一种计算槽波地震数据激发延迟时间的方法与流程

本发明涉及槽波地震数据处理领域，具体涉及一种计算槽波地震数据激发延迟时间的方法。

背景技术：

自从德国dmt公司2010年将summit槽波地震仪引入中国后，槽波勘探技术再次引起煤矿广泛关注，在煤层厚度和断层构造等方面取得很好的探测效果。地震数据采集是槽波勘探最基础，也是最重要的环节，采集数据时，需要用雷管引爆安置在巷道煤层钻孔中的炸药，爆炸产生振动，形成地震波在煤层中传播，被煤层中检波器接收并记录下来。在雷管瞬时激发引爆炸药的同时，槽波地震仪立即开始启动，记录下来的信号能够准确反映地震波在煤层中传播的时间；当雷管并不是瞬时起爆，有一定延迟时间，则槽波地震仪记录的信号传播时间比真实时间要长，这会对后期的资料处理造成错误结果。因此，当所用雷管不是瞬时起爆，必须确定激发延迟时间，以便对地震数据进行延迟校正。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种计算槽波地震数据激发延迟时间的方法，用以解决现有技术无法计算震源激发延迟时间导致不能对地震数据进行延迟校正的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种计算槽波地震数据激发延迟时间的方法，包括以下步骤：

采集槽波地震数据并拾取所述槽波地震数据中的初始折射波数据；

利用坐标旋转和波场分离技术对所述初始折射波数据进行拾取，获得精确折射波数据；

在所述精确折射波数据中拾取设定数量的数据点，每个所述数据点包括折射波的旅行时和对应的炮检距；

对所述数据点进行拟合计算得到围岩速度和截距；

根据所述围岩速度和截距计算得到延迟时间。

进一步的，所述延迟时间δt的计算公式为：

其中，vw是围岩速度，c是截距，n为所述设定数量，ti、di和wi分别为第i个所述数据点对应的旅行时、炮检距和数据权值。

进一步的，所述计算围岩速度和截距的公式为：

其中，和分别为n个所述数据点对应的n个炮检距数据的平均值和n个旅行时的平均值。

进一步的，对所述围岩速度和截距进行处理得到折射波时距曲线，计算公式为：

其中，tc为所述折射波时距曲线，d为炮检距，c为截距。

进一步的，使用透射法或者折射法获取所述槽波地震数据。

进一步的，将所述延迟时间与不同类型的标准延期时间比较，得到对应的校正时间。

进一步的，所述标准延期时间分为一段0毫秒、二段25毫秒、三段50毫秒、四段75毫秒和五段100毫秒共五个类型。

本发明的有益效果是：通过槽波地震数据中折射波的传播特征，将折射波拾取出来并选取相应的数据点，根据选取的数据点从而计算得到震源激发延迟时间。本发明可以准确得到震源的激发延迟时间，为延迟校正提供了依据。

同时本发明设定了不同类型的标准延期时间，将延迟时间与标准延期时间进行比较，进而得到对应的校正时间。

附图说明

图1是煤层激发产生的地震波类型；

图2是典型槽波地震炮集记录图；

图3是煤层折射波传播剖面示意图；

图4是透射法煤层折射波平面示意图；

图5是反射法煤层折射波平面示意图；

图6是波场分离后的折射波信号图；

图7是瞬时激发与延时激发的折射波时距曲线图；

图8是本发明实施例的槽波数据采集观测系统图；

图9是本发明实施例的地震槽波炮集中拾取的折射波数据图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

《煤矿安全规程》中明确规定，为防止煤矿瓦斯和煤尘爆炸危险，在矿井采掘工作面放炮，必须使用煤矿许用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管起爆。瞬发电雷管在电能作用下，从通电到起爆时间不大于130ms，一般为40-70ms，瞬时起爆的均一性取决于电雷管内的全电阻和桥丝电阻；毫秒延期电雷管的迟发间隔时间通过调整雷管内缓燃剂的化学成份和数量得到。

增加雷管激发延迟时间，使延时小于点燃瓦斯的爆炸时间，可以防止放炮引起的瓦斯事故。因此，目前国内煤矿多数采用毫秒延期电雷管，共有五种类型，分别为一段、二段、三段、四段和五段，对应延迟时间为0、25、50、75和100毫秒。并且规定煤矿用电雷管总延期时间不能大于130ms(即不能使用大于五段的电雷管)。在进行槽波地震数据采集时，如果混合使用不同段的延期电雷管，将会出现激发延迟现象，必须进行延迟校正。

如图1所示，包括震源和检波器，在雷管引爆煤层中炸药后，由于煤层和围岩的波阻抗夹层组合，在煤层中产生多种类型地震波，包括槽波、直达波、透射波、滑行波和折射波等。煤矿生产上主要利用槽波，采用透射法或反射法的观测系统进行数据采集，通过分析槽波频散或者包络特征进行地质勘探。对于其它类型地震波均为干扰波，研究程度相对较弱。

