一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统与流程

本发明属于煤层检测，尤其涉及一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统。

背景技术：

1、煤矿采空区富含水会对煤矿安全生产造成极大影响，某煤矿某一采区区域面积7.09平方公里，采区区域80％为煤层采空区，区域内地质构造相对清楚，采空区内积水大多通过放水巷流走，但不排除局部积水可能；另一采区区域面积5.01平方公里，采区区域30％为煤层采空区，区域内地质构造不明，采空区内积水大多数通过放水巷流走，但不排除局部积水可能。上述采区区域内地质水文条件复杂，采煤层受富(导)水构造及老空水威胁严重。因此，须进行地面勘探，以查明区内含水层的含水特征以及含导水特征，为未来区域内巷道、采煤工作面规划提供依据。

2、煤层中激发的地震波，部分能量经煤层顶底板多次全反射，互相叠加干涉，被煤层制导，仅在煤层及其附近的二维空间传播，形成槽波(又称通道波，channel waves)。槽波是只在煤层内部传播的地震波，也叫煤层波(seam waves)或导波(guided waves)。

3、含煤岩系中，通常煤层的密度比上下围岩的密度小，地震波在煤层中传播速度低，根据质点振动方向及其极化特征，槽波可分为勒夫型及瑞利型两类。勒夫型槽波由水平极化横波(sh波)干涉形成，质点在煤层内平行煤层层面、垂直于波的传播方向；槽波最重要的特征是频散，即不同频率的振动以不同的速度传播，使得槽波波列随传播而散开，同时使槽波的相速度与群速度具有明显的差异。相速度指单一频率谐和振动的传播速度。群速度指多个频率相近谐和振动组成的波包传播速度。频散越烈，相速度与群速度差异越大。

4、槽波勘探对断层、陷落柱等有害地质体能够起到一定的勘查效果，比如识别煤层的走向，但是在预估断层落差大小方面仍有待探索和研究。槽波勘探利用煤层对地震波的制导作用，对煤层内各种地质构造进行有效勘查。断层是煤巷掘进过程中潜伏的安全隐患，可能造成瓦斯突出或突水事故。

5、为解决上述问题，现有技术的中国专利：cn111965695a，公开日：2020年11月20日，提供一种基于反射槽波的小断层落差探测方法包括以下步骤：

6、步骤1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，观测系统主要由震源、等间隔分布的多个检波器、以及为震源和检波器提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；

7、步骤2，分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；

8、步骤3，对切除直达波后的震源记录进行主振幅提取，获取x分量反射槽波振幅；

9、步骤4，对x分量反射槽波进行滤波，获取滤波后x分量反射槽波能量；

10、步骤5，对比分析获得断层的能量变化规律，根据数据分析断层位置；

11、步骤6，提取反射槽波的子波类型，确定其频率大小；

12、步骤7，根据步骤5和步骤6所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，达到探测小断层落差的目的。

13、再者，煤矿安全形势仍然十分严峻，出现矿难主要是煤与瓦斯突出事故和矿井突水事故，这两大灾害源都与矿井地质构造有关，其中地质构造以断层最为突出，因此预测预报煤巷前方断层对于安全掘进起着十分重要的现实意义。目前煤巷主要采用钻探进行超前探测，但钻探施工效率低且存在一孔之见的局限，如施工不当还可能导致瓦斯爆炸及突水事故。目前在煤巷进行超前预报的地球物理方法主要包括地震类、电磁法类及其他类技术，其中用于煤巷前方构造探测主要采用地震类方法，如msp技术及rtsp技术；但msp、rtsp技术通常需要在左右帮布置24个炮孔或锤击点及多个三分量检波点，施工时间较长，且后续处理步骤多，不利于快速开展断层超前预报工作。

14、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术质量检测点可布置中，分辨率低、对低阻反应步灵敏，不能有效地探测小断层落差数据或图像信息，不能为探测地下采空积水区信息提供依据，不能有效地防止水害发生，保证煤矿安全生产。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统。

2、所述技术方案如下：一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，包括：

3、s1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；三维煤巷单巷道观测系统由震源、等间隔分布的多个反射槽波激发设备、为震源和反射槽波激发设备提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；

