CN117055115B - 探测煤岩体结构异常区的方法、装置、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本公开提出一种探测煤岩体结构异常区的方法、装置、设备和介质，涉及数据处理技术领域。其中，方法包括：获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元；根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。由此，可以实现基于地震波在煤岩体中的速度分布，有效且准确地确定煤岩体结构异常区的范围。
Description
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结构异常区的方法、装置、设备和介质。
背景技术
地质勘探贯穿煤矿安全生产的全生命周期，是煤矿安全生产的必要条件。为保证煤矿安全生产，在生产前需要对地质构造进行全面勘查，查明褶皱、断层及岩浆岩侵入等情况，并结合构造对安全产生的影响因素进行分析，做出有效的规避方案。然而，在煤炭开采过程中，覆岩原始应力状态被破坏，应力重新分布，在外力干扰下或自组织进入新的相对稳定状态，覆岩遭受开采扰动，上覆岩层发生移动变形，产生连续与非连续破坏，影响采空区稳定性，甚至造成地表沉陷。此过程，并非是一蹴而就的，而是一直处于动态发展。
如何精确监测矿井全生命周期的煤岩体结构对于指导解决采矿工程中岩层控制的相关问题具有重要意义。
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结构异常区的方法、装置、设备和介质，以可以实现基于地震波在煤岩体中的速度分布，有效且准确地确定煤岩体结构异常区的范围。
本公开第一方面实施例提出了一种探测煤岩体结构异常区的方法，包括：
获取所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，所述目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；
获取任一所述网格单元在所述目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；
根据各所述第一速度和所述目标速度，从各所述网络单元中确定结构异常单元；
根据所述结构异常单元，在所述目标速度反演图中确定所述煤岩体在所述目标探测周期的结构异常区的范围。
本公开实施例的探测煤岩体结构异常区的方法，通过获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元；根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。由此，可以实现基于地震波在煤岩体中的速度分布，有效且准确地确定煤岩体结构异常区的范围。
本公开第二方面实施例提出了一种探测煤岩体结构异常区的装置，包括：
第一获取模块，用于获取所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，所述目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；
第二获取模块，用于获取任一所述网格单元在所述目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；
第一确定模块，用于根据各所述第一速度和所述目标速度，从各所述网络单元中确定结构异常单元；
第二确定模块，用于根据所述结构异常单元，在所述目标速度反演图中确定所述煤岩体在所述目标探测周期的结构异常区的范围。
本公开实施例的探测煤岩体结构异常区的装置，通过获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元；根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。由此，可以实现基于地震波在煤岩体中的速度分布，有效且准确地确定煤岩体结构异常区的范围。
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结构异常区的方法。
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结构异常区的方法。
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结构异常区的方法。
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结构异常区的方法的流程示意图；
图2为本公开实施例二所提供的探测煤岩体结构异常区的方法的流程示意图；
图3为本公开所提供的落锤式冲击震源的装置结构图；
图4为本公开所提供的发射器组件的结构示意图；
图5为本公开所提供的控制组件的结构示意图；
图6为本公开实施例三所提供的探测煤岩体结构异常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。
本公开提出一种探测煤岩体结构异常区的方法、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结构异常区的方法、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结构异常区的方法的流程示意图。
本公开实施例以该探测煤岩体结构异常区的方法被配置于探测煤岩体结构异常区的装置中来举例说明，该探测煤岩体结构异常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结构异常区的功能。
