一种煤矿采掘过程中的全方位槽波地震探测方法与流程

本发明属于煤矿巷道掘进的矿井安全技术领域，主要用于精确探测煤矿巷道掌子面前方的小断层、陷落柱、采空区及冲刷带等地质异常情况，具体涉及一种煤矿采掘过程中的全方位槽波地震探测方法。

背景技术：

煤田地面勘探阶段容易遗漏一些小构造，比如煤层中小断层、陷落柱等，这些小构造在煤田普查勘探甚至矿区详查阶段，无论是钻探或是其他地球物理方法，都很难发现，即使增加勘察精度，效果也不明显，而且增大地面勘探精度造成的成本增加巨大，煤层中存在的这些地质构造，如小断层、陷落柱及冲刷带，严重威胁着煤矿安全生产，尤其在煤矿巷道掘进阶段，由于无法提前探明煤层地质条件，煤层中存在的地质构造往往会引起塌方、冒顶、突水及瓦斯突出等生产事故，给煤矿生产造成巨大的经济损失，并严重危害煤矿人员的生命安全，在煤矿巷道掘进期间，提前探测出前方的地质构造分布情况，然后进行合理规划和治理工作，从而可保障煤矿安全生产是煤炭生产企业主要工作之一。

井下槽波是形成于煤层内的一种特殊地震波，槽波具有如下特点：槽波一些特征直接反映了煤层的结构特点；槽波的传播局限于煤槽内，携带了大量煤层内的地质信息；在实际井下地震勘探采集到的地震信号中，槽波具有较强的能量，信噪比高，本发明主要是利用井 下槽波地震勘探以便能够更有效的解决煤矿巷道掘进中的地质问题，从而有效的保障煤矿安全生产。

技术实现要素：

根据上述阐述，本发明的目的在于提供一种煤矿采掘过程中的全方位槽波地震探测方法。在煤矿井下煤层中的掘进巷道中，此方法可有效的、准确的在巷道掘进过程中连续探测巷道两侧煤层和掘进面前方地质构造，不影响掘进施工，在掘进完成的同时完成掘进面全方位的地质构造情况。

本发明提供如下的技术方案：

一种煤矿采掘过程中的全方位槽波地震探测方法，包括以下步骤：

步骤一、硬件连接与系统布置：在工作面的掘进巷道的左右侧帮、掘进掌子面布置检波器，各个检波器连接采集站，各采集站采用井下统一授时或地面GPS授时；

步骤二、数据采集：在巷道左右侧帮设置深度1—2m的孔洞，孔洞里放置检波器，对巷道掘进面工作时的炸药爆炸震动作为点震源并采集点震源数据；

步骤三、地震数据预处理：对采集的地震数据进行数据格式转换和解编，并在建立观测系统后，并置入数据道头，进行道编辑，以去除坏道；

步骤四、数据处理分析和偏移成像：首先，对地震数据进行频谱分析、时频分析及极化分析，以获得地震信号的频率、能量和极化等 特征参数；其次，对地震数据进行振幅补偿、滤波，以提高数据信噪比；然后，采用τ-ρ变换和F-K变换进行不同反射波的分离和P波与S波的波场分离；最终，对处理后的地震数据进行速度分析，以确定速度模型，再进行叠前偏移成像，以获得3D偏移成像结果图；

步骤五、综合地质解释：结合已有地质资料，根据偏移成像图，开展地震地质解释，解释出不同的反射界面对应的不同的地层界面，最终，分析得出巷道前方及两侧探测范围内的地质构造的空间分布情况。

