一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，涉及采煤巷道掘进【技术领域】。包括如下步骤：1）在工作面掘进巷道的顶板、底板、左帮及右帮布置检波器，或者单帮布置检波器，检波器通过采集站和数据传输线连接在槽波地震仪上；2）利用掘进机作业时在煤壁上的振动作为点震源：掘进机钻头冲击煤、岩层时，激发的地震波信号遇到地质体界面时发生折射、散射和波形转换，沿巷道煤壁向掘进机后方传播的散射和直达槽波被检波器接收，传给槽波地震仪，经过数据处理给出探测结果；3）结合探测结果为掘进提供井下实时工作参数。本发明采用槽波地震超前探测，以掘进机作业时的振动为点震源，在不中断作业情况下，进行井下状态监测。
【专利说明】一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及采煤巷道掘进【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 巷道掘进是一项高投入、高风险的地下隐蔽工程，巷道前方具有很大的模糊性和 不确定性，给矿井作业带来了极大风险。在待掘信息未知的情况下进行掘进，井下事故和 复杂情况(突水、瓦斯突出等）时有发生，更严重的还能导致人员的伤亡，带来巨大的经济损 失，影响了矿井的效益。因此，在掘进过程中，如何不中断作业，实时地掌握各种参数、预测 巷道前方压力、监控井下状态等有着极其重要的作用，是非常必要的。伴随煤矿开采深度和 开采强度的不断加大，高水压、高地压、高矿压的"三高"威胁日趋严重，地质、水文地质条件 越来越复杂，对掘进效率、成本、安全等方面提出了更高层次的技术要求。所以必须采取积 极有效的勘探手段，科学地进行掘进工程设计和施工，避免和减少各种掘进事故。
[0003] 槽波地震勘探是利用在煤层(作为低速波导）中激发和传播的导波、以探查煤层不 连续性的一种新的地球物理方法。当煤层中激发的体波包括纵波与横波，激发的部分能量 由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及其邻近的岩石中（简称煤槽)，不向围岩辐射， 在煤层中相互叠加、相长干涉，形成一个强的干涉扰动，即槽波。它以煤层为波导沿煤层向 外传播，因此槽波又称煤层波或导波，槽波地震传播原理，见图1所示。现有的槽波地震方 法，需要炸药激发，涉及到安全问题，所需人员和部门众多，协调不便；只能用来探测工作面 内和外围的构造，且没有超前探测巷道迎头前方的构造异常体的探测方法。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，槽波 在煤层中传播抗干扰能力强，探测距离远，探测范围大，采用掘进机作业时的振动作为点震 源，在不中断掘进作业的情况下，及时预测前方煤层压力、构造情况，进行井下状态监测，为 掘进和回采提供井下实时工作参数，进而合理的安排掘进计划、修正施工方案，采取相应预 防措施，这样可以有效控制矿井地质灾害的发生，掘进效率高，使用方便，降低成本，最终辅 助实现无风险掘进。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种煤矿井下随掘槽波地震 超前探测方法，包括如下步骤： (1) 在工作面掘进巷道的顶板、底板、左帮及右帮布置检波器，或者单帮布置检波器，各 个检波器通过采集站和数据传输线连接在槽波地震仪上，形成一个测量系统； (2) 利用掘进机作业时在煤壁上的振动作为点震源，不中断作业，实时进行槽波测量： 掘进机钻头冲击煤、岩层时，激发的地震波信号遇到地质体界面时发生折射、散射和波形转 换，沿巷道煤壁向掘进机后方传播的散射槽波和直达槽波被上述检波器接收，并传给槽波 地震仪，经过数据处理和分析后给出超前探测结果； (3) 结合超前探测结果，为掘进提供井下实时工作参数，进而合理的安排掘进计划、修 正施工方案，采取相应措施，预防矿井地质灾害的发生。
[0006] 优选的，检波器之间的间隔为10?50米，多个检波器形成对掘进前方的监测网 络，离掘进机最近的检波器距离掘进机70m?90m，避免得到的信噪比偏低。
[0007] 进一步优选的，离掘进机最近的检波器距离掘进机80m。
[0008] 优选的，检波器根据工作面掘进进度，采用递进式交替移动方式向掘进方向移动， 实现对掘进巷道前方、煤层前方及周边的构造和情况进行连续监测，通过对巷道前方的煤 层情况进行监测、分析，收集煤层前方及周边的构造异常及压力异常，并且不断的进行分 析、纠正，在掘进过程中得到煤层前方及采掘工作面内异常地段的信息。
[0009] 优选的，数据处理的第一阶段是将采集到的随掘槽波信号转换成地震剖面的逆 VSP处理，包括数据解编、信噪分离、互相关、叠加、反褶积、相位校正和真散射时间校正；第 二阶段是对随掘地震信号进行VSP处理，包括初至拾取、时深关系分析、速度分析、波场分 离、预测及偏移成像。
[0010] 本发明工作原理如下： 在掘进机掘进过程中，钻头冲击煤(岩）层产生强大的地震波信号。根据惠更斯-菲涅 尔原理和费马原理，当地震波传播路径中存在两种不同介质的界面时，波的传播将发生折 射、散射和波形转换。掘进机钻头冲击煤(岩)层时，激发的地震波信号遇到地质体界面时部 分发生散射，部分沿巷道煤壁向掘进机后方传播，该散射信息被安装在巷道煤壁的检波器 所接收，并传给槽波地震仪，经过数据处理和分析后即可给出超前探测结果。
[0011] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于： (1)本发明采用超前探测方法为主要手段的槽波地震探测，以掘进机作业时的振动作 为点震源，在不中断作业的情况下，及时预测前方煤层压力、构造情况，进行井下状态监测， 为掘进和回采提供井下实时工作参数，查明煤矿井下掘进头前方及周边的异常地段，进而 合理的安排掘进计划、修正施工方案，采取相应预防措施，这样可以有效控制矿井地质灾害 的发生，提高掘进效率，降低成本，最终辅助实现无风险掘进。