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，该探测煤岩体结构异常区的方法可以包括以下步骤：
步骤101，获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图。
其中，目标速度反演图，可以用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度。
其中，目标探测区域可以为待探测煤岩体结构的区域。
其中，需要说明的是，可以对目标探测区域采用规则网格进行划分，划分得到多个网格单元，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。
可以理解的是，在煤炭开采过程中，可以随着煤炭开采的进度，周期性地对煤岩体的结构进行探测。
从而，在本公开中，可以获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图。
步骤102，获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度。
在本公开实施例中，目标探测周期之前可以存在一个探测周期，或者也可以存在多个探测周期，本公开对此不做限制。
需要说明的是，目标探测周期的周期时长可以与目标探测周期之前的探测周期的周期时长相同，或者也可以与目标探测周期之前的探测周期的周期时长不相同，本公开对此不做限制。
在本公开实施例中，可以获取任一网格单元在目标探测周期之前的各探测周期中地震波传播的第一速度。
步骤103，根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元。
在本公开实施例中，可以根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元。
作为一种可能的实现方式，针对任一网格单元，可以根据网格单元的各第一速度和目标速度，确定网格单元的波速变化趋势；响应于网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且目标速度大于第一设定阈值，确定网格单元为结构异常单元；响应于网格单元的波速变化趋势为先上升后下降趋势，且目标速度大于第二设定阈值，确定网格单元为结构异常单元；其中，第二设定阈值小于第一设定阈值。
在本公开实施例中，第一设定阈值可以为预先设定的，比如，可以为2000km/s、2100km/s等，本公开对此不做限制。
在本公开实施例中，第二设定阈值可以为预先设定的，比如，可以为1000km/s、900km/s等，本公开对此不做限制。
需要说明的是，第二设定阈值可以小于第一设定阈值。
还需要说明的是，第一设定阈值和第二设定阈值可以是基于大量实验确定的。
在本公开实施例中，针对任一网格单元，可以根据网格单元的各第一速度和目标速度，确定网格单元的波速变化趋势。
比如，假设存在网格单元A，目标探测周期之前存在3个探测周期，按照探测周期的时间先后顺序分别为探测周期1、探测周期2、探测周期3、目标探测周期，其中，网格单元A在探测周期1的第一速度为1089km/s、网格单元A在探测周期2的第一速度为3200km/s、网格单元A在探测周期3的第一速度为1300km/s、网格单元B在目标探测周期的第一速度为3600km/s，则可以确定网格单元的波速变化趋势为上升趋势。
上述示例仅以网格单元的波速变化趋势为上升趋势进行示例，在实际应用中，可能会存在网格单元的波速变化趋势为先上升后下降趋势、下降趋势等等，本公开对此不做限制。
在本公开实施例中，当网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且网格单元的目标速度大于第一设定阈值时，可以确定网格单元为结构异常单元；当网格单元的波速变化趋势为先上升后下降趋势，且网格单元的目标速度大于第二设定阈值时，可以确定网格单元为结构异常单元。
由此，可以有效确定目标探测区域的各网格单元是否为结构异常单元。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，在响应于网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且目标速度大于第一设定阈值，确定网格单元为结构异常单元之后，可以对目标探测周期之后的探测周期的周期时长进行更新。比如，目标探测周期的周期时长为3天，在响应于网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且目标速度大于第一设定阈值，确定网格单元为结构异常单元之后，则可以对目标探测周期之后的探测周期的周期时长调整为2天，24小时等。由此，可以对探测周期的时长进行调整，以能够在更短的探测周期对煤岩体的结构进行探测，为煤炭的安全开采提供帮助。
步骤104，根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。
在本公开实施例中，可以根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。
本公开实施例的探测煤岩体结构异常区的方法，通过获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元；根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。由此，可以实现基于地震波在煤岩体中的速度分布，有效且准确地确定煤岩体结构异常区的范围。
