[0058] 把道中能量强的波相对压缩到一定的比例，再把能量弱的波相对增加到一定的比 例，把弱波和强波的振幅控制在一定的动态范围之内。
[0059] 设待均衡的记录道全长为N个采样点，将它均分成K段，每段为2M+1个采样点，设 Ei为每段内的平均振幅
[0060]
[0061]式中；
[0062]fi-待均衡的振幅值
[0063] m-每个记录段内采样点顺序号
[0064]i-整道记录采样点顺序号
[0065]用平均振幅的倒数W, 作为权系数，则均衡处理后的振幅为；
[0066] 。=1扣地
[0067] 上式中，C称为道内平衡系数，为常数，调整振幅值的显示幅度；
[0068]II、通过频谱分析和频散分析确定地震波信号的主频和频宽；
[0069]A、频谱分析
[0070] 通过傅立叶变换，将信号的幅值W频率的形式表示，分析其频率特性，求得地震波 的主频，具体如下：
[0071] 傅立叶变换
[0072] 使用计算机Matl油软件对信号进行频谱分析，进而通过频谱图读取信号的主频 和频宽；
[0073]B、通过对甜型槽波相速度和群速度的频散分析，求得地震波的理论主频，具体如 下：
[0074] 甜型槽波相速度的频散曲线控制方程：
[00巧]
[0076] 甜型槽波群速度的频散曲线控制方程：
[0077]
[0078] 式中，f是频率，d是煤层厚度的一半，c是甜型槽波在煤层中传播的相速度，e 是S波在煤层中的传播速度，Ptf是S波在岩层中的速度，y。是煤层的剪切模量，y是顶 底板的剪切模量；
[0079] C、通过步骤A和步骤B分别得到地震波的主频，取其平均值作为带通滤波的中屯、 频率
[0080] III、对归一化的地震数据进行带通滤波，中屯、频率为《。，频宽从频谱图中读取；
[0081] IV、对滤波后的数据进行静校正；
[0082] 如图1在观测系统中，共炮点的4道检波器的位置不同，接收到的信号会有时差， 在地震记录上将该些时差从观测时间中去掉，使测得的地震数据表现为同一水平面上；
[0083] V、对静校正后的数据进行时频分析，可W得到四个检波器的四道信号的时间 讯、频率（巧和能量（巧的对应值；
[0084] 时频分析用来分析信号中频率分量和时间分量之间的关系；能够反应任意时刻频 率的密度或强度；
[0085] 基于连续小波变换的时频分析设计：
[0086] 在构建连续小波变换时，Morlet小波是母波函数。
[0087] Morlet小波的函数方程；
[0088]
巧 1)
[008引式中，K。二e-ft2为小波容许准则，C。为归一化常数，其定义如下：
[0090]
[0091] Morlet小波所对应的傅立叶变换为；
[0092]
[0093] 中屯、频率《4是由Morlet小波所对应的傅立叶变换$。(〇))|的最大值所决定的，该 个中屯、频率的解为；
[0094]
[0095] 参数0决定了时域和频域之间的关系，对于煤层中的槽波，波形频率随时间变化 很快，因此，0不能取很小的值。当限制条件0 乂时，K。会变得很小，近似于0,则式（5. 1) 变为：
[0096]
[0097] 该里0为无量纲频率，该里取0 =31(2/ln2)i/2= 5. 336满足允许条件，C。为 归一化常量，该里C。= 1。Morlet小波的傅立叶变换为；
[0098]
[0099] 为了确保信号之间在每一个缩放因子S下的Morlet变换具有可比性，需要将每一 个缩放S下的小波函数做归一化处理，使其具有相同的单位能量，其公式如下所示：
[0100]
[0101] 在每个缩放因子S下，有
[0102]
[0103]N为频率因子。
[0104]VI、对上述的四道信号的能量进行叠加，即将二维平面内相同点化巧对应的能 量P值相加，当T=T1 =T2 =T3 =T4，F=F1 =巧=F3 =F4时，求P=P1+P2+P3+P4 ; 完成一次反射槽波能量包络的提取，同时得出反射槽波能量包络所对应的时间t;
[0105] (4)根据反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演波阻抗界面的位置，其位于探 测位置前后S=v*t/2处（V-槽波在煤层中的速度）；根据煤矿实际掘进尺度，每隔10~ 80m进行重复步骤（2)和（3);得出多次反射槽波能量包络所对应的时间；
