CN115932945B - 掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，通过将地震三分量短排列式采集装置直接嵌入掘进巷道的顶部煤壁，节省人力成本，实施简单方便，也不会对掘进巷道进行破坏；通过移动预设的步距，激发电磁激振器，得到不同深度对应的地震记录信号，保证探测的准确度，提高探测结果的鲁棒性；通过不同深度对应的地震记录信号计算得到每一个地震记录信号对应的地震散射多波剖面，根据所有地震散射多波剖面进行归一化叠加拼接显示，能够准确清晰地得到掘进巷道的顶部剩余煤层的纵波深度剖面和横波深度剖面，通过煤岩界面在纵波深度剖面和横波深度剖面的位置计算顶部剩余煤层的厚度，能够极大地提高探测精度。

Description

掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法

技术领域

本发明涉及煤厚探测技术领域，尤其是涉及一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法。

背景技术

煤层厚度是煤矿生产与安全的关键控制要素，煤层巷道掘进与工作面生产都直接受煤层厚度控制。掘进过程中，剩余留底煤、留顶煤厚度与掘进速度、顶板管理、支护有效性及安全掘进效率紧密相关；放顶煤工作面的顶煤厚度是回采过程控制的关键参数，顶煤厚度与放顶煤工艺、煤炭回收率、工作面煤质管理、瓦斯放散量及顶板含水层扰动等都密切关联。因此，在煤层开采前查明煤层厚度是保障工作面高效安全生产的重大需求。

由于煤层厚度在矿井地质勘探中只有钻孔点厚度可信度高，需要在巷道掘进、工作面回采中进行实际探查。目前煤矿井下主要采用钻探方式进行煤厚探查，通过人工感知电(风)煤钻钻进过程顶底板岩层的反作用力或返回的煤岩粉颜色来判断煤厚，难以控制的探煤钻孔倾角易导致其探测精度存在人为误差，并且存在施工效率低、成本高等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，高效且精准地探测掘进巷道剩余煤厚，节省大量人力成本和时间成本。

第一方面，本发明的实施例提供了一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，所述掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法包括：

通过电磁激振器和多个三分量压电拾震计构建地震三分量短排列式采集装置；

将所述地震三分量短排列式采集装置嵌入掘进巷道的顶部煤壁；

控制所述电磁激振器激发信号，并同步采集每个所述三分量压电拾震计接收来自初始的煤岩界面散射点反射的地震记录信号；通过将所述地震三分量短排列式采集装置移动预设的步距，控制所述电磁激振器激发信号，同步采集下一个煤岩界面散射点反射的地震记录信号，依次类推，直至采集完成所有煤岩界面散射点反射的地震记录信号，得到多个地震记录信号；

通过每一个所述地震记录信号计算对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，并根据每一个所述地震记录信号对应的所述纵波振幅叠加信号的纵波速度和所述横波振幅叠加信号的横波速度进行时间深度转换，得到每一个所述地震记录信号对应的地震散射多波剖面；

通过所有所述地震散射多波剖面进行归一化叠加拼接显示，得到所述掘进巷道的顶部剩余煤层的纵波深度剖面和横波深度剖面，并根据煤岩界面在所述纵波深度剖面和所述横波深度剖面的位置计算顶部剩余煤层的厚度。

根据本发明实施例的方法，至少具有如下有益效果：

本发明首先通过电磁激振器和三分量压电拾震计构建地震三分量短排列式采集装置，便于采集，节省人力成本；其次通过将地震三分量短排列式采集装置直接嵌入掘进巷道的顶部煤壁，实施简单方便，也不会对掘进巷道进行破坏；通过移动预设的步距，激发电磁激振器，得到不同深度对应的地震记录信号，保证探测的准确度，提高探测结果的鲁棒性；通过不同深度对应的地震记录信号计算得到每一个地震记录信号对应的地震散射多波剖面，根据所有地震散射多波剖面进行归一化叠加拼接显示，能够准确清晰地得到掘进巷道的顶部剩余煤层的纵波深度剖面和横波深度剖面，通过煤岩界面在纵波深度剖面和横波深度剖面的位置计算顶部剩余煤层的厚度，能够极大地提高探测精度，使得到的探测结果的误差大大降低，同时节省了大量施工时间，提高了探测效率。