可以理解的是，煤矿开采需要将真实工程环境中的煤岩体结构进行数字化存储、展示与应用，需要满足地震波稳定重复激发、波形与传播方向可控、特定区域长时连续监测成像等新需求的地质勘探方法和装备。
然而，在相关技术中，常采用地震勘探的手段监测煤矿煤岩体结构，而地震勘探的震源分为炸药震源及非炸药震源。其中，炸药震源在地震勘探中的应用最为广泛，但是，炸药震源在一定程度上污染环境，且炸药的使用和运输被严格管控，因此，炸药震源不能保证矿井全生命周期的煤岩体结构监测。非炸药震源主要有锤击震源、震源车、气枪震源、电火花震源等，其中， 锤击震源激发能量有限，同时易受环境影响，在干松的地面锤击效果很差，不能达到深层煤岩体结构监测的要求；震源车低频有效地震信号易受能量强、视速度低、振动延续时间长的面波信号干扰；气枪震源使用场地一般为海洋或者陆地水域；电火花震源需要打钻孔至含水层保证在水环境中激发，水介质易影响电火花激发能量，且电极常常不能充分汽化水，同时，重复性激发电火花震源易造成围岩破裂，导致地震波子波波形稳定性差。可见，以上工程物探方法及装备均不能稳定长时监测矿井的煤岩体结构。
针对上述工程物探方法及装备存在的问题，本公开还提出一种探测煤岩体结构异常区的方法，图2为本公开实施例二所提供的探测煤岩体结构异常区的方法的流程示意图。在图2所示的实施例中，可以采用本公开提供的落锤式冲击震源的装置，获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图。
如图2所示，基于本公开上述实施例，该探测煤岩体结构异常区的方法还可以包括以下步骤：
步骤201，针对目标探测周期，确定煤岩体的目标探测区域和至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量；其中，目标探测区域的一侧设置多个检波器、另一侧设置与各落锤式冲击震源对应的激发点。
需要说明的是，步骤101中对目标探测区域的解释说明同样适用于该实施例，在此不做赘述。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，落锤式冲击震源可以包括发射器组件、控制组件、液压站、抽真空设备、高压氮气瓶、砧台以及配车；其中，发射器组件还可以包括气室、进气管、发射管、支座、控制阀。
作为一种示例，图3为本公开所提供的落锤式冲击震源的装置结构图。如图3所示，该落锤式冲击震源300可以包括发射器组件310、控制组件320、液压站330、抽真空设备340、高压氮气瓶350、砧台360以及配车370，其中：
1、发射器组件310可以设置于配车370上，可以用于向位于子弹下方的砧台360发射子弹，以通过子弹对砧台360的撞击产生地震波；其中，发射器组件360可以包括子弹。
其中，砧台360可以为长方体钢板，且可以位于子弹下方。由此，在冲击作业中，砧台可以有效避免子弹对地面的冲击而导致的地面塌陷的问题。
其中，子弹的形状可以为但不限于为圆柱形。
其中，如图4中（a）和（b）所示，发射器组件310还可以包括气室411、进气管412、发射管413、支座414和控制阀415；其中，图4中（a）为发射器组件的立体图，图4中（b）为发射器组件的剖面图。
其中，气室411为密闭圆柱形缸体，可以通过进气管412与高压氮气瓶350连接，以在气室411中将从高压氮气瓶350输入至气室411的压缩氮气的压力能转化为子弹的动能。需要说明的是，气室411的内壁可以设置螺纹，以通过螺纹与发射管413连接。
其中，发射管413可以设置有出气孔，以通过出气孔与发射器组件310的外界环境进行空气交换；其中，发射管413可以包括发射腔体，且子弹可以设置于发射腔体中。
其中，发射管413可以为但不限于为合金钢材质，本公开对此不做限制。
需要说明的是，为了保证子弹的正常运动，发射腔体的内壁可以为光滑的。
其中，支座414，可以与控制组件320连接，用于与控制组件320联合控制发射器组件310的运动。需要说明的是，支座414可以设置于发射管413的中下部。
其中，控制阀415，可以用于对从气室411流向发射管413的气室气体进行控制。需要说明的是，控制阀415可以为但不限于为电磁阀、气控阀等，本公开对此不做限制。
其中，发射器组件310还可以包括压力变送器416。其中，压力变送器416可以用于对从气室411流向发射管413的气室气体的气体压强进行控制。
2、控制组件320，与发射器组件310连接，可以用于控制发射器组件310的运动。
其中，需要说明的是，发射器组件310的运动方式可以为但不限于为向上移动、向下移动、向前移动、向后移动等。
其中，如图5所示，控制组件320可以包括液压油缸521、马达522、丝杆523、运动支撑架524和底座525。
其中，丝杆523和发射器组件310中的支座414可以安装于运动支撑架524上；运动支撑架524可以与底座525连接；液压油缸521可以与底座525和运动支撑架524连接；马达522可以与丝杆523连接。
可以理解的是，控制组件320可以固定于配车370上。比如，可以通过螺丝，将控制组件320固定于配车370上。
其中，液压油缸521，可以用于通过控制液压油缸521中的液压杆的伸缩，调节运动支撑架524与底座525之间的第一夹角的角度，从而，可以调节发射器组件310与地面之间的第二夹角的角度。其中，第一夹角的角度的取值范围，比如可以为0°~90°、0°~180°等，本公开对此不做限制。
其中，马达522，可以用于通过控制丝杆523的上下移动，调节发射器组件310与地面之间的距离。
3、液压站330，可以与控制组件320连接，可以用于向控制组件320的运动提供动力