4、s2，对切除直达波后的震源记录，利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；

5、s3，对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置。

6、在步骤s2中，所述小断层成像入射和反射槽波构建方法包括：

7、步骤1，利用多个反射槽波激发设备小断层成像入射基于入射的小断层成像进行反射槽波激发设备被激发的反射槽波弱反射小断层，并采集映射图像；

8、步骤2，重构小断层递变槽波，反射槽波激发设备偏移角度放置时再次采集映射图像；

9、步骤3，重构小断层反射槽波，计算小断层的入射槽波。

10、在步骤1中，所述反射槽波激发设备被激发的反射槽波弱反射小断层，包括：

11、通过表示γ-上入射的反射槽波激发设备被激发的反射槽波到位置且方向为时所传播的距离，计算公式为：

12、

13、其中，为处的辐射强度，为位置，为单位方向矢量，k0为引入的反射槽波激发设备被激发的反射槽波传播算子，gin表示在输入边界γ+上描述反射槽波激发设备接收到的数据总量，为单位立体角内在单位时间中通过垂直于单位方向矢量的单位面积上的平均功率通量密度，s表示单位面积，ds表示垂直方向；

14、定义为：

15、

16、式中，为引入反射槽波激发设备被激发的反射槽波传播算子后的位置处的辐射强度，μs为单位面积上的功率通量密度，为位置与单位方向矢量之间的辐射强度，表示某时刻的方向矢量，k为引入的反射槽波激发设备被激发的反射槽波反射传播算子，为归一化的反射相位函数，表示反射槽波激发设备被激发的反射槽波从方向反射到单位方向矢量方向的概率，满足dω′表示单位方向矢量对应的立体角微元；定义m0＝k0gin，则有mn+1＝kmn，n≥0，从而在位置处的总的辐射强度为：

17、

18、其中，mn为经n次反射到达位置的辐射强度分量，当反射槽波激发设备被激发的反射槽波在扩散区域传播时，槽波k的谱半径ρ(k)值接近1，当反射槽波激发设备被激发的反射槽波在弱反射区域传播时，ρ(k)＞＞1，在此种情况下，当n→∞时，快速收敛。

19、进一步，当反射槽波激发设备被激发的反射槽波在弱反射区域传播时，在输出边界γ+上描述反射槽波激发设备接收到的数据总量gout，即得到：

20、

21、其中，a是描述反射槽波激发设备被激发的反射槽波传输的矩阵，a0,a1,a2分别描述通道传输、一次反射传输和多次反射传输部分，定义g0＝a0gin,g1＝a1gin分别表示测量数值中的通道传输分量和一次反射分量，则：

22、

23、

24、入射被激发的反射槽波方向为经一次反射后其方向为的积分仅在一角度上有值，取槽波k的取值由相位函数确定；

25、定义：

26、

27、

28、其中，ω1(t),ω2(t)分别表示反射槽波激发设备被激发的反射槽波发生反射后和反射前的递变量，则有：

29、

30、在步骤1中，所述采集映射图像包括：

31、使用反射槽波激发设备采集小断层的映射图像，小断层每旋转一个角度采集一个映射图像，将每次采集的映射图像记录在计算机中。

32、在步骤2中，所述重构小断层递变槽波包括：

33、在成像中采用空间均匀分布的被激发的反射槽波对小断层进行辐射，通过反射槽波激发设备采集无小断层遮挡的辐射被激发的反射槽波测得入射被激发的反射槽波强度；对左右两边同除以gin并取负对数，则：

34、

35、式中，为单位方向矢量的被激发的反射槽波量，g0表示在初始点被激发的反射槽波量，表示表示单位立体角内、单位时间内、通过垂直于单位方向矢量的单位面积上的平均功率通量密度，gin为在输入边界γ+上描述反射槽波激发设备接收到的数据总量；表示γ-上入射的反射槽波激发设备被激发的反射槽波到位置且方向为时所传播的距离；

36、采集到360度的测量数据g0后，采用滤波方法实现逆变换计算出递变槽波μt＝fbp(g0)。

37、在步骤2中，反射槽波激发设备偏移角度放置时再次采集映射图像包括：

38、将反射槽波激发设备件偏移一定角度θ放置，辐射源对固定在电控台上的小断层进行断层辐射，使用反射槽波激发设备采集小断层的映射图像，小断层每旋转一个角度采集一个映射图像，将每次采集的映射图像记录在计算机中。

