专利名称：断层探查装置以及断层探查方法
技术领域：
本发明作为煤矿中的瓦斯突出防止对策的一环，涉及一种装置以及方法，其通过在煤矿坑内进行煤矿开采之前人工地向煤层内激发弹性波，由振动传感器对该弹性波的传播和反射进行测量，以确定作为瓦斯突出发生原因的煤层内断层的位置，由此而得以事先实施用以确保煤矿开采时的安全的瓦斯突出防止对策。
背景技术：
图19是含有煤层内断层的煤矿的垂直截面图。如图19所示，在煤矿中的煤层内断层中积蓄巨大的地压和煤层内甲烷气体，在对煤层内断层区域进行开采时，由于巨大的地压和煤层内气体压力的释放而产生甲烷气体和破碎的岩石组向已被开采过的空间突然喷出的现象。该现象即是瓦斯突出。瓦斯突出会导致大量人员因窒息或伴随着瓦斯突出的瓦斯爆炸而失去生命。因此，需要在开采前准确地预测作为瓦斯突出成因的煤层内断层的存在，并在开采前通过排出瓦斯等来释放地压和煤层内气体压力。然而，作为瓦斯突出成因的煤层内断层大部分都是从地表探查难以发现的小的断层。以往，在煤矿坑内通过弹性波的传播和反射进行的断层探查技术中，例如有非专利文献1所示的断层探查技术。即是如下方法，通过多个振动传感器对由设置在露出的煤矿内坑道的煤层内的炸药等的振动激发器而被激发、并在煤层内传播的振动波信号进行测量，根据该波形信号的振幅、相位的变化对振动波中的断层面的反射波进行判别，并利用各振动传感器对该反射波的接收时间差求出煤层内断层的位置。此时，有时通过一次的振荡和其接收信号不能明确地确定断层的位置，可能要通过二次或者更多次的振荡以煤层内传播波形信号来确定断层的位置。现有专利文献非专利文献非专利文献1 Arnetzl，h. h.，等、“关于煤层内弹性波的应用的理论和粒子行为的吸收的研究”，第51次SEG国际会议1981年洛杉矶大会。
发明内容
发明要解决的技术问题来自设置在煤层内的炸药等的振动激发器的弹性波信号是包含宽频带频率的振动信号，又，在密度P和弹性波速度V不同的无限三层结构的中间层传播，因此通过上下岩石层的反射和干涉产生波的分散，振幅、相位反复较大的变化而传播。因此，在像非专利文献1所公开的那样，提出反射波信号然后根据该相位差信息计算出煤层内断层的位置的情况下，在振动波信号的广域频率范围内振幅和相位发生变化，因此位置的确定会产生较大的误差。因此，本发明着眼于上述现有技术中所未解决的问题，其目的在于，提供一种可以准确地确定煤层内断层位置的断层探查装置以及断层探查方法。解决问题的技术手段〔发明1〕为了达成上述目的，发明1的断层探查装置，是对于比第一层密度小的第二层夹在两个所述第一层之间的地质构造，在所述第二层内由振动激发器激发并在所述第二层内传播的振动波形信号根据费马原理产生分散现象而成为通道波的装置，发明1的断层探查装置根据分散波动方程式计算出所述通道波的各频率下的相位速度以及群速度，将该群速度曲线中的最小群速度作为使用于第二层内断层探查的探查用通道波的传播速度。〔发明2〕进一步地，发明2的断层探查装置是在发明1的断层探查装置中，在仅距所述振动激发器一定的距离的同一所述第二层内，通过以所述通道波的前进方向为X轴、 所述通道波的水平方向为Y轴、所述通道波的深度方向为Z轴而设置的多个三轴振动传感器对所述通道波进行测量，并将得到的受波信号量子化之后进行FFT处理，根据所述FFT处理的结果求出振幅变化大的频率范围，通过在所得到的频率范围进行带通滤波处理提取表示所述探查用通道波的探查用通道波信号，并包含所提取的探查用通道波信号的频率、相位以及振幅这三个因子地计算出每个规定时间的重叠包络线，基于计算出的重叠包络线， 根据所述探查用通道波在每个规定时间的振动能量的变化，确定所述通道波透射所述第二层内断层而得到的透射通道波、或者所述通道波在所述第二层内断层反射而得到的反射通道波在所述第二层内的传播状态以及在所述第二层内断层处的衍射或者反射的现象。