的小的慢度扰动（又可以称为慢度更新量、慢度修正量）δS(x,z)，则有：

S(x,z)=S₀(x,z)+δS(x,z)；（14）

根据费马原理，走时残差可以表示为：

；（15）

公式（15）中的走时残差与慢度扰动可以用线性关系表示，即：

LΔS=ΔT；（16）

其中，L为射线路径矩阵，ΔS为慢度扰动矩阵，ΔT为走时残差矩阵。

对于上述线性问题，走时残差δT_i和δS(x,z)之间的关系可以用积分形式表示为：

δT_i=∬δS(x,z)g_i(x,z)dxdz；（17）

其中，i=1,2,…,N，N为射线路径数量，式中函数g_i(x,z)为核函数。为了进行线性反演，δT_i可以表示为：

；（18）

其中，Г_ij=∬h_j(x,z)g_i(x,z)dxdz，h_j(x,z)为基函数，j=1,2,…,M，M为将介质划分的网格单元数量，介质中每一点对应的慢度扰动δS(x,z)被参数化为：

；（19）

在地震波层析成像中，可以通过迭代的反投影方法近似求解上述方程，最终得到每个网格单元的慢度扰动为：

；（20）

其中，δT_k为第k条射线路径的走时残差，l_k为第k条射线路径的总长度，K是穿过对应网格单元的地震射线数。

根据步骤1.1中确定的地震波沿任一射线路径传播的初至走时、任一射线路径的射线路径长度以及任一射线路径所穿过的网格单元，采用步骤1.2中公式（20），从而确定每一个网格单元的慢度扰动。通过将计算得到的慢度扰动值加到原来的初始速度模型来更新速度模型，然后将新的速度模型作为下一轮迭代反演所用的速度模型，以此逼近地震波在各网格单元中传播的真实波速，当迭代过程中满足设定条件时才终止迭代反演，并将得到的速度模型作为最终结果。

从而在本公开中，可以采用上述地震波层析成像方法，来获取地震波在未开采煤岩体对应的第二目标探测区域中各网格单元的第二目标速度。

需要说明的是，在采用地震波层析成像方法时，方法中还可以采用最短路径法，或者走时线性插值等对各射线路径进行射线追踪，本公开对此不做限制；且方法中，还可以采用代数重建法、同时迭代重建法等确定各网格单元的慢度扰动，本公开对此不做限制。

可以理解的是，在未开采的煤岩体中，由于未受到开采扰动，地震波探测范围内煤岩体绝大部分处于原岩应力区。且实际上，未受到开采扰动的煤岩体内部较为均匀，煤岩体不存在明显的高应力异常区。

2、响应于煤岩体已开采，即煤岩体受到开采扰动，可以周期性地对煤岩体的应力状态进行探测，比如可以以2天为周期对受到开采扰动的煤岩体的应力状态进行探测，以探测煤岩体高应力区是否存在。

对已开采煤岩体探测煤岩体高应力区，图9为具体实施流程，可以包括：确定煤岩体的第一目标探测区域，并在第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，在第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；选取适宜的第一目标能量，可以控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到各激发点激发的地震波，并采用快速喷浆材料封堵钻孔，防止电火花震源能量外溢；从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间；根据第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度及速度反演图；根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

需要说明的是，在选取适宜的第一目标能量时，其选取方法与步骤1中类似，在此不做赘述；在采用地震波层析成像方法，来确定第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度及速度反演图时，其实现原理与上述步骤1中相同，在此不做赘述。

还需要说明的是，随着开采工作的推进，煤岩体应力状态发生改变，岩石破坏过程会经历岩石压密阶段、线弹性阶段及岩石破裂阶段。其中在岩石压密阶段及线弹性阶段，地震波波速随着岩石所受应力增大而增大；随着岩石所受应力逐渐增大，岩石进入高应力区，随之岩石进入破裂阶段，地震波波速随着岩石所受应力增大而衰减。地震波波速随着岩石所受应力的改变而变化，因此，本公开中，发明人引入地震波波速异常系数a表征煤岩体应力状态，其中a可以表示：

a=(v₁-v₂)/(v_p-v₂)；（21）

其中，v₁为已开采煤岩体任一网格单元的第一目标波速，v₂为未开采煤岩体任一网格单元的第二目标速度，v_P为煤岩体临近破坏时的地震波波速（在本公开中记为参考速度），煤岩体临近破坏时的地震波波速v_P是在大量的实验基础上获取的。