根据本发明的一些实施例，所述地震三分量短排列式采集装置包括采集架、8个所述三分量压电拾震计和1个所述电磁激振器，所述8个所述三分量压电拾震计和1个所述电磁激振器呈水平直线并列设置在所述采集架上，所述电磁激振器左右两侧的所述三分量压电拾震计的数量相等，且相邻两个所述三分量压电拾震计的间距为0.2米，所述电磁激振器与所述三分量压电拾震计的最小炮检距为0.2米。

根据本发明的一些实施例，所述8个所述三分量压电拾震计和1个所述电磁激振器均与所述采集架通过弹簧连接。

根据本发明的一些实施例，所述通过每一个所述地震记录信号计算每一个所述地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，包括：

将所述地震记录信号放置于数字化网格中；

通过所述地震记录信号得到在已知煤层的横波速度下所述地震记录信号处于的横轴网格，并通过所述地震记录信号得到在已知煤层的纵波速度下所述地震记录信号处于的纵轴网格；通过所述煤岩界面散射点、所述横轴网格和所述纵轴网格对所述三分量压电拾震计的接收点进行标记；

通过基于Hilbert变换的瞬时极化分析对所述地震记录信号的三分量进行极化参数求解，得到所述地震记录信号处于所述三分量压电拾震计的接收点的主极化向量；

根据所述煤岩界面散射点与所述三分量压电拾震计的接收点的位置计算得到回波方向向量；

计算所述主极化向量和所述回波方向向量的滤波夹角；

根据所述主极化向量与所述三分量不同方向的夹角，将所述地震记录信号的三分量加权叠加至所述主极化向量的方向，得到主极化纵波振幅和主极化横波振幅；

通过所述主极化纵波振幅、所述主极化横波振幅和所述滤波夹角计算得到所述地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号。

根据本发明的一些实施例，通过地震散射波传播旅行时刻对所述三分量压电拾震计的接收点进行标记。

根据本发明的一些实施例，所述横波速度、所述纵波速度和所述地震散射波传播旅行时刻通过如下公式进行转换：

其中，t_s表示地震波从电磁激振点到网格的旅行时刻，t_r表示散射波从网格到三分量压电拾震计的旅行时刻，x_s表示电磁激振器的坐标，x_r表示三分量压电拾震计的坐标，V表示煤层的纵波速度或者横波速度，x表示煤岩界面散射点的横坐标，z表示煤岩界面散射点的纵坐标。

根据本发明的一些实施例，所述得到主极化纵波振幅和主极化横波振幅的计算公式包括：

A_mi＝A_xcosθ_x+A_ycosθ_y+A_zcosθ_z

其中，A_mi表示主极化纵波振幅和主极化横波振幅，主极化纵波振幅用A_mpi表示，主极化横波振幅使用A_msi表示，A_x、A_y和A_z分别表示三分量的振幅，θ_x、θ_y和θ_z分别表示主极化向量与三分量的夹角。

根据本发明的一些实施例，所述通过所述主极化纵波振幅、所述主极化横波振幅和所述滤波夹角计算得到所述地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号的计算公式包括：

A_ps＝A_mpicosα_i

A_ss＝A_msisinα_i

其中，A_ps表示纵波振幅叠加信号，A_ss表示横波振幅叠加信号，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，sinα_i表示滤波夹角的正弦值。

根据本发明的一些实施例，所述滤波夹角的计算公式包括：

其中，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，p表示P波，i表示三分量压电拾震计的序号，表示主极化向量，/>表示回波方向向量。

根据本发明的一些实施例，所述地震三分量短排列式采集装置还包括采集基站；所述地震三分量短排列式采集装置与所述采集基站有线连接，所述采集基站对所述地震三分量短排列式采集装置进行供电、存储和传输功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例提供的一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供的计算每一个地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号的流程图；

图3是本发明一实施例提供的三分量短排列式采集装置的结构图；

图4是本发明一实施例提供的三分量短排列式采集装置嵌入掘进巷道的示意图；

图5是本发明一实施例提供的标记三分量压电拾震计的接收点的示意图；

图6是本发明一实施例提供的计算滤波夹角的示意图；

图7是本发明一实施例提供的计算剩余煤厚的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1、图3、图4和图7，在本发明的一些实施例中，提供了一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，包括：