步骤一中，采集站采用分布式采集站，采用井下恒温晶振走时的方式。

步骤一中，采集站采用集中式采集站，采用线同步的方式保持时间同步。

步骤二中，检波器道间距大于5米，如果震源过少，在巷道左右侧帮钻孔放置炸药，炸药爆炸激发的地震波传播至工作面深处。

本发明采用全方位槽波探测方法能及时预测左右侧工作面和掘进面前方的煤层赋存、地质构造和应力压力等情况，为掘进和回采提供地质参数和建议，可以有效的控制煤矿地质灾害，减少因地质原因引起的人员伤亡，为煤矿安全保驾护航，采用本发明，每次可以在巷道左右侧帮探测距离可达100-300米，掘进面前方可达100米，在掘进过程中可大量节省探测次数，提高探测效率。

本发明与现有技术相比，本发明的优点有：

1、全方位槽波探测方法能及时预测左右侧工作面和掘进面前方 的煤层赋存、地质构造和应力压力等情况，为掘进和回采提供地质参数和建议，可以有效的控制煤矿地质灾害，减少因地质原因引起的人员伤亡，为煤矿安全保驾护航。

2、采用本发明方法，每次可以在巷道左右侧帮探测距离可达100-300米，掘进面前方可达100米，在掘进过程中可大量节省探测次数，提高探测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为煤矿井下随掘全方位地震探测方法原理示意图；

图2为3D含巷道超前探测模型Z＝30m时XY切片示意图；

图3为3D含巷道超前探测模型中测线(X＝40m，Z＝30m)的三分量地震剖面图及提取的反射纵波地震剖面图，其中图3a为x量地震剖面图，图3b为Y分量地震剖面图，图3c为z分量地震剖面图，图3d为提取的反射纵波。

图4为反射纵波的3D叠前偏移成像图；

图5为反射纵波的3D叠前偏移成像的XY(Z＝30m)平面图。

1、反射波示意；2、炮点；3、检波器；4、断层；5、煤体；6、巷道；7、地层一；8、地层二；9、地震测线。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实施例为一个典型的巷道超前探测3D模型，模型中含有1个巷道，巷道掌子面前方存在一个垂直断层，断层2侧为不同地层岩石。在模型中的巷道2侧布置地震测线，如图2所示的地层一与地层二具体位置，通过基于3D弹性波动方程数值模拟，可获得测线位置的3分量地震记录，以用于后续的数据处理和成像方法的说明。3D超前探测模型的物性参数具体如下表所示。

表1巷道超前探测模型物性参数

应用本发明提出的全方位地震探测方法，其具体可通过以下步骤实现：

步骤1：数据采集：采用在3D典型地质地球物理模型中进行数值模拟得到相应的地震记录数据，其等同于实际井下按照观测系统采集得到的实际地震数据。

在煤矿井下巷道的左右侧帮布置深度约1-2m的钻孔，钻孔内放置气囊式检波器；炮点采用在钻孔深度约2m的孔中埋置约100-200g 炸药；以炸药爆炸为震源来采集地震波数据。

步骤2：地震数据预处理：首先，将原始地震数据进行数据解编和格式转换；再者，根据井下实际观测系统布置，建立观测系统，并置入数据道头；最后，进行道编辑，以去除坏道。

步骤3：数据处理分析和偏移成像：首先，对地震数据进行频谱分析、时频分析及极化分析，以获得地震信号的频率、能量和极化等特征参数；其次，对地震数据进行振幅补偿、滤波，以提高数据信噪比；然后，如图3中图3a—图3d所示，采用τ-ρ变换和F-K变换进行不同反射波的分离和P波与S波的波场分离；最终，对处理后的地震数据进行速度分析，以确定速度模型，再进行叠前偏移成像，如图4所示，以获得3D偏移成像结果图。

步骤4：综合地质解释：如图4和5所示，结合已有地质资料和步骤3中处理得到的3D偏移成像图，开展地震地质解释工作。最终，解释出3D偏移成像图中的不同反射界面对应的不同的地层界面，从而可分析出巷道前方和两侧探测范围内的地质构造的空间分布情况。