其中，液压站330可以与液压油缸521和马达522连接，用于分别向液压油缸521和马达522提供动力。
4、抽真空设备340，与发射器组件310连接，可以用于在子弹发射完成后，抽取发射器组件310中的空气，使子弹重新回归发射器组件的发射位置。
其中，抽真空设备340可以与发射管413连接，用于在子弹发射完成后，抽取发射腔体中的空气，使子弹重新回归发射器组件310的发射位置。
其中，该落锤式冲击震源300还可以包括气体流速控制阀，该气体流速控制阀可以设置于抽真空设备340中。
5、高压氮气瓶350，与发射器组件310连接，可以用于通过高压氮气瓶中的压缩氮气向子弹提供动力。
其中，该落锤式冲击震源300还可以包括电控系统，电控系统可以与发射器组件310连接，可以用于对从高压氮气瓶350输向发射器组件310的压缩氮气进行控制。
在本公开实施例中，落锤式冲击震源的数量可以为但不限于为一个。
在本公开实施例中，目标探测区域的一侧可以设置多个检波器、另一侧可以设置与各落锤式冲击震源对应的激发点。
在本公开实施例中，针对目标探测周期，可以确定煤岩体的目标探测区域和至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量。
为了确定至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量，在本公开实施例的一种可能的实现方式中，在目标探测区域具有对应的煤炭探测深度，落锤式冲击震源包括发射器组件、控制组件、液压站、抽真空设备、高压氮气瓶、砧台以及配车，其中，发射器组件还包括气室、进气管、发射管、支座、控制阀的情况下，可以获取目标探测区域的煤炭探测深度；针对任一落锤式冲击震源，可以根据煤炭探测深度，调整落锤式冲击震源中气室内气体压强、子弹半径及子弹长度，从而可以得到落锤式冲击震源的目标震源能量。
作为一种示例，在获取目标探测区域的煤炭探测深度之后，可以根据煤炭探测深度，查询与煤炭探测深度对应的目标震源能量；基于目标震源能量和子弹质量，确定子弹撞击砧板的冲击速度；基于冲击速度，确定子弹的冲击加速度；根据冲击加速度和进气管的直径，确定气室内的气体压强。
比如，可以预先建立煤炭探测深度与震源能量的对应关系，并存储该对应关系，从而在确定煤炭探测深度的情况下，查询上述对应关系，可以获取与煤炭探测深度对应的目标震源能量；假设目标震源能量为E，子弹质量为m，可以根据以下公式，确定子弹撞击砧板的冲击速度v：
；(1)
其中，假设子弹直径为d，子弹长度为h，子弹密度为ρ，可以根据以下公式，确定子弹质量m：
；（2）
在确定子弹撞击砧板的冲击速度v之后，根据冲击速度v，可以根据以下公式，确定子弹的冲击加速度a：
；（3）
假设进气管的直径为D，可以根据以下公式，确定气室内的气体压强P：
；（4）
其中，g为重力加速度；为气室对子弹做功的效率，可以为预先设定的。
由此，可以实现基于煤炭探测深度，对气室内气体压强、子弹半径及子弹长度进行调整，可以有效得到落锤式冲击震源的目标震源能量。
步骤202，控制各落锤式冲击震源在对应的目标震源能量下通过对应的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到从各激发点激发的地震波。
在本公开实施例中，可以控制各落锤式冲击震源在对应的目标震源能量下通过对应的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到从各激发点激发的地震波。
步骤203，从任一检波器获取在各激发点激发地震波的初至时间。
在本公开实施例中，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。
在本公开实施例总，在各检波器接收到各激发点激发的地震波之后，可以从任一检波器获取在各激发点激发地震波的初至时间。
步骤204，根据各激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图。
在本公开实施例中，在目标探测周期中，可以根据各激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，对地震波波速进行反演分析，确定地震波在目标探测区域内网格单元上地震波传播的目标速度的速度分布，并可以根据地震波在目标探测区域内的速度分布，确定与速度分布对应的目标速度反演图。
为了清楚说明是如何根据各激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图的，在本公开实施例的一种可能的实现方式中，可以采用以下步骤，实现对煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图的确定：
步骤2041，建立初始速度模型，其中，目标探测区域中的各网格单元具有对应的初始速度。
在本公开实施例中，可以建立初始速度模型，其中，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，初始速度模型为常速模型时，比如，初始速度模型的常速模型为：
V(i,j)=k；（5）
其中，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)为目标探测区域的第i行第j列的网格单元对应的初始速度，k为常数。
作为另一种示例，初始速度模型为变速模型时，比如，初始速度模型的变速模型为：
V(i,j)=v0+bi；（6）
其中，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)为目标探测区域的第i行第j列的网格单元对应的初始速度，v0、b为常数。