步骤S100、通过电磁激振器和多个三分量压电拾震计构建地震三分量短排列式采集装置。

步骤S200、将地震三分量短排列式采集装置嵌入掘进巷道的顶部煤壁。

步骤S300、控制电磁激振器激发信号，并同步采集每个三分量压电拾震计接收来自初始的煤岩界面散射点反射的地震记录信号；通过将地震三分量短排列式采集装置移动预设的步距，控制电磁激振器激发信号，同步采集下一个煤岩界面散射点反射的地震记录信号，依次类推，直至采集完成所有煤岩界面散射点反射的地震记录信号，得到多个地震记录信号。

步骤S400、通过每一个地震记录信号计算对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，并根据每一个地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号的纵波速度和横波振幅叠加信号的横波速度进行时间深度转换，得到每一个地震记录信号对应的地震散射多波剖面。

步骤S500、通过所有地震散射多波剖面进行归一化叠加拼接显示，得到掘进巷道的顶部剩余煤层的纵波深度剖面和横波深度剖面，并根据煤岩界面在纵波深度剖面和横波深度剖面的位置计算顶部剩余煤层的厚度。

在本方法实施例中，首先通过步骤S100构建地震三分量短排列式采集装置，便于采集数据，节省人力成本；其次通过步骤S200将地震三分量短排列式采集装置直接嵌入掘进巷道的顶部煤壁，实施简单方便，也不会对掘进巷道进行破坏；步骤S300通过移动预设的步距，激发电磁激振器，得到不同深度对应的地震记录信号，保证探测的准确度，提高探测结果的鲁棒性；步骤S400和步骤S500通过不同深度对应的地震记录信号计算得到每一个地震记录信号对应的地震散射多波剖面，根据所有地震散射多波剖面进行归一化叠加拼接显示，能够准确清晰地得到掘进巷道的顶部剩余煤层的纵波深度剖面和横波深度剖面，通过煤岩界面在纵波深度剖面和横波深度剖面的位置计算顶部剩余煤层的厚度，能够极大地提高探测精度，使得到的探测结果的误差大大降低，同时节省了大量施工时间，提高了探测效率。

在本发明的一些实施例中，地震三分量短排列式采集装置包括采集架、8个三分量压电拾震计和1个电磁激振器，8个三分量压电拾震计和1个电磁激振器呈水平直线并列设置在采集架上，所述电磁激振器左右两侧的三分量压电拾震计的数量相等，且相邻两个三分量压电拾震计的间距为0.2米，电磁激振器与三分量压电拾震计的最小炮检距为0.2米。

需要说明的是，本实施例使用8个三分量压电拾震计和1个电磁激振器以及将三分量压电拾震计的间距和最小炮检距均设为0.2米，是为了便于采集人员能够单人完成采集任务，因此不能看作是对本发明的限定，此处对三分量压电拾震计和电磁激振器的数量如何设置以及三分量压电拾震计的间距和最小炮检距如何设定不作具体限制。

将三分量压电拾震计的间距和最小炮检距均设为0.2米，整个装置不会超过单个采集人员的操作范围，能够使采集人员单人完成采集任务，节省人力和时间成本。

在本发明的一些实施例中，8个三分量压电拾震计和1个电磁激振器均与采集架通过弹簧式连接。

三分量压电拾震计和电磁激振器均与采集架通过弹簧式连接，既保证震源与接收点均能较好地耦合，又避免电磁激振器激振惯性造成的直接振动影响，保证了信号的信噪比。

参照图2、图5和图6，在本发明的一些实施例中，通过每一个地震记录信号计算每一个地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，包括：

步骤S401、将地震记录信号放置于数字化网格中。

步骤S402、通过地震记录信号得到在已知煤层的横波速度下地震记录信号处于的横轴网格，并通过地震记录信号得到在已知煤层的纵波速度下地震记录信号处于的纵轴网格；通过煤岩界面散射点、横轴网格和纵轴网格对三分量压电拾震计的接收点进行标记。

步骤S403、通过基于Hilbert变换的瞬时极化分析对地震记录信号的三分量进行极化参数求解，得到地震记录信号处于三分量压电拾震计的接收点的主极化向量。

步骤S404、根据煤岩界面散射点与三分量压电拾震计的接收点的位置计算得到回波方向向量。

步骤S405、计算主极化向量和回波方向向量的滤波夹角。

步骤S406、根据主极化向量与三分量不同方向的夹角，将地震记录信号的三分量加权叠加至主极化向量的方向，得到主极化纵波振幅和主极化横波振幅。

通过主极化纵波振幅、主极化横波振幅和滤波夹角计算得到地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号。