检波器采集得到的典型槽波地震炮集记录如图2所示，其中左半边地震道数据为检波器记录的x分量，右半边地震道数据为对应检波器接收到的y分量，炮集记录中能够明显识别出三个波组，依据地震波传播原理，可知折射波传播时间最短，检波器最先接收到的初至波就是是折射波，对应波组①，而槽波转播速度最慢，时间最长，最后被记录，也就是图中波组③。

如图3所示，由于折射波传播速度最快，地震信号最先起跳，从地震记录中识别最容易，本次发明主要利用折射波的传播规律进行震源延迟时间的计算。当雷管引爆炸药，激发产生地震波，入射角度达到临界角后，地震波将会沿着煤层和围岩的分界面传播，形成滑行波，根据惠更斯原理，滑行波传播过程中，将会形成折射波返回煤层，被煤层中检波器所接收，所以，折射波在煤层中传播路径为图中所示oabr；图中还包括煤厚h、围岩速度vw、煤层速度vc、炮检距d和临界角θ。

如图4所示为透射法采集地震数据的示意图。透射法采集方式是将炮点和检波器布置在工作面不同巷道内，接收工作面内的透射地震信号，常用于对煤层厚度进行探测。采集得到的炮集地震记录中，由于震源和检波器不在一条直线上，槽波地震炮集记录中(如图2所示)横轴并不表示炮检距d，而是震源o在检波器排列线上的投影o’与检波器r之间的距离x。

因此，槽波地震炮集记录中折射波的传播时间与传播距离，也就是时距关系为：

公式中vw、vc分别为围岩速度和煤层速度，h为煤层厚度，l为工作面宽度，d为震源到检波器距离，c是由煤层厚度、煤层速度和围岩速度确定的常数，由于震源和检波器排列不在一条直线上，槽波地震炮集记录中的折射波时距曲线和地面地震勘探中折射波时距曲线特征不同，表现为双曲线形态，双曲线的顶点即最小值位于震源在检波器排列线上的投影处，随着x增大，双曲线变陡，围岩速度越大，曲线越缓。

图5所示是反射法采集地震数据的示意图。反射法采集方式是将炮点和检波器布置在矿井同一巷道内，排列方式与常规地面地震勘探数据采集方式类似，接收来自工作面内的反射地震信号，适用于对煤层内地质构造(断层、陷落柱等)进行探测，对应折射波时距方程为：

公式中变量含义与折射波时距公式(1)中变量一致。可以看出，由于反射法中震源和检波器排列在一条直线上，槽波地震炮集记录中折射波时距曲线为直线，与常规地面勘探中折射波时距曲线特征一致。

采集的槽波地震数据中，包含多种类型地震波，为提高分析精度，需要准确提取出其中的折射波信号。提取槽波地震数据中的折射波共包含两个步骤，一是进行坐标旋转；二是进行波场分离。以目前煤矿使用较多的德国summit槽波地震仪为例进行说明，该仪器采用水平双分量检波器，垂直于煤壁水平安置在巷道煤层中。由于各检波器x分量和y分量接收到的信号传播方向不统一，在两个分量上均记录有折射波信号(如图2)，这就需要进行坐标旋转，将x和y分量校正到水平平行波传播方向和水平垂直波传播方向。为获得坐标旋转角度θ，依据纵波质点振动方向与波传播方向一致，也就是纵波在波传播方向能量最大，在波传播垂直方向能量最小的特点，可求得旋转角度θ为：

公式中xi、yi分别为槽波地震炮集中折射波数据点在x分量和y分量上记录的数据，n为拾取的折射波信号数据点个数。

首先进行第一次折射波旅行时拾取，分别在x分量和y分量上确定折射波旅行时的起始和终止位置，依据公式(3)计算需要旋转的角度。经过坐标旋转后，原x分量存储水平平行分量，记录水平面内波振动方向与传播方向相同的地震信号；原y分量存储水平垂直分量，记录水平面内波振动方向和传播方向垂直的地震信号。

然后采用基于s变换的自适应协方差矩阵极化分析方法进行折射波提取，通过得到的矩阵特征值和特征向量计算极化滤波器中椭圆率和方位角参数，由于噪音等干扰，设定椭圆率小于某一特定值(如0.2)时近似认为线性极化，方位角在0°到45°之间，近似认为平行波传播方向，分离得到的信号近似认为是线性极化，且振动方向与波传播方向平行，即折射波，结果如图6所示。由于折射纵波(波组①)振动方向与传播方向一致，在水平平行分量上，折射纵波能量最强，同相轴清晰明显，而在水平垂直分量上，初至折射纵波(波组①)能量最弱，几乎看不到。这与折射波的传播规律一致，说明该方法提取的折射波准确可信。

通过槽波地震数据中折射波的时距特征，可以看出不管是采用透射法还是反射法观测系统，折射波时距曲线为一条不过原点的直线，其斜率为围岩速度vw，截距为由煤层厚度、煤层速度和围岩速度确定的常数c。只要知道vw和c就可确定折射波的时距曲线特征。但不同的采集方式得到的地震炮集记录中，横轴含义不同。在反射法中，横轴与常规地面地震勘探得到的地震炮集记录含义相同，折射波表现为一条直线；在透射法中，横轴为震源在检波器排列方向上的投影，炮集记录中折射波表现为一条双曲线。