需要说明的是，上述对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，确定目标探测区域的初始速度模型，且，初始速度模型中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结构异常区的准确性。
步骤2042，根据初始速度和初至时间，对初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将初始速度模型中初始速度更新为目标速度。
在本公开实施例中，可以根据各网格单元对应的初始速度和各激发点所激发的地震波的初至时间，对初始速度模型进行多轮迭代反演，以将初始速度模型中地震波在各网格单元内的初始速度更新为目标速度。
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三设定阈值，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，并将更新后的初始速度作为下一轮采用的初始速度，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初始速度的倒数；若本轮的第一损失函数的取值未大于第三设定阈值，停止对初始速度模型进行迭代反演，且可以将更新后的初始速度作为目标速度。
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1、激发点2、激发点3，检波器的数量为4个，分别为检波器1、检波器2、检波器3、检波器4，其对应的射线路径的数量为12条，可以将激发点1和检波器1之间对应的射线路径设置为1，将激发点1和检波器2之间对应的射线路径设置为2，将激发点1和检波器3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Li，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Ti；其中，i=1,2,…,N,射线路径的数量为N。
2）根据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初至时间为T0i，其对应的第一参考时长为Ti，则其对应的走时残差ΔTi为T0i-Ti，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：
；（7）
3）判断本轮的第一损失函数的取值是否大于第三设定阈值，若本轮的第一损失函数的取值大于第三设定阈值，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三设定阈值，则可以执行步骤6）。
在本公开实施例中，第三设定阈值可以为预先设定的，比如，该第三设定阈值为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：
；（8）
其中，ΔTi为第i条射线路径对应的走时残差，Li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，并将更新后的初始速度作为下一轮采用的初始速度。
在本公开实施例中，可以将任一网格单元的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，任一网格单元的初始速度为vold，任一网格的第一初始慢度为：
；（9）
则将任一网格单元的初始速度更新为：
；（10）
在本公开实施例中，在本轮的第一损失函数大于第三设定阈值的情况下，则可以将更新后的初始速度作为下一轮采用的初始速度。
6）若本轮的第一损失函数的取值未大于第三设定阈值，则可以停止对初始速度模型进行迭代反演，且可以将更新后的初始速度作为目标速度。
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三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。
由此，可以实现对初始速度模型中的初始速度更新为目标速度。
步骤2043，根据目标速度，获取目标探测区域在目标探测周期的目标速度反演图。
在本公开实施例中，可以根据目标探测区域中各网格单元的目标速度，获取目标探测区域在目标探测周期的目标速度反演图。
本公开实施例的探测煤岩体结构异常区的方法，通过针对目标探测周期，确定煤岩体的目标探测区域和至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量；其中，目标探测区域的一侧设置多个检波器、另一侧设置与各落锤式冲击震源对应的激发点； 控制各落锤式冲击震源在对应的目标震源能量下通过对应的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到从各激发点激发的地震波；从任一检波器获取在各激发点激发地震波的初至时间；根据各激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图。由此，一方面，采用落锤式冲击震源，可以稳定且周期性地激发地震波，可以实现对煤岩体结构的长时动态监测或探测，从而可以为相关工作人员提供煤岩体结构的动态变化的速度反演图，以辅助解决采矿工程中岩层控制的相关问题；另一方面，采用地震波层析成像方法，可以有效获取速度反演图和地震波在煤岩体中的速度分布。
与上述图1至图2实施例提供的探测煤岩体结构异常区的方法相对应，本公开还提供一种探测煤岩体结构异常区的装置，由于本公开实施例提供的探测煤岩体结构异常区的装置与上述图1至图2实施例提供的探测煤岩体结构异常区的方法相对应，因此在探测煤岩体结构异常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结构异常区的装置，在本公开实施例中不再详细描述。