通过对地震记录信号的进一步计算分析得到地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，能够将不容易分析剖面的地震记录信号进行进一步计算分析得到对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，通过对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号就容易分析得到对应的地震散射多波剖面。

在本发明的一些实施例中，通过地震散射波传播旅行时刻对三分量压电拾震计的接收点进行标记。

通过地震散射波传播旅行时刻标记地震记录信号处于的横轴网格和纵轴网格，标记实现简单，并且使不同标记之间不容易混淆，能够清晰地表示地震散射波所处位置。

在本发明的一些实施例中，横波速度、纵波速度和地震散射波传播旅行时刻通过如下公式进行转换：

其中，t_s表示地震波从电磁激振点到网格的旅行时刻，t_r表示散射波从网格到三分量压电拾震计的旅行时刻，x_s表示电磁激振器的坐标，x_r表示三分量压电拾震计的坐标，V表示煤层的纵波速度或者横波速度，x表示煤岩界面散射点的横坐标，z表示煤岩界面散射点的纵坐标。

通过地震散射波传播旅行时刻的转换，保证地震散射波传播旅行时刻能够具体体现地震散射波在数字化网格中的位置，且避免地震散射波传播旅行时刻出现数据混淆等错误。

在本发明的一些实施例中，得到主极化纵波振幅和主极化横波振幅的计算公式包括：

A_mi＝A_xcosθ_x+A_ycosθ_y+A_zcosθ_z

其中，A_mi表示主极化纵波振幅和主极化横波振幅，主极化纵波振幅用A_mpi表示，主极化横波振幅使用A_msi表示，A_x、A_y和A_z分别表示三分量的振幅，θ_x、θ_y和θ_z分别表示主极化向量与三分量的夹角。

通过主极化纵波振幅和主极化横波振幅计算，将三分量的振幅和主极化向量叠加，便于后续计算纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号以及剖面的分析。

在本发明的一些实施例中，通过主极化纵波振幅、主极化横波振幅和滤波夹角计算得到地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号的计算公式包括：

A_ps＝A_mpicosα_i

A_ss＝A_msisinα_i

其中，A_ps表示纵波振幅叠加信号，A_ss表示横波振幅叠加信号，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，sinα_i表示滤波夹角的正弦值。

通过滤波夹角计算得到的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，进行了方向滤波，提高数据的精度，减少数据误差。

在本发明的一些实施例中，滤波夹角的计算公式包括：

其中，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，p表示P波，i表示三分量压电拾震计的序号，表示主极化向量，/>表示回波方向向量。

通过主极化向量和回波方向向量计算滤波夹角的余弦值，从而得到滤波夹角的具体值，保证方向滤波的准确性，避免出现滤波夹角出现误差。

在本发明的一些实施例中，地震三分量短排列式采集装置还包括采集基站；地震三分量短排列式采集装置与采集基站有线连接，采集基站对地震三分量短排列式采集装置进行供电、存储和传输功能。

采集基站能够在通信不良的情况下，保障采集数据的存储，并在通信良好的情况下将采集数据传输到其他平台。

为了方便本领域技术人员理解，本发明的一个具体实施例，提供一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，包括：

步骤一：设计一种地震三分量短排列式采集装置，8个三分量压电拾震计，间距为0.2m，中间布置1个电磁激振器，最小炮检距为0.2m，拾震计、电磁激振器与采集结构装置连接均采用弹簧式连接，并用橡胶进行隔振，以保证信号的信噪比。

步骤二：根据掘进巷道建立顶板剩余煤厚探测的观测系统，地震三分量短排列式采集装置的X方向沿着巷道走向方向，顶煤探测深度为H方向，三分量拾震计X方向与巷道走向平行，Y方向为巷道平面方向，Z方向为探测深度方向。

步骤三：将地震三分量短排列式采集装置向上顶起并紧密接触巷道顶部煤壁，将地震三分量短排列式采集装置采用有线连接方式接入采集基站，基站具备供电、采集、存储和传输功能，采集基站并以Wifi方式与处理平台相连接，处理平台具备置参、控制和数据处理、展示功能。

