一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，先布设工作面透射地震观测系统，然后进行激发点激发及接收点的接收地震波过程，进而根据获得的数据能建立工作面三维散射成像模型，接着将模型网格化，然后分别计算各个网格的主极化方向能量，进而能依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量，并将每个网格获得的所有不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E

【技术实现步骤摘要】
一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，属于地震透射槽波勘探


技术介绍

[0002]矿井水害是长期以来制约我国煤矿安全开釆的主要灾害之一。近年来，导水通道(岩溶陷落柱、断层、裂隙带、老窑井巷及采空区等)导致的煤矿水害事故频发，给安全生产和人民生命财产带来的损失极为惨重。其中煤层下伏陷落柱为仍处在发育期且未塌陷至煤层的一类陷落柱，它具有压实胶结程度差、导水性较强、隐蔽性高的特点，是煤矿工作面重大突水的主要灾害源，近年来多次造成煤矿突水淹井的重特大事故。因此，在工作面回采前准确查明煤层下伏陷落柱这一关键性隐蔽致灾要素是保障煤矿安全高效生产的重大需求。
[0003]由于受到地表条件限制以及上组煤采空区和煤层顶界面等的影响，煤田三维地震难以准确探明煤层下伏陷落柱。在矿井物探中，地震透射槽波勘探和无线电坑透技术是回采工作面探查的主要技术，但由于煤层下伏陷落柱位于煤层底板以下，未破坏煤层，在工作面巷道有限垂直空间观测的沿煤层传播的槽波和无线电波均难以响应底板深部岩体信息，从而无法对煤层底板以下的下伏陷落柱进行有效探测，无法保障煤矿安全高效生产，因此，如何提供一种方法，能实现对煤层底板下方的下伏陷落柱的精确探测，是矿井地震行业亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，无需额外增加探测设备，通过工作面透射地震观测即能实现对煤层底板下方的下伏陷落柱的精确探测。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，具体步骤为：
[0006]步骤一：将工作面回采方向定义为X，工作面切眼方向定义为Y，垂直于顶底板方向定义为Z，建立工作面XYZ坐标系；工作面的皮带巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个接收点，多个接收点等间距设置且处于同一直线上；每个接收点均设有三分量检波器，各个三分量检波器与地震仪连接，工作面的轨道巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个激发点，多个激发点等间距设置且处于同一直线上，各个激发点均设有震源，各个接收点和各个激发点处于同一水平面，完成工作面透射地震观测系统的布设工作；
[0007]步骤二：多个激发点上的震源依次激发，各个接收点上的三分量检波器分别接收各个震源的地震波信号(即每个激发点激发地震波时各个接收点上的三分量检波器均接收一次地震波信号)，并传递给地震仪记录分析后，获得工作面三维散射成像模型，成像模型的坐标系与工作面XYZ一致，其中Z＝0代表煤层底板0m处，X和Y分别代表在工作面走向和宽度方向的位置，将工作面XYZ空间进行网格化，形成分别在三个方向上以ΔX、ΔY和ΔZ为间
隔的共m
×
n
×
d个网格；
[0008]步骤三：设某一网格存在陷落柱散射点，背景速度为v
i
，则能计算该网格到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t
i
及传播路径向量此时由传播路径方向确定理论上P、SV和SH波的偏振方向，即向量和
[0009]步骤四、利用基于小波变换的自适应协方差极化分析方法计算各个检波点接收各个激发点信号中所有t
i
时刻的三分量信号主极化方向并将X、Y和Z三个分量相应时刻的能量合成至主极化方向上，形成主极化方向能量E
i
；
[0010]步骤五：设定背景速度取值区间[v
min
,v
max
]，背景速度取值间隔Δv，利用不同的背景速度v1,v2……
v
n
获取某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t1,t2……
t
n
对应的主极化方向能量E1,E2……
E
n
，其中最大值E
max
即为此网格散射点的主极化方向能量，由此能根据此时主极化方向和理论上P、SV和SH波的偏振方向和间的夹角提取相应不同类型波的能量，分别记为E
pi
、E
shi
和E
svi
；
[0011]步骤六：重复步骤五依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量(即对同一网格分别获得在各个激发点和检波点之间的不同类型波能量)，并将每个网格获得的所有不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E