图6为本公开实施例三所提供的探测煤岩体结构异常区的的装置的结构示意图。
如图6所示，该探测煤岩体结构异常区的装置600可以包括：第一获取模块601、第二获取模块602、第一确定模块603及第二确定模块604。
其中，第一获取模块601，用于获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度。
第二获取模块602，用于获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度。
第一确定模块603，用于根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元。
第二确定模块604，用于根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第一确定模块603，用于：针对任一网格单元，根据网格单元的各第一速度和目标速度，确定网格单元的波速变化趋势；响应于网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且目标速度大于第一设定阈值，确定网格单元为结构异常单元。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，该探测煤岩体结构异常区的装置600可以包括：
第三确定模块，用于响应于网格单元的波速变化趋势为先上升后下降趋势，且目标速度大于第二设定阈值，确定网格单元为结构异常单元；其中，第二设定阈值小于第一设定阈值。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，该探测煤岩体结构异常区的装置600可以包括：
更新模块，用于对目标探测周期之后的探测周期的周期时长进行更新。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第一获取模块601，用于：针对目标探测周期，确定煤岩体的目标探测区域和至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量；其中，目标探测区域的一侧设置多个检波器、另一侧设置与各落锤式冲击震源对应的激发点；控制各落锤式冲击震源在对应的目标震源能量下通过对应的激发点激发地震波，以使任一检波器接收到从各激发点激发的地震波；从任一检波器获取在各激发点激发地震波的初至时间；根据各激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，第一获取模块601，用于：建立初始速度模型，其中，目标探测区域中的各网格单元具有对应的初始速度；根据初始速度和初至时间，对初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将初始速度模型中初始速度更新为目标速度；根据目标速度，获取目标探测区域在目标探测周期的目标速度反演图。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，目标探测区域具有对应的煤炭探测深度；落锤式冲击震源包括发射器组件、控制组件、液压站、抽真空设备、高压氮气瓶、砧台以及配车；其中，发射器组件还包括气室、进气管、发射管、支座、控制阀；第一获取模块601，用于：获取目标探测区域的煤炭探测深度；针对任一落锤式冲击震源，根据煤炭探测深度，调整气室内气体压强、子弹直径及子弹长度，以得到目标震源能量。
本公开实施例的探测煤岩体结构异常区的装置，通过获取煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；获取任一网格单元在目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；根据各第一速度和目标速度，从各网络单元中确定结构异常单元；根据结构异常单元，在目标速度反演图中确定煤岩体在目标探测周期的结构异常区的范围。由此，可以实现基于地震波在煤岩体中的速度分布，有效且准确地确定煤岩体结构异常区的范围。
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结构异常区的方法。
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结构异常区的方法。
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结构异常区的方法。
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 (7)
1.一种探测煤岩体结构异常区的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，所述目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；
获取任一所述网格单元在所述目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；
根据各所述第一速度和所述目标速度，从所述各网格单元中确定结构异常单元；
根据所述结构异常单元，在所述目标速度反演图中确定所述煤岩体在所述目标探测周期的结构异常区的范围；
所述根据各所述第一速度和所述目标速度，从各所述网格单元中确定结构异常单元，包括：