步骤四：控制电磁激振器进行信号的激发，同步采集8个三分量共计24道地震记录。

步骤五：假定在排列内存在m×n个网格，每个网格为潜在的煤岩界面散射点，在已知煤层纵波速度V_p的情况下，可计算排列内某个网格分别在8个接收点处的地震散射波旅行时,记为：t_p1、t_p2……t_p8；同理在横波速度V_s的情况下，可计算排列内某个网格分别在8个接收点处的地震散射波旅行时，记为：t_s1、t_s2……t_s8。在煤层波速已知的情况下，以网格点中心位置空间坐标(x,z)计算某个排列到网格的地震散射波传播旅行时：

其中，t_s表示地震波从电磁激振点到网格的旅行时刻，t_r表示散射波从网格到三分量压电拾震计的旅行时刻，x_s表示电磁激振器的坐标，x_r表示三分量压电拾震计的坐标，V表示煤层的纵波速度或者横波速度，x表示煤岩界面散射点的横坐标，z表示煤岩界面散射点的纵坐标。根据上式，可依次计算不同接收点处的纵横波传播旅行时，记为t_p1、t_p2……t_p8和ts1、t_p1、t_p2……t_p8，其中p和s分别代表P波和S波，序号1、2、……8分别代表拾震计序号。

步骤六：采用基于Hilbert变换的瞬时极化分析方法对上述8个三分量记录进行极化参数求解，以此获取t_p1、t_p2……t_p8和t_s1、t_s2……t_s8主极化向量和/>根据网格所在位置与接收点的关系，可获取回波方向向量/>结合上述计算主极化向量与回波方向向量的夹角，记为滤波夹角的余弦值cos1、cos2……cos8。

滤波夹角的计算公式包括：

其中，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，p表示P波，i表示三分量压电拾震计的序号，表示主极化向量，/>表示回波方向向量。

步骤七：根据主极化向量与三分量不同方向的夹角关系，将t_p1、t_p2……t_p8和t_s1、t_s2……t_s8时刻时3个分量上的信号加权叠加到主极化方向上，记为主极化纵波振幅A_mp1、A_mp2……A_mp8和横波振幅A_ms1、A_ms2……A_ms8。

通过主极化纵波振幅、主极化横波振幅和滤波夹角计算得到地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号的计算公式包括：

A_ps＝A_mpicosα_i

A_ss＝A_msisinα_i

其中，A_ps表示纵波振幅叠加信号，A_ss表示横波振幅叠加信号，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，sinα_i表示滤波夹角的正弦值。

步骤八：利用主极化振幅与滤波夹角计算不同接收点处某单个网格的纵波和横波振幅，并进行叠加，分别记为：A_ps和A_ss。

通过主极化纵波振幅、主极化横波振幅和滤波夹角计算得到地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号的计算公式包括：

A_ps＝A_mpicosα_i

A_ss＝A_msisinα_i

其中，A_ps表示纵波振幅叠加信号，A_ss表示横波振幅叠加信号，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，sinα_i表示滤波夹角的正弦值。

步骤九：根据步骤五到八，依次计算单排列内所有网格的纵、横波振幅叠加信号，并分别根据纵横波速度进行时间深度转换，从而形成单排列内的地震散射多波剖面。

步骤十：以步距1m移动采集装置至下一探测位置，重复步骤四至九，获取下一排列内的地震散射波剖面，直至探测结束，由此可获得多个地震散射波剖面。

步骤十一：根据剖面实际位置，将多个地震散射波剖面进行归一化叠加拼接显示，最终获得探测区域巷道顶板剩余煤层厚度的纵、横波深度剖面，并根据煤岩分界面在剖面中的位置确定顶煤剩余厚度H。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储数据(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的数据并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何数据递送介质。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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发明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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法包括：

通过电磁激振器和多个三分量压电拾震计构建地震三分量短排列式采集装置；

将所述地震三分量短排列式采集装置嵌入掘进巷道的顶部煤壁；

控制所述电磁激振器激发信号，并同步采集每个所述三分量压电拾震计接收来自初始的煤岩界面散射点反射的地震记录信号；通过将所述地震三分量短排列式采集装置移动预设的步距，控制所述电磁激振器激发信号，同步采集下一个煤岩界面散射点反射的地震记录信号，依次类推，直至采集完成所有煤岩界面散射点反射的地震记录信号，得到多个地震记录信号；