ptol
、E
shtol
和E
svtol
；
[0012]步骤七：将步骤六获得的网格不同类型散射波能量E
ptol
、E
shtol
和E
svtol
分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测。
[0013]进一步，相邻接收点之间的距离为10m；相邻激发点之间的距离为10m。
[0014]进一步，所述步骤三具体为：
[0015]设网格中心点坐标为(X
i
，Y
i
，Z
i
)，激发点坐标为(x
si
，y
si
，z
si
)和接收点坐标为(x
ri
，y
ri
，z
ri
)，则散射波旅行时t
i
为：
[0016][0017]则传播路径为：
[0018]由地震波偏振理论得出，向量平行于传播路径平行于传播路径垂直于激发点和接收点所在平面且与传播路径垂直，位于激发点和接收点所在平面内且与传播路径垂直，因此，根据空间向量计算法能依次求取向量和
[0019]进一步，所述步骤四具体为：
[0020](1)采用Morlet小波对三分量信号进行小波变换，并进行自适应协方差矩阵极化分析，得出矩阵M存在3个特征值，且λ1＞λ2＞λ3，及相应的特征向量(v
ix
，v
iy
，v
iz
，i＝1,2,3)，由此能计算信号：
[0021]主极化方向
[0022]倾角
[0023]方位角α
i
＝arctan(v
1y
/v
1x
)
[0024](2)主极化方向能量E
i
的计算：
[0025]将三分量地震信号的振幅取平方能获得其相应的能量，分别为E
x
、E
y
和E
z
，将三个方向能量合成至主极化方向上，得到：
[0026]E
i
＝E
x
cosα
i
cosδ
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，具体步骤为：步骤一：将工作面回采方向定义为X，工作面切眼方向定义为Y，垂直于顶底板方向定义为Z，建立工作面XYZ坐标系；工作面的皮带巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个接收点，多个接收点等间距设置且处于同一直线上；每个接收点均设有三分量检波器，各个三分量检波器与地震仪连接，工作面的轨道巷在靠近工作面一侧的侧帮上布设多个激发点，多个激发点等间距设置且处于同一直线上，各个激发点均设有震源，各个接收点和各个激发点处于同一水平面，完成工作面透射地震观测系统的布设工作；步骤二：多个激发点上的震源依次激发，各个接收点上的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分析后，获得工作面三维散射成像模型，成像模型的坐标系与工作面XYZ一致，其中Z＝0代表煤层底板0m处，X和Y分别代表在工作面走向和宽度方向的位置，将工作面XYZ空间进行网格化，形成分别在三个方向上以ΔX、ΔY和ΔZ为间隔的共m
×
n
×
d个网格；步骤三：设某一网格存在陷落柱散射点，背景速度为v
i
，则能计算该网格到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t
i
及传播路径向量此时由传播路径方向确定理论上P、SV和SH波的偏振方向，即向量和步骤四、利用基于小波变换的自适应协方差极化分析方法计算各个检波点接收各个激发点信号中所有t
i
时刻的三分量信号主极化方向并将X、Y和Z三个分量相应时刻的能量合成至主极化方向上，形成主极化方向能量E
i
；步骤五：设定背景速度取值区间[v
min
,v
max
]，背景速度取值间隔Δv，利用不同的背景速度v1,v2……
v
n
获取某一网格散射点到某一激发点和检波点之间的散射波旅行时t1,t2……
t
n
对应的主极化方向能量E1,E2……
E
n
，其中最大值E
max
即为此网格散射点的主极化方向能量，由此能根据此时主极化方向和理论上P、SV和SH波的偏振方向和间的夹角提取相应不同类型波的能量，分别记为E
pi
、E
shi
和E
svi
；步骤六：重复步骤五依次计算每个网格在所有激发点和检波点之间的不同类型波能量，并将每个网格获得的不同类型波能量进行同类波直接叠加，获得每个网格叠加后的E
ptol
、E
shtol
和E
svtol
；步骤七：将步骤六获得的网格不同类型散射波能量E
ptol
、E
shtol
和E
svtol
分别放置于P波成像模型、SH波成像模型和SV波成像模型，分别形成工作面底板的P波、SH波和SV波的三维成像，最终根据各个三维成像能对煤层下伏陷落柱的位置进行精确探测。2.根据权利要求1所述的一种基于工作面透射地震观测的煤层下伏陷落柱探测方法，其特征在于，相邻接收点之...

【专利技术属性】
技术研发人员：章俊，李纯阳，方金伟，刘盛东，任川，萧文浩，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：