〔发明3〕进一步地，发明3的断层探查装置是在发明2的断层探查装置中，根据所述三轴振动传感器的设置位置数据以及所述探查用通道波信号通过极性试验确定X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面中每个规定时间的振动粒子的行为。〔发明4〕进一步地，发明4的断层探查装置是在发明3的断层探查装置中，根据所述透射通道波或者所述反射通道波的X、Y、Z轴成分的振幅时间变化，求出所述探查用通道波信号的传播状态以及衍射或者反射的发生时间，使所述振动激发器和所述三轴振动传感器的设置位置以及所述重叠包络线的波形信号相关，将所述传播状态以及所述发生时间乘以所述最小群速度，将该信号时间轴变换为X-Y平面上的X轴上的距离坐标，从而在坑内俯视图上显示所述第二层内断层的存在状况和位置。〔发明5〕进一步地，发明5的断层探查装置是在发明2-4中的任意一个的断层探查装置中，在仅距所述振动激发器一定距离的同一所述第二层内形成钻孔，将以规定间隔内置有所述三轴振动传感器的套管设置在所述钻孔内，并使在所述套管的外周的开口部设置的管膨胀，通过膨胀了的管将所述套管固定在所述钻孔的孔壁上。〔发明6〕另一发明，为了达成上述目的，发明6的断层探查方法，是对于比第一层密度小的第二层夹在两个所述第一层之间的地质构造，在所述第二层内由振动激发器激发并在所述第二层内传播的振动波形信号根据费马原理产生分散现象而成为通道波的方法， 发明6的断层探查方法中，根据分散波动方程式计算出所述通道波的各频率下的相位速度以及群速度，将该群速度曲线中的最小群速度作为使用于第二层内断层探查的探查用通道波的传播速度。发明的效果
如上所述，根据发明1的断层探查装置或者发明6的断层探查方法，由于将通道波的最小群速度作为探查用通道波的传播速度，因此，与原来相比具有如下效果，可以准确地确定第2层内断层的位置。进一步地，根据发明2的断层探查装置还可以得到如下效果，即可以判别是透射通道波还是反射通道波。进一步地，根据发明3的断层探查装置还可以得到如下效果，即可以根据振动粒子的行为把握透射通道波或者反射通道波的衍射或者反射的发生时间。进一步地，根据发明4的断层探查装置还可以得到如下效果，即可以把握第2层内断层的存在状况和位置。进一步地，根据发明5的断层探查装置还可以得到如下效果，由于套管被固定于钻孔壁，因此可以准确测量通道波。
图1是示出利用弹性波的断层探查透射法的概要的图。图2是示出利用弹性波的断层探查反射法的概要的图。图3是示出三轴振动传感器Rl R24的构成的图。图4是示出煤层内断层探查装置100的构成的图。图5是煤层内断层探查装置100收集的信号的解析装置200的框图。图6是示出三层结构内的通道波的传播和粒子的行为的图。图7示出根据费马原理的通道波的发生和传播的概要的图。图8是示出拍振动O “振動)波形中相位速度c和群速度U的关系的图。图9是示出相位速度c和群速度U的关系的图。图10是示出将通道波信号的复数F(t)作为合成向量的模型图。图11是示出对通道波信号实行重叠包络线处理的结果的实部f(t)和虚部f*(t) 的实例。图12是示出粒子的应力波动合成向量的重叠包络线和实部以及虚部的关系的图，以及三维表示合成向量的实部和虚部的关系的图。图13是示出进行了自动增益控制处理的断层探查透射法的通道波数据的图。图14是示出对通道波信号进行FFT处理的结果的图。图15是示出煤层内的通道波反射和衍射以及粒子行为的极性试验的概要的图。图16是示出来自Y轴振动数据和Z轴振动数据的粒子行为的极性试验例的图。