通过每一个所述地震记录信号计算对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，并根据每一个所述地震记录信号对应的所述纵波振幅叠加信号的纵波速度和所述横波振幅叠加信号的横波速度进行时间深度转换，得到每一个所述地震记录信号对应的地震散射多波剖面；所述通过每一个所述地震记录信号计算每一个所述地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号，包括：将所述地震记录信号放置于数字化网格中；通过所述地震记录信号得到在已知煤层的横波速度下所述地震记录信号处于的横轴网格，并通过所述地震记录信号得到在已知煤层的纵波速度下所述地震记录信号处于的纵轴网格；通过所述煤岩界面散射点、所述横轴网格和所述纵轴网格对所述三分量压电拾震计的接收点进行标记；通过基于Hilbert变换的瞬时极化分析对所述地震记录信号的三分量进行极化参数求解，得到所述地震记录信号处于所述三分量压电拾震计的接收点的主极化向量；根据所述煤岩界面散射点与所述三分量压电拾震计的接收点的位置计算得到回波方向向量；计算所述主极化向量和所述回波方向向量的滤波夹角；根据所述主极化向量与所述三分量不同方向的夹角，将所述地震记录信号的三分量加权叠加至所述主极化向量的方向，得到主极化纵波振幅和主极化横波振幅；通过所述主极化纵波振幅、所述主极化横波振幅和所述滤波夹角计算得到所述地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号；

通过所有所述地震散射多波剖面进行归一化叠加拼接显示，得到所述掘进巷道的顶部剩余煤层的纵波深度剖面和横波深度剖面，并根据煤岩界面在所述纵波深度剖面和所述横波深度剖面的位置计算顶部剩余煤层的厚度。

2.根据权利要求1所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述地震三分量短排列式采集装置包括采集架、8个所述三分量压电拾震计和1个所述电磁激振器，所述8个所述三分量压电拾震计和1个所述电磁激振器呈水平直线并列设置在所述采集架上，所述电磁激振器左右两侧的所述三分量压电拾震计的数量相等，且相邻两个所述三分量压电拾震计的间距为0.2米，所述电磁激振器与所述三分量压电拾震计的最小炮检距为0.2米。

3.根据权利要求2所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述8个所述三分量压电拾震计和1个所述电磁激振器均与所述采集架通过弹簧连接。

4.根据权利要求3所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，通过地震散射波传播旅行时刻对所述三分量压电拾震计的接收点进行标记。

5.根据权利要求4所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述横波速度、所述纵波速度和所述地震散射波传播旅行时刻通过如下公式进行转换：

其中，t_s表示地震波从电磁激振点到网格的旅行时刻，t_r表示散射波从网格到三分量压电拾震计的旅行时刻，x_s表示电磁激振器的坐标，x_r表示三分量压电拾震计的坐标，V表示煤层的纵波速度或者横波速度，x表示煤岩界面散射点的横坐标，z表示煤岩界面散射点的纵坐标。

6.根据权利要求5所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述得到主极化纵波振幅和主极化横波振幅的计算公式包括：

A_mi＝A_xcosθ_x+A_ycosθ_y+A_zcosθ_z

其中，A_mi表示主极化纵波振幅和主极化横波振幅，主极化纵波振幅用A_mpi表示，主极化横波振幅使用A_msi表示，A_x、A_y和A_z分别表示三分量的振幅，θ_x、θ_y和θ_z分别表示主极化向量与三分量的夹角。

7.根据权利要求6所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述通过所述主极化纵波振幅、所述主极化横波振幅和所述滤波夹角计算得到所述地震记录信号对应的纵波振幅叠加信号和横波振幅叠加信号的计算公式包括：

A_ps＝A_mpicosα_i

A_ss＝A_msisinα_i

其中，A_ps表示纵波振幅叠加信号，A_ss表示横波振幅叠加信号，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，sinα_i表示滤波夹角的正弦值。

8.根据权利要求7所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述滤波夹角的计算公式包括：

其中，cosα_i表示滤波夹角的余弦值，p表示P波，i表示三分量压电拾震计的序号，表示主极化向量，/>表示回波方向向量。

9.根据权利要求1所述的掘进巷道剩余煤厚地震多波多分量的探测方法，其特征在于，所述地震三分量短排列式采集装置还包括采集基站；所述地震三分量短排列式采集装置与所述采集基站有线连接，所述采集基站对所述地震三分量短排列式采集装置进行供电、存储和传输功能。