39、在步骤3中，重构小断层反射槽波包括：通过以下公式获取，公式为：

40、

41、式中，g1包含了成像中反射的影响，当从某一角度采集数据g1时，和的反射夹角确定，槽波k为一个确定的常数；两边同除以kgin，则有：

42、

43、由上式知为反射槽波延方向的加权变换，所加权值ω1(t)和ω2(t)均是与递变槽波有关的函数，g1表示单位方向矢量1处的被激发的反射槽波量，k表示槽波，gin表示在输入边界γ+上描述反射槽波激发设备接收到的数据总量；表示单位面积内、单位时间内、通过垂直于单位方向矢量的单位面积上的平均功率通量密度；表示γ-上入射的反射槽波激发设备被激发的反射槽波到位置且方向为时所传播的距离；

44、将离散化并以矩阵的形式表示如下：

45、wμs＝g1

46、其中，w表示离散化后的权值矩阵，μs和g1分别表示反射槽波矢量和不同角度测量得到的归一化测量矢量，利用带罚函数的加权最小二乘准则建立如下的目标函数：

47、

48、其中表达式的第一项是似然函数的近似表达形式，第二项(μs)为正则项，通常根据图像的先验信息构造而成，β为正则化因子，矩阵c为协方差矩阵；φ(μs)表示反射槽波目标函数值；

49、以ni表示ccd反射槽波激发设备检测到的反射槽波激发设备被激发的反射槽波数，对应的协方差矩阵表示为：

50、

51、利用最优化方法对φ(μs)的目标函数求解，求出反射槽波：

52、μs＝argminφ(μs)

53、计算入射槽波利用计算结果，计算小断层的入射槽波，利用关系式μt＝μa+μs计算小断层的入射槽波μa，μs表示反射槽波矢量，argminφ( )表示对反射槽波目标函数优化。

54、进一步，所述对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，包括：

55、使用计算软件对小断层进行网格划分，建立表面辐射值与内部落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系；

56、利用最小二乘法求解获取的图像特征，进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置；

57、建立表面辐射值与内部落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系具体包括：

58、(1)基应用反射槽波激发设备采集所有角度的落差被激发的反射槽波数据；

59、(2)建立分层小断层模型，使用有限元网格剖分软件对小断层进行离散化，将成像区域ω划分为m个互不重叠的单元ω1,ω2,…,ωm和n个网格节点p1,p2,…,pn；第i个结点表示为pi，1≤i≤n；

60、(3)建立表面辐射值与落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系，构建落差被激发的反射槽波分子断层重构问题的方程；

61、

62、式中，表示边界辐射值，a为系统矩阵，x为所要求解的落差被激发的反射槽波目标的分布；

63、利用最小二乘法求解获取的图像特征，进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置包括：基于同一网格，使用最小二乘法得到各节点的落差被激发的反射槽波落差值，记作：

64、output1＝[y11,y12,…,y1n]t

65、式中，y1n为第n个节点的落差被激发的反射槽波落差，output1为各节点的落差被激发的反射槽波落差值，y11,y12分别表示第1、2个节点的落差被激发的反射槽波落差，t为阶数。

66、本发明的另一目的在于提供一种基于反射槽波的小断层落差探测系统，该系统实施所述的基于反射槽波的小断层落差探测方法，该系统包括：

67、反射槽波位置确定模块，用于在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，观测系统主要由震源、等间隔分布的多个反射槽波激发设备、以及为震源和反射槽波激发设备提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；分析震源记录，确定反射槽波位置，利用常规方法进行直达波切除处理；

68、小断层空间分布获取模块，用于对切除直达波后的震源记录利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；

69、小断层落差位置获取模块，用于对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置

70、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明对切除直达波后的震源记录利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取准确的小断层落差位置。确定了勘探区内煤层采空区及积水区分布情况，圈定采空及积水异常区位置及范围；确定了勘探区内断层等地质构造异常富导水情况，圈定富水异常区位置及范围。确定勘探区内各含水层富水区及水力联系，其中重点控制了煤顶底板主要含水层的相对富水区及水力联系。控制了勘探区内采空区范围相对富水区及水力联系。为保证原始资料的质量，整个施工过程采用基于反射槽波的小断层落差探测系统及反射槽波激发设备，质量检测点可布置多个，横向分辨率高、对低阻反应灵敏，可以有效地探测地下采空积水区。为做好探放水工作，从而有效地防止水害发生，保证煤矿安全生产。