且，随着开采工作的推进，波速异常系数与煤岩体应力的量化关系如图10所示，a为正值，且a的值越大，煤岩体应力越集中，当a大于第二设定阈值（比如0.7、0.75等）时，可以确定煤岩体进入高应力异常状态，此时易发生地质灾害。

因此，在根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围时，针对已开采煤岩体的第一目标探测区域的任一网格单元，在获取该网格单元的第一目标速度之后，根据公式（21）确定其波速异常系数，并判断该网格单元对应的波速异常系数是否大于第二设定阈值，当该网格单元大于设定阈值时，确定该网格单元为高应力网格单元，从而，可以根据高应力网格单元，确定煤岩体高应力区。

在采用本公开探测煤岩体高应力区的方法，对已开采煤岩体进行探测时，在获取的已开采煤岩体速度反演图中确定的高应力区如图11所示。

可以理解的是，在采用本公开的探测煤岩体高应力区的方法确定煤岩体高应力区的范围之后，可以对确定的高应力区范围的应力状态进行检测，比如，可以采用钻孔应力计等对确定的高应力区范围的应力状态进行检测，当确定的高应力区范围的应力状态不是高应力时，则可以对该方法进行调整，比如，更换第一初始速度模型，或者调整网格单元的规格等等。

从而，在确定煤岩体高应力区之后，可以对高应力区进行定向卸压处理，防止由于煤岩体应力集中造成的冲击地压灾害的发生。

综上，本公开提供的探测煤岩体高应力区的方法，一方面，采用无污染的电火花震源，可以实现整个开采工作面的煤岩体应力的快速分析，且探测范围面积大、精度高，操作流程简单，易于掌握，可以节省煤岩体应力探测时间；另一方面，可以利用电火花震源激发的地震波，采用地震波层析成像方法，可以有效获取速度反演图和地震波在煤岩体中的速度分布，从而可以根据地震波在煤岩体中的速度分布，以及速度与应力之间的对应关系，有效且准确确定煤岩体高应力区的范围。

与上述图1至图7实施例提供的探测煤岩体高应力区的方法相对应，本公开还提供一种探测煤岩体高应力区的装置，由于本公开实施例提供的探测煤岩体高应力区的装置与上述图1至图7实施例提供的探测煤岩体高应力区的方法相对应，因此在探测煤岩体高应力区的方法的实施方式也适用于本公开实施例提供的探测煤岩体高应力区的装置，在本公开实施例中不再详细描述。

如图12所示，该探测煤岩体高应力区的装置1200可以包括：第一确定模块1201、第一控制模块1202、第一获取模块1203、第一处理模块1204及第二确定模块1205。

其中，第一确定模块1201，用于确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，第一目标探测区域一侧设置第一数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点。

第一控制模块1202，用于控制电火花震源在第一目标能量下通过第二数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第二数量的激发点激发的地震波。

第一获取模块1203，用于从任一检波器获取在第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间。

第一处理模块1204，用于根据第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，确定速度反演图，其中，速度反演图，用于指示第一目标探测区域内各位置上地震波传播的第一目标速度。

第二确定模块1205，用于根据第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第一目标探测区域划分为第三数量的网格单元；第一处理模块1204，用于：建立第一初始速度模型，其中，第一目标探测区域中的各网格单元具有对应的第一初始速度；根据第一初始速度和第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将第一初始速度模型中第一初始速度更新为第一目标速度；根据第一目标速度，获取第一目标探测区域的速度反演图。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第一处理模块1204，用于：针对任一轮的迭代反演计算，根据本轮采用的第一初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各射线路径的第一射线路径长度、本轮各射线路径经过的各网格单元以及本轮沿各射线路径传播地震波所需的第一参考时长；根据第一初至时间和本轮第一参考时长，确定本轮的第一走时残差及本轮的第一损失函数；若本轮的第一损失函数的取值大于第一设定阈值，执行以下步骤：根据本轮第一走时残差和第一射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第一慢度更新量，其中，本轮第一慢度更新量用于指示本轮第一初始慢度的更新量；本轮第一初始慢度为本轮第一初始速度的倒数；将第一初始速度更新为第一慢度更新量和第一初始慢度之和的倒数，并将更新后的第一初始速度作为下一轮采用的第一初始速度；若本轮的第一损失函数的取值未大于第一设定阈值，停止对第一初始速度模型进行迭代反演，且将更新后的第一初始速度作为第一目标速度。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第二确定模块1205，用于：获取参考速度，其中，参考速度为地震波在煤岩体邻近破坏时的速度；根据参考速度和任一网格单元的第二目标速度之差，确定任一网格单元的第一速度差值，其中，第二目标速度指示在煤岩体未开采的情况下地震波在任一网格单元中的波速；根据第一目标速度和第二目标速度之差，确定任一网格单元的第二速度差值；根据第二速度差值和第一速度差值的比值，确定任一网格单元的波速异常系数；响应于任一网格单元的波速异常系数大于第二设定阈值，确定任一网格单元为高应力网格单元；根据各高应力网格单元，在速度反演图中确定煤岩体高应力区的范围。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，该探测煤岩体高应力区的装置还包括：