[0012] (2)本发明直接利用掘进机钻头冲击煤(岩）层产生强大的地震波信号，不需要人 工和人为激发炸药信号，安全且不中断掘进作业。能超前探测巷道迎头前方的构造异常体， 使用方便。
[0013] (3)本发明采用槽波超前探测方法，槽波在煤层中传播抗干扰能力强，探测距离 远，预报距离可达100?150m。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明； 图1是本发明中提到的槽波地震传播原理示意图； 图2是本发明实施例1的技术路线图； 图3是本发明随掘槽波地震超前探测示意图； 图中，1、顶板；2、底板；3、检波器；4、掘进机；5、断层。
[0015]
【具体实施方式】 实施例1 一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，包括如下步骤： 一、技术路线：见图2所示。
[0016] 矿井随掘超前探测方法主要是对随掘地震波场的研究，采区现场试验的方法，包 括井下随掘的数据采集，在井下采集过程中主要是接收掘进机钻头震动时产生的地震波沿 煤层传播的信号，采集时注意观察波形，以及注意尽量选取噪声干扰小时进行采集。采集完 成后进行数据处理，主要是对采集的波场信号进行识别和提取，对特殊的干扰波进行剔除， 对信号进行互相关处理，波场分离，识别震源，确定震源位置，然后按照VSP处理流程进行 偏移成像处理。
[0017] 二、技术方案： (1)在工作面掘进巷道的顶板、底板、左帮及右帮布置检波器，或者单帮布置检波器，各 个检波器通过采集站和数据传输线连接在槽波地震仪上，形成一个测量系统； 检波器之间的间隔为10?50米，多个检波器形成对掘进前方的监测网络，监测、控制 范围可以覆盖半径为迎头煤层中120米空间范围以及周边300m范围的煤层中。
[0018] 离掘进机最近的检波器距离掘进机70m?90m，避免得到的数据信噪比偏低。 [0019] 根据工作面掘进进度，检波器可采用递进式交替移动方式向掘进方向移动，实现 对掘进巷道前方、煤层前方及周边的构造和情况进行连续、全覆盖监测，通过对巷道前方的 煤层情况进行监测、分析，收集煤层前方及周边的构造异常及压力异常，并且不断的进行分 析、纠正，在掘进过程中得到煤层前方及采掘工作面内异常地段的信息。
[0020] (2)利用掘进机作业时在煤壁上的振动作为点震源，不中断作业，实时进行槽波测 量：掘进机钻头冲击煤、岩层时，激发的地震波信号遇到地质体界面(异常体）时发生折射、 散射和波形转换，沿巷道煤壁向掘进机后方传播的散射槽波和直达槽波被上述检波器接收 (见图3所示)，并传给槽波地震仪，经过数据处理和分析后，估计前方和工作面内异常体的 形态和具体位置，给出超前探测结果。
[0021] 数据处理：第一阶段是将采集到的随掘槽波信号转换成地震剖面的逆VSP处理， 包括数据解编、信噪分离、互相关、叠加、反褶积、相位校正和真散射时间校正；第二阶段是 对随掘地震信号进行VSP处理，包括初至拾取、时深关系分析、速度分析、波场分离、预测及 偏移成像。
[0022] (3)结合超前探测结果，为掘进提供井下实时工作参数，进而合理的安排掘进计 划、修正施工方案，采取相应预防措施，控制矿井地质灾害的发生。
【权利要求】
1. 一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 在工作面掘进巷道的顶板、底板、左帮及右帮布置检波器，或者单帮布置检波器，各 个检波器通过采集站和数据传输线连接在槽波地震仪上，形成一个测量系统； (2) 利用掘进机作业时在煤壁上的振动作为点震源，不中断作业，实时进行槽波测量： 掘进机钻头冲击煤、岩层时，激发的地震波信号遇到地质体界面时发生折射、散射和波形转 换，沿巷道煤壁向掘进机后方传播的散射槽波和直达槽波被上述检波器接收，并传给槽波 地震仪，经过数据处理和分析后给出超前探测结果； (3) 结合超前探测结果，为掘进提供井下实时工作参数，进而合理的安排掘进计划、修 正施工方案，采取相应预防措施，控制矿井地质灾害的发生。
2. 根据权利要求1所述的一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，其特征在于所述 检波器之间的间隔为10?50米，多个检波器形成对掘进前方的监测网络，离掘进机最近的 检波器距离掘进机70m?90m，避免得到的信噪比偏低。
3. 根据权利要求1所述的一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，其特征在于所述 检波器根据工作面掘进进度，采用递进式交替移动方式向掘进方向移动，实现对掘进巷道 前方、煤层前方及周边的构造和情况进行连续监测，通过对巷道前方的煤层情况进行监测、 分析，收集煤层前方及周边的构造异常及压力异常，并且不断的进行分析、纠正，在掘进过 程中得到煤层前方及采掘工作面内异常地段的信息。
4. 根据权利要求1所述的一种煤矿井下随掘槽波地震超前探测方法，其特征在于所 述数据处理的第一阶段是将采集到的随掘地震信号转换成地震剖面的逆VSP处理，包括数 据解编、信噪分离、互相关、叠加、反褶积、相位校正和真散射时间校正；第二阶段是对随掘 地震信号进行VSP处理，包括初至拾取、时深关系分析、速度分析、波场分离、预测及偏移成 像。
【文档编号】G01V1/44GK104111479SQ201410340834
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】刘建功, 李玉宝, 武延辉 申请人:河北煤炭科学研究院