图17是示出对断层探查透射法的通道波数据进行重叠包络线处理的结果的图。图18是示出根据最小群速度U、极性试验的反射以及衍射现象的发生时间t以及包络线处理结果来对煤层内断层进行探查的结果的图。图19是含有煤层内断层的煤矿的垂直截面图。符号说明2…钻孔，100···煤层内断层探查装置，10…探查机，IOa…屏障，IOb…探查部， IOc…磁带输送部，12…磁带记录器，14…套管，16…管，18，20…继电器，22···通道切换装置，M…爆破器，沈…电源箱，200…解析装置，30…P波速度以及S波速度的测定结果，32…三层结构的波动方程式的模型解析，34···速度计算部，36···最小群速度确定部，38···确定结果制作部，40···记录介质，42···AGC处理部，44···分离处理部，46···分离处理数据，48···FFT 处理部，50…监视器输出部，52…波形显示部，讨…自动输入控制部，56…带通滤波测试部， 58…带通滤波处理部，60···通道波判别部，62…重叠包络线处理部，Tl，T2…振动激发器， Rl RM…三轴振动传感器，Rlx, Rly, Rlz···振动传感器，RT…触发检测振动传感器
具体实施例方式下面对本实施形态进行说明。图1至图18示出本实施形态的图。本实施形态根据利用煤矿的坑道的坑内弹性波断层探查法准确地对从地表探查不能发现的小的煤层内断层进行预测。通过在煤层内爆炸火药等而被振荡的波振动信号在被夹在密度大的岩石层中的密度小的煤层内传播，因此，根据费马原理该前进方向通常向密度小、传播速度慢的煤层内中心部弯曲。其结果是，大部分振动能量被封闭在煤层内并传播，从而产生煤层内通道波 (以下称为通道波)。另外，通道波在煤层的中心附近能量集中，同时由于与岩石层的边界面的影响振动波的速度根据频率而不同。即是分散现象，是不同频率的波合成的拍信号，随着时间相位、振幅发生变化(以下，将通道波作为拍信号的一种)。而且，拍信号的特征在于，具有各频率的相位速度和作为拍信号的群速度。本实施形态的坑内弹性波断层探查法，包含通道波的频率、相位以及振幅三个因子，通过重叠包络线处理，计算出通道波的每个单位时间的振动能量，并利用其传播和反射的特征精密地确定煤层内断层的位置。首先，对适用于本发明的煤层内断层探查装置100的构成进行说明。图1是示出利用弹性波的断层探查透射法的概要的图。图2是示出利用弹性波的断层探查反射法的概要的图。坑内弹性波断层探查法包括断层探查透射法和断层探查反射法。如图1所示，断层探查透射法是将通道波投射煤层内断层，根据得到的投射通道波的单位时间的振动能量的变化来确定煤层内断层的位置的方法。如图2所示，断层探查反射法是将通道波在煤层内断层反射，根据得到的反射通道波的单位时间的振动能量的变化来确定煤层内断层的位置的方法。如图1以及图2所示，煤层内断层探查装置100包括通过火药爆炸等产生振动波的振动激发器Tl、T2 ；多个三轴振动传感器Rl R24，其接收由振动激发器激发并在煤层内传播的通道波；探查机10，其对三轴振动传感器Rl RM得到的受波信号进行测量；磁带记录器12，其对探查机10得到的受波信号进行记录。图3是示出3轴振动传感器Rl R24的构成的图。图3 (a)是套管14的侧视图。 图3(b)是套管14的垂直截面图。图3(c)是沿着图3(b)中的a-a’线的截面图。首先在仅离开振动激发器Tl、T2—定距离的同一煤层内的沿层坑道内通过钻孔机械形成任意长度的钻孔2。然后，如图3所示，在钻孔2内设置能够连接延长的一定长度的套管14。在套管14内以规定间隔配置三轴振动传感器Rl R24。三轴振动传感器Rl 由振动传感器Rlx、振动传感器Rly、振动传感器Rlz构成，振动传感器Rlx对以通道波的前进方向作为X轴的X轴方向的振动进行检测，振动传感器Rly对以与X轴垂直相交的水平