第三确定模块，用于响应于煤岩体未开采，确定未开采煤岩体的第二目标探测区域，其中，第二目标探测区域一侧设置第四数量的检波器，第一目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点。

第二控制模块，用于控制电火花震源在第二目标能量下通过第五数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到电火花震源在第五数量的激发点激发的地震波。

第二获取模块，用于从任一检波器获取在第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间。

第二处理模块，用于响应于第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元，根据第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用地震波层析成像方法，以获取第二目标探测区域内网格单元的地震波传播的第二目标速度。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第二处理模块，用于：建立第二初始速度模型，其中，第二目标探测区域中的各网格单元具有对应的第二初始速度；根据第二初始速度和各激发点所激发的地震波的第二初至时间，对第二初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将第二初始速度模型中地震波在各网格单元内的第二初始速度更新为第二目标速度。

在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第二处理模块，用于：针对任一轮的迭代反演过程，根据本轮采用的第二初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各射线路径的第二射线路径长度、各射线路径经过的各网格单元以及沿各射线路径传播地震波所需的第二参考时长；根据第二参考时长和第二初至时间，确定本轮的第二走时残差及本轮的第二损失函数；若本轮的第二损失函数的取值大于第三设定阈值，执行以下步骤：根据本轮第二走时残差和第二射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第二慢度更新量，其中，本轮第二慢度更新量用于指示本轮第二初始慢度的更新量；本轮第二初始慢度为本轮第二初始速度的倒数；将第二初始速度更新为第二慢度更新量和第二初始慢度之和的倒数，并将更新后的第二初始速度作为下一轮采用的第二初始速度；若本轮的第二损失函数的取值未大于第三设定阈值，停止对第二初始速度模型进行迭代反演，且将更新后的第二初始速度作为第二目标速度。

为了实现上述实施例，本公开还提出一种电子设备，其中，电子设备可以为前述实施例中的服务器或检测设备；包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如本公开前述任一实施例提出的探测煤岩体高应力区的方法。

为了实现上述实施例，本公开还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开前述任一实施例提出的探测煤岩体高应力区的方法。

为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品中的指令由处理器执行时，执行如本公开前述任一实施例提出的探测煤岩体高应力区的方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本公开的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本公开的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本公开各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种探测煤岩体高应力区的方法，其特征在于，所述方法包括：

确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，所述第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，所述第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一目标探测区域划分为第三数量的网格单元；

所述根据所述第二数量的激发点激发地震波的第一初至时间，采用地震波层析成像方法，以确定速度反演图，包括：

建立第一初始速度模型，其中，所述第一目标探测区域中的各网格单元具有对应的第一初始速度；

根据所述第一初始速度和所述第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将所述第一初始速度模型中所述第一初始速度更新为所述第一目标速度；

根据所述第一目标速度，获取所述第一目标探测区域的速度反演图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一初始速度和所述第一初至时间，对第一初始速度模型进行多轮迭代反演，以将所述第一初始速度模型中所述第一初始速度更新为所述第一目标速度，包括：

针对任一轮的迭代反演计算，根据本轮采用的第一初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各所述射线路径的第一射线路径长度、本轮各所述射线路径经过的各网格单元以及本轮沿各所述射线路径传播地震波所需的第一参考时长；