针对任一所述网格单元，根据所述网格单元的各所述第一速度和所述目标速度，确定所述网格单元的波速变化趋势；
响应于所述网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且所述目标速度大于第一设定阈值，确定所述网格单元为结构异常单元；
所述获取所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图，包括：
针对目标探测周期，确定所述煤岩体的目标探测区域和至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量；其中，所述目标探测区域的一侧设置多个检波器、另一侧设置与各所述落锤式冲击震源对应的激发点；
控制各所述落锤式冲击震源在对应的目标震源能量下通过对应的激发点激发地震波，以使任一所述检波器接收到从各所述激发点激发的地震波；
从任一所述检波器获取在各所述激发点激发地震波的初至时间；
根据各所述激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；
所述根据各所述激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图，包括：
建立初始速度模型，其中，所述目标探测区域中的各网格单元具有对应的初始速度；
根据所述初始速度和所述初至时间，对所述初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将所述初始速度模型中所述初始速度更新为所述目标速度；
根据所述目标速度，获取所述目标探测区域在所述目标探测周期的目标速度反演图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
响应于所述网格单元的波速变化趋势为先上升后下降趋势，且所述目标速度大于第二设定阈值，确定所述网格单元为结构异常单元；其中，所述第二设定阈值小于所述第一设定阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述响应于所述网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且所述目标速度大于第一设定阈值，确定所述网格单元为结构异常单元之后，所述方法还包括：
对所述目标探测周期之后的探测周期的周期时长进行更新。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标探测区域具有对应的煤炭探测深度；所述落锤式冲击震源包括发射器组件、控制组件、液压站、抽真空设备、高压氮气瓶、砧台以及配车；其中，所述发射器组件还包括气室、进气管、发射管、支座、控制阀；
所述确定至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量，包括：
获取所述目标探测区域的煤炭探测深度；
针对任一所述落锤式冲击震源，根据所述煤炭探测深度，调整气室内气体压强、子弹直径及子弹长度，以得到所述目标震源能量。
5.一种探测煤岩体结构异常区的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；其中，所述目标速度反演图，用于指示目标探测区域内各网格单元中地震波传播的目标速度；
第二获取模块，用于获取任一所述网格单元在所述目标探测周期之前的至少一个探测周期中地震波传播的第一速度；
第一确定模块，用于根据各所述第一速度和所述目标速度，从所述各网格单元中确定结构异常单元；
第二确定模块，用于根据所述结构异常单元，在所述目标速度反演图中确定所述煤岩体在所述目标探测周期的结构异常区的范围；
所述根据各所述第一速度和所述目标速度，从各所述网格单元中确定结构异常单元，包括：
针对任一所述网格单元，根据所述网格单元的各所述第一速度和所述目标速度，确定所述网格单元的波速变化趋势；
响应于所述网格单元的波速变化趋势为上升趋势，且所述目标速度大于第一设定阈值，确定所述网格单元为结构异常单元；
所述获取所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图，包括：
针对目标探测周期，确定所述煤岩体的目标探测区域和至少一个落锤式冲击震源对应的目标震源能量；其中，所述目标探测区域的一侧设置多个检波器、另一侧设置与各所述落锤式冲击震源对应的激发点；
控制各所述落锤式冲击震源在对应的目标震源能量下通过对应的激发点激发地震波，以使任一所述检波器接收到从各所述激发点激发的地震波；
从任一所述检波器获取在各所述激发点激发地震波的初至时间；
根据各所述激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图；
所述根据各所述激发点激发地震波的初至时间，采用地震波层析成像方法，确定所述煤岩体在目标探测周期的目标速度反演图，包括：
建立初始速度模型，其中，所述目标探测区域中的各网格单元具有对应的初始速度；
根据所述初始速度和所述初至时间，对所述初始速度模型进行多轮迭代反演计算，以将所述初始速度模型中所述初始速度更新为所述目标速度；
根据所述目标速度，获取所述目标探测区域在所述目标探测周期的目标速度反演图。
6.一种电子设备，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 -4中任一所述的方法。
7.一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1-4中任一所述的方法。
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