在提取的水平平行分量地震炮集记录上，进行第二次折射波旅行时拾取(图6中红色短线)，假定拾取了n组折射波旅行时数据(t1，d1)，(t2，d2)，…，(tn，dn)。通过误差最小平方和确定最佳匹配函数，利用最小二乘法拟合槽波地震炮集中折射波时距曲线，经过推导具体公式为：

公式中ti和di分别为炮集中拾取折射波的旅行时和炮检距，和为n个旅行时和炮检距数据的平均值。由此可得到围岩速度vw和截距c，即可确定对应折射波的时距曲线。

当采用毫秒延期电雷管起爆炸药时，从槽波地震仪器开始记录到炸药起爆有一定时间延迟。由上述折射波时距特征可以看出，雷管延时激发采集的地震炮集记录中，折射波时距曲线的斜率为围岩速度，保持不变，只是传播时间滞后一段时间。因此，震源延时激发产生的折射波与瞬时激发产生的折射波在时距曲线上表现为截距不同的平行直线，如图7所示。

因此，毫秒延期电雷管激发延迟时间为折射波时距曲线与瞬时激发折射波时距曲线之间的水平距离。只要确定瞬时激发对应的折射波时距曲线，那么雷管延时激发的延时时间δt为：

公式中wi为数据权值，根据拾取初至波旅行时数据点的可信度人为设定，数值在0到1之间，数据点越可信，数值越接近1。ti和di分别为延时激发采集炮集中地震道拾取折射波的旅行时和炮检距，vw和c为瞬时激发炮集中折射波时距曲线拟合得到的围岩速度和截距，n为拾取初至波数据点的个数。

考虑到拾取折射波旅行时数据点的人工误差，以及仪器计时、雷管质量等误差，对计算得到雷管延时结果进行校正，如表1所示，当延时δt小于25ms时，认为采用一段延期雷管激发，不进行校正；当延时δt大于25ms且小于50ms时，认为采用两段延期雷管激发，延时校正为25ms；当延时δt大于50ms且小于75ms时，认为采用三段延期雷管激发，延时校正为50ms；当延时δt大于75ms且小于100ms时，认为采用四段延期雷管激发，延时校正为75ms；当延时δt大于100ms，认为采用五段延期雷管激发，延时校正为100ms。如果延时δt大于130ms时，则认为计算结果有问题。

表1震源激发延时校正

下面给出一个具体的实施例来说明本发明所述方法。

某煤矿工作面进行槽波地震数据采集，设置震源48炮，检波器47道，采用透射法进行勘探，观测系统排列见图8。在施工过程中，由于放炮人员没有严格遵循施工要求，以及客观条件限制等因素，震源激发混合使用了不同段的雷管，造成采集数据存在激发延迟现象，需要确定炮集记录对应的延迟时间。

在采集的槽波地震炮集记录中，首先在x分量和y分量上进行第一次折射波旅行时数据拾取，拾取时不需要精准确定折射波的起始和终止点位置，只要包含折射波即可，依据公式(3)获得旋转角度，进行坐标旋转，将地震波信号校正到平行波传播分量和垂直分量上。

然后利用基于s变换的自适应协方差矩阵极化分析方法提取折射波，在水平平行分量上进行第二次折射波旅行时提取。拾取过程中，只需要拾取折射波最清晰，不存在争议的地震道，需要注意透射法采集炮集记录中折射波旅行时表现为双曲线特征。在时间炮检距图中显示拾取的折射波旅行时数据，如图9所示，相同颜色的数据点为同一炮拾取的折射波旅行时。

从数据分布特征可以明显看出，槽波炮集中部分炮集记录明显存在激发延迟现象。越靠近左侧则激发延时时间越短，因此一般选取最左侧的数据点作为瞬时激发的(延时为0ms)基准，本实施例中从最左侧折射波旅行时数据中，选择位于中间位置的第3炮激发的折射波旅行时作为基准，认为该炮为瞬时激发或一段雷管激发(延时为0ms)，依据公式(4)和(5)，拟合出折射波时距曲线对应的围岩速度和截距，并相应得到煤矿现用五种类型毫秒延期电雷管激发方式中另外四种激发方式所对应的折射波时距曲线，如图9中直线所示，分别对应延迟时间为0ms、25ms、50ms、75ms和100ms。通过公式(6)分别计算各炮的激发延迟时间，经过计算发现第12、13、15、16、28炮的延时δt分别为77ms、82ms、79ms、80ms、83ms。依据表1校正数据，最终认定第12、13、15、16、28炮采用的是四段延期雷管激发，需要进行75ms延迟校正处理。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，通过分析槽波地震数据中折射波的传播特征，将折射波拾取出来并选取相应的数据点，根据选取的数据点从而计算得到震源激发延迟时间，同时设定了不同类型的标准延期时间，将延迟时间与标准延期时间进行比较，进而得到对应的校正时间。

但本发明不局限于所描述的实施方式，例如采集槽波地震数据时方法的具体选取，或者拾取折射波时的具体手段的改变，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。