根据所述第一初至时间和本轮所述第一参考时长，确定本轮的第一走时残差及本轮的第一损失函数；

若所述本轮的第一损失函数的取值大于第一设定阈值，执行以下步骤：

根据本轮所述第一走时残差和所述第一射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第一慢度更新量，其中，本轮所述第一慢度更新量用于指示本轮第一初始慢度的更新量；本轮所述第一初始慢度为本轮所述第一初始速度的倒数；

将所述第一初始速度更新为所述第一慢度更新量和所述第一初始慢度之和的倒数，并将更新后的第一初始速度作为下一轮采用的第一初始速度；

若所述本轮的第一损失函数的取值未大于所述第一设定阈值，停止对第一初始速度模型进行迭代反演，且将更新后的第一初始速度作为所述第一目标速度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一目标速度，以及速度与应力之间的对应关系，在所述第一目标探测区域中确定煤岩体高应力区的范围，包括：

获取参考速度，其中，所述参考速度为所述地震波在煤岩体邻近破坏时的速度；

根据所述参考速度和任一网格单元的第二目标速度之差，确定任一网格单元的第一速度差值，其中，所述第二目标速度指示在煤岩体未开采的情况下所述地震波在所述任一网格单元中的波速；

根据所述第一目标速度和所述第二目标速度之差，确定所述任一网格单元的第二速度差值；

根据所述第二速度差值和所述第一速度差值的比值，确定任一网格单元的波速异常系数；

响应于所述任一网格单元的波速异常系数大于第二设定阈值，确定所述任一网格单元为高应力网格单元；

根据各所述高应力网格单元，在所述速度反演图中确定所述煤岩体高应力区的范围。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于所述煤岩体未开采，确定未开采煤岩体的第二目标探测区域，其中，所述第二目标探测区域一侧设置第四数量的检波器，所述第一目标探测区域的另一侧设置第五数量的激发点；

控制所述电火花震源在第二目标能量下通过所述第五数量的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到所述电火花震源在所述第五数量的激发点激发的地震波；

从所述任一检波器获取在所述第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间；

响应于所述第二目标探测区域划分为第六数量的网格单元，根据所述第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用所述地震波层析成像方法，以获取所述第二目标探测区域内网格单元的地震波传播的第二目标速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第五数量的激发点激发地震波的第二初至时间，采用所述地震波层析成像方法，以获取所述第二目标探测区域内各位置上地震波传播的第二目标速度，包括：

建立第二初始速度模型，其中，所述第二目标探测区域中的各网格单元具有对应的第二初始速度；

根据所述第二初始速度和各所述激发点所激发的地震波的所述第二初至时间，对第二初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将所述第二初始速度模型中地震波在各所述网格单元内的第二初始速度更新为第二目标速度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二初始速度和各所述激发点所激发的地震波的所述第二初至时间，对第二初始速度模型进行多轮迭代反演，以将所述第二初始速度模型中地震波在各所述网格单元内的第二初始速度更新为第二目标速度，包括：

针对任一轮的迭代反演过程，根据本轮采用的第二初始速度对各射线路径进行射线追踪，确定本轮各射线路径的第二射线路径长度、各所述射线路径经过的各网格单元以及沿各所述射线路径传播地震波所需的第二参考时长；

根据所述第二参考时长和所述第二初至时间，确定本轮的第二走时残差及本轮的第二损失函数；

若所述本轮的第二损失函数的取值大于第三设定阈值，执行以下步骤：

根据本轮所述第二走时残差和所述第二射线路径长度，确定本轮任一网格单元的第二慢度更新量，其中，本轮所述第二慢度更新量用于指示本轮第二初始慢度的更新量；本轮所述第二初始慢度为本轮所述第二初始速度的倒数；

将所述第二初始速度更新为所述第二慢度更新量和所述第二初始慢度之和的倒数，并将更新后的第二初始速度作为下一轮采用的第二初始速度；

若所述本轮的第二损失函数的取值未大于所述第三设定阈值，停止对第二初始速度模型进行迭代反演，且将更新后的第二初始速度作为所述第二目标速度。

8.一种探测煤岩体高应力区的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定煤岩体的第一目标探测区域，其中，所述第一目标探测区域的一侧设置第一数量的检波器，所述第一目标探测区域的另一侧设置第二数量的激发点；

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1-7中任一所述的方法。

10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。