6方向作为Y轴的Y轴方向的振动进行检测，振动传感器Rlz对以深度方向作为ζ轴的Z轴方向的振动进行检测。作为振动传感器Rlx、Rly、Rlz，可以采用例如使用压电元件的加速度传感器。其它的三轴振动传感器R2 RM也具有同样的构成。在套管14的外周形成开口部，并且安装有覆盖开口部的橡胶制的管16。将套管14设置在钻孔2内之后，通过从开口部向管16内注入空气而使管16膨胀，通过膨胀的管16将套管14固定于钻孔2的壁面。
图4是示出煤层内断层探查装置100的构成的图。 进一步地，如图4所示，煤层内断层探查装置100包括连接三轴振动传感器Rl R12的继电器18 ；连接三轴振动传感器R13 R24的继电器20 ；连接继电器18、20的通道切换装置22 ；起动振动激发器T1、T2的爆破器M ；取得振动激发器Τ1、Τ2的激发时刻的触发检测振动传感器RT ；供给用于驱动煤层内断层探查装置100的电源的电源26。继电器18连接于继电器20，继电器20连接于通道切换装置22，因此，通道切换装置22通过继电器18、20被输入三轴振动传感器Rl R12的传感器信号、通过继电器20被输入三轴振动传感器R13 RM的传感器信号。通道切换装置22每个规定时间切换通道， 三轴振动传感器Rl R24的传感器信号分时依次输出。探查机包括从通道切换装置22输入传感器信号的屏障IOa ；对通过屏障IOa输入的传感器信号进行处理的探查部IOb ；将探查部IOb处理了的传感器信号向磁带记录器 12输出的磁带输送部10c。探查部IOb —旦通过触发检测振动传感器RT检测到振动激发器T1、T2的激发，即开始对由三轴振动传感器Rl RM得到的受波信号的测量，并通过磁带输送部IOc将受波信号数据向磁带记录器12输出规定时间(例如l[s])。由此，受波信号数据通过磁带记录器12被记录到磁带等的记录介质中。接下来，对煤层内断层探查装置100的功能进行说明。图5是在煤层内断层探查装置100收集信号的解析装置200的功能框图。进一步地，如图5所示，煤层内断层探查装置100具有通过断层探查透射法以及断层探查反射法对煤层内断层的位置进行确定的解析装置200。解析装置200由例如被设置在煤矿的矿坑外的超级计算机等构成，将CPU(中央处理器)、ROM (只读存储器)、RAM(随机存取存储器)以及I/F等与总线连接而构成。受波信号数据被分配给由磁带记录器12记录的记录介质之后，即从记录介质中读取受波信号数据，并对读取的受波信号数据进行数据处理，根据其结果对煤层内断层的位置进行确定。解析装置200包括速度计算部34，其根据岩石材料的P波速度以及S波速度的测定结果30、通过三层结构的波动方程式的模型解析32从分散波动方程式中计算出通道波的不同频率下的相位速度以及群速度；最小群速度确定部36，其根据速度计算部34计算出的相位速度以及群速度确定群速度曲线的最小群速度；确定结果制作部38，其根据P波速度以及S波速度的测定结果30以及最小群速度确定部36确定的最小群速度制作煤层内断层的位置确定结果。解析装置200还包括AGC处理部42，其对从记录介质40中读取的受波信号数据实行自动增益控制(AGC)处理；分离处理部44，其对由AGC处理部42处理的处理数据实行分离处理；FFT处理部48，其对由分离处理部44处理的分离处理数据46实行FFT处理。解析装置200还包括监视器输出部50，其将由AGC处理部42处理的处理数据输出到监视器中；波形显示部52，其基于分离处理数据46显示波形；自动输入控制部M，其基于分离处理数据46进行自动输入控制。