[0106] (5)利用连续跟踪探测对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上 进行对比分析推断出波阻抗界面的位置，即异常构造的位置，具体如下：
[0107] 设第一次探测反射槽波能量包络所对应的时间为T1 ;第二次探测反射槽波能量 包络所对应的时间为T2,两次探测掘进距离为S，槽波在煤层中传播的速度为V，则：
[0108] 若；口1-T2)=S，则第一次探测前方处存在波阻抗界面，即异常构 造；若^打2-n) =s，则第一次探测后方^处存在波阻抗界面，即异常构造；若 ^打1-T2) = 0，则说明反射的能量包络来自顶板或底板；
[0109] 综上所述，通过对巷道不同位置处连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时 间和空间上的关系来预测波阻抗界面即异常构造的位置。
【主权项】
1. 一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，其特征在于，其具体步 骤为： (1) 建立槽波探测观测系统： 在煤巷左帮布置一个检波器Jl，距迎头O~35m ;在煤巷迎头处布置两个检波器J2和 检波器J3,检波器J2距左帮O~2m，检波器J3距右帮O~2m ;在煤巷右帮布置一个检波 器J4,距迎头O~35m ;四个检波器均布置在煤层中部； (2) 震源采用锤击，锤击点位于检波器J2和检波器J3的中部；四个检波器将锤击后检 测到的地震波数据存储在主机中； (3) 反射槽波能量包络的提取： I、 对上述检测到的原始地震波数据进行归一化处理，包括振幅恢复、道间平衡和道内 平衡； II、 通过频谱分析和频散分析确定地震波信号的主频和频宽； III、 对归一化的地震数据进行带通滤波； IV、 对滤波后的数据进行静校正； V、 对静校正后的数据进行时频分析，可以得到四个检波器接收到的四道信号的时间 (T)、频率（F)和能量⑵的对应值； VI、 对上述的四道信号的能量进行叠加，即将二维平面内相同点（T，F)对应的能量P值 相加，完成一次反射槽波能量包络的提取，同时得出反射槽波能量包络所对应的时间t ; (4) 根据反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演波阻抗界面的位置；根据煤矿井巷 掘进尺度，每隔10~80m进行重复步骤（2)和（3);得出多次反射槽波能量包络所对应的 时间； (5) 通过连续跟踪探测，对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上进 行对比分析，得出波阻抗界面的位置，即异常构造的位置，具体如下： 设第一次探测反射槽波能量包络所对应的时间为Tl ;第二次探测反射槽波能量包络 所对应的时间为T2,两次探测掘进距离为S，槽波在煤层中传播的速度为V，则： 若fCTi-T2) = S，则第一次探测前方处存在波阻抗界面，即存在异常构造； 若$(T2 -Tl) = S，则第一次探测后方处存在波阻抗界面，即存在异常构造；若 ￥(T1-T2)= 0，则说明反射能量来自顶板或底板； 森 综上所述，通过对巷道不同位置处连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时间和 空间上的关系来预测波阻抗界面即异常构造的位置。
【专利摘要】本发明公开了一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，其具体步骤为：(1)建立槽波探测观测系统；(2)震源采用锤击，锤击点位于检波器J2和检波器J3的中部；(3)反射槽波能量包络的提取；(4)通过反射槽波能量包络所对应的时间t，来反演反射界面的位置；(5)利用连续跟踪探测对巷道不同位置处接收到的反射槽波信号在时间和空间上进行对比分析推断异常构造的位置；只需一个锤击点就可进行测试，而且测量精准度高，便于及时指导现场安全掘进。
【IPC分类】G01V1/00
【公开号】CN104880729
【申请号】CN201510200910
【发明人】杨真, 郭昌放
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月24日