步骤3中所陈述的具体方法中的关键的克希霍夫叠前偏移算法的数学原理具体如下：

克希霍夫积分法偏移是实际地震数据成像处理中经常使用的偏移方法。实现方法上，它类似于射线偏移方法中的绕射扫描叠加；理论上，在一定程度上等价于f-k域波动方程偏移(丁仁伟，2008)。

纵波齐次波动方程积分解为：

式中Q——扰动区内的闭合曲面；

n——Q的外法线；

[]——延迟位，

r——p(x_p,y_p,z_p)至Q上各点的距离；

u(x_p,y_p,z_p,t)——Q内某点p(x_p,y_p,z_p)在t时刻的波场函数值。

当p(x_p,y_p,z_p)位于Q之外时，有

因为式(1-1)中出现了为简化公式，需要消掉该内容。

首先Q分别由地面Q₀和Q₁两部分组成，其中Q₁为球面部分，且球面的半径趋向于无穷大。所以Q₁的曲面积分对于p(x_p,y_p,z_p)点的波场函数的贡献为零，所以式(1-1)可以改写为

此外，由于z轴方向与外法线方向n相反，所以式(1-1)可以改写为：

设p^*是p(x_p,y_p,z_p)关于Q₀的镜像点，它的坐标为(x_p,y_p,-z_p)由式(1-2)可得

其中r^*是p^*至Q₀上各点的距离，在Q₀上，容易得到

将式(1-6)带入式(1-5)中，得到

将式(1-4)与式(1-7)相加，得到

式(1-8)便为半空间上的克希霍夫积分公式，式(1-8)中不再出现项了。

在远场的情况下，1/r²＝1/r式(1-8)近似为

设r与界面外法线的夹角为则

式(1-9)可改写为

当处于远场情况下，波前面可以被认为是平面，所以， 则将上式带入式(1-9)中，得到式(1-12)：

获得地震记录的逆过程便是地震数据的偏移处理，现在我们已经获得地表记录的地震波场，要求得到反射界面作为二次震源的空间位置。

如果式中u(x_p,y_p,z_p,t)满足波动方程，当将t改变为_-t，则 u(x_p,y_p,z_p,-t)仍满足波动方程。根据爆炸反射面成像原理，地表的地震记录是反射面上各点同一时刻激发上行波得到的地表的地震波场，所以我们可以把地面上的接收点当作二次震源，按时间将地表的地震波场“倒退”到初始状态，寻找反射面的波场函数，以便获得反射面。从能量的角度来看，也就是把界面反射上去、分步在各记录道上的能量，重新汇聚在反射界面上，来显示反射界面的空间位置。

因此，根据零炮检距地震记录向下延拓计算地下各点地震波场的克希霍夫积分公式可以表示为

其中

由于偏移成像是地震波场传播的逆过程，所以式(1-13)中的 取在远场情况下，克希霍夫积分法偏移公式可以表示为

分析上式可以看出克希霍夫积分偏移在方法上也是沿绕射双曲线进行能量叠加，不过克希霍夫偏移考虑了地震波的波动特性。可以将上式分为两部分W和T：

其中W表示地震道每道的振幅加权值，T代表的是沿绕射曲线的叠加。

通过上述方法处理计算典型超前探测模型中的地震记录数据后，可获得图4和5所示的反射界面成像结果图。从图4和图5可知，仅利用测线1(X＝40m，Z＝30m)上所记录的地震数据便可以有效的成像出地层界面R1。再者，对比图5中X-Y水平切片和图2理论地质模型可知，成像结果的地层界面空间位置准确。

上述实施例中以超前探测巷道前方断层为例进行了具体实施方式的详细阐述。对于对巷道2侧的地震探测可按照反射地震方法来处理。地层中存在的断层和侵入岩等和煤层煤体中存在的断层、陷落柱、采空区及侵入岩等对地震波场传播产生的响应特征是等价的，因此，本发明方法同样可以直接应用于有效的探测断层、陷落柱、采空区及侵入岩等地质异常。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。