解析装置200还包括带通滤波测试部56，其对由FFT处理部48处理的处理数据进行带通滤波测试；带通滤波处理部58，其对由带通滤波测试部56处理的处理数据实行带通滤波处理；通道波判别部60，其基于由带通滤波测试部56处理的处理数据通过极性试验对通道波进行判别；重叠包络线处理部62，其对由带通滤波处理部58处理的处理数据实行重叠包络线处理。接下来对各部；34 38、42、44、48、56 62的数据处理进行说明。本实施形态是对煤矿坑内中煤层内存在的断层的位置进行确定的装置以及方法， 其采用作为分散性弹性波动的通道波信号和其最小群速度。在厚度h的煤层夹在两个岩石层的地质构造中，在岩石层的密度为P 1、切变模数为μ 1、弹性波速度为vl、煤层的密度为P2(P1> P 2)、切变模数为μ 2、弹性波速度为ν2 的情况下，对于上述情况下在煤层内由于火药爆炸等而被激发并在该煤层传播的、具有宽频带的频率的振动波形信号，若该波的速度为C、表面波波长为L，则上述变量的关系如下。c = f(vl、v2、P 1、P 2、h、L)... (1)两边的维度并不一定相等，对其进行无维化处理，结果如下式(2)所示。c = Const, vl. fl (vl/v2、P 1/ P 2、h/L)…O)由于函数f 1中包含有h/L，只要与h相关，波的速度c就依存于波长L和层厚h。 即，波的速度c是波长L的函数，产生各波长的速度各不相同的分散现象。在分散性波动的传播中，各频率的相位速度c都不同，由于分散现象产生频率、相位、振幅随着时间变化的群速度U的拍波动的一种、即通道波。图6示出三层结构内的通道波的传播和粒子的行为。图7示出根据费马原理的通道波的发生和传播的概要。例如，对于在煤层内由于火药爆炸等而被激发的波动振动信号，若存在频率、相位稍微不同的2组波(只是Δ ξ、Δ ω为微小量)如下u+ = Acos [( ξ +Δ ξ )χ-(ω + Δ ω) ] = Acos [ ( ξ χ- ω t) + ( Δ ξ · χ- Δ ω · t)]u_ = Acos [( ξ -Δ ξ )χ-(ω-Δ ω) ] = Acos [ ( ξ χ- ω t) _ ( Δ ξ · χ- Δ ω · t)]... (3)则其合成结果如下u = u++u_ = 2Α · cos ( Δ ξ · χ- Δ ω · t) · cos ( ξ χ- ω t)…⑷这里，满足下式(5)角频率ω =2π / = 2 π /T频率f = 1/T = ω/2 π周期T = 1/f = 2 π/ω波长L = cT = 23i/^速度c = L/T = ω/ξ波数ξ = 2π/L= ω/c... (5)
这里，1!+、1!-这两个波都是波长约为231/^、周期约为231/ 的简单的平面波。但是，它们的合成波U的最后的因子C0s(Ix-COt)与它们相当，但是另一个因子 cos(A ξχ-Δ ω )具有完全不同的性质。波长为2 π/Δ ξ、周期为2π/Δ ω，若Δ ξ、 Δ ω为微小量的话，则所述波长和周期就会成为巨大的量。因此，u可以看做是具有振幅 2aAcos ( Δ ξ X-Δ cot)的波。如不考虑快的振动，只着眼于其振幅的变化，该速度U即是系数t和系数ξ的比， 如下式所示U= Δ ω/Δ ξ ... (6)这是短周期、短波长的波为一群进行传播的速度，因此是群速度。与之相对，一般的速度c = ω/ξ是相位速度。因此，各个波以c传播、振幅变化作为“拍”以其它的群速度U传播。图8示出拍振动波形中相位速度c和群速度U的关系。相位速度c和群速度U的关系根据上式(6)、取ξ、ω连续变化时的极限，在下式 (7)中表示。C= ω / ξ ... (7)进一步地，对上式(7)进行微分，得到下式(8)。
权利要求
1.一种断层探查装置，其是对于比第一层密度小的第二层夹在两个所述第一层之间的地质构造，在所述第二层内由振动激发器激发并在所述第二层内传播的振动波形信号根据费马原理产生分散现象而成为通道波的装置，其特征在于，根据分散波动方程式计算出所述通道波的各频率下的相位速度以及群速度，将该群速度曲线中的最小群速度作为使用于第二层内断层探查的探查用通道波的传播速度。
2.如权利要求1所述的断层探查装置，其特征在于，在仅距所述振动激发器一定的距离的同一所述第二层内，通过以所述通道波的前进方向为X轴、所述通道波的水平方向为Y轴、所述通道波的深度方向为Z轴而设置的多个三轴振动传感器对所述通道波进行测量，并将得到的受波信号量子化之后进行FFT处理，根据所述FFT处理的结果求出振幅变化大的频率范围，通过在所得到的频率范围进行带通滤波处理提取表示所述探查用通道波的探查用通道波信号，并包含所提取的探查用通道波信号的频率、相位以及振幅这三个因子地计算出每个规定时间的重叠包络线，基于计算出的重叠包络线，根据所述探查用通道波在每个规定时间的振动能量的变化，确定所述通道波透射所述第二层内断层而得到的透射通道波、或者所述通道波在所述第二层内断层反射而得到的反射通道波在所述第二层内的传播状态以及在所述第二层内断层处的衍射或者反射的现象。
3.如权利要求2所述的断层探查装置，其特征在于，根据所述三轴振动传感器的设置位置数据以及所述探查用通道波信号通过极性试验确定X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面中每个规定时间的振动粒子的行为。
4.如权利要求3所述的断层探查装置，其特征在于，根据所述透射通道波或者所述反射通道波的X、Y、Z轴成分的振幅时间变化，求出所述探查用通道波信号的传播状态以及衍射或者反射的发生时间，使所述振动激发器和所述三轴振动传感器的设置位置以及所述重叠包络线的波形信号相关，将所述传播状态以及所述发生时间乘以所述最小群速度，将该信号时间轴变换为X-Y平面上的X轴上的距离坐标，从而在坑内俯视图上显示所述第二层内断层的存在状况和位置。
5.如权利要求2至4中的任意一项所述的断层探查装置，其特征在于，在仅距所述振动激发器一定距离的同一所述第二层内形成钻孔，将以规定间隔内置有所述三轴振动传感器的套管设置在所述钻孔内，并使在所述套管的外周的开口部设置的管膨胀，通过膨胀了的管将所述套管固定在所述钻孔的孔壁上。
6.一种断层探查方法，其是对于比第一层密度小的第二层夹在两个所述第一层之间的地质构造，在所述第二层内由振动激发器激发并在所述第二层内传播的振动波形信号根据费马原理产生分散现象而成为通道波的方法，其特征在于，根据分散波动方程式计算出所述通道波的各频率下的相位速度以及群速度，将该群速度曲线中的最小群速度作为使用于第二层内断层探查的探查用通道波的传播速度。
全文摘要
本发明提供一种断层探查装置，其可以准确地确定煤层内断层的位置。在煤层夹在两个岩石层之间的地质构造中，在煤层内通过振动激发器T1、T2激发并在煤层内传播的振动波形信号根据费马原理产生分散现象从而成为通道波的装置中，根据分散波动方程式计算出通道波的各频率下的相位速度c以及群速度U，并将该群速度曲线中的最小群速度U0作为煤层内断层探查所使用的探查用通道波的传播速度。
文档编号G01V1/48GK102298158SQ20111016477
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月8日 优先权日2010年6月24日
发明者仓野重光 申请人:仓野重光