一种天然源煤槽地震波勘探方法

摘要

本发明公开了一种天然源煤槽地震波勘探方法，先在巷道内布设观测系统，然后利用观测系统进行天然源槽波数据的采集，由于天然源槽波的频散特征与煤层厚度、煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度相关。接着采用扩展空间自相关法提取出天然源槽波的频散特征曲线；并采用波长深度转换系数法对获得的频散曲线进行解释，从而能得出巷道周围煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图，最后根据煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图确定周围煤层及围岩的地质信息。本发明通过利用天然源槽波进行地质探测，使其能在保证对煤层进行精准探测的前提下，具有观测系统布设方便使其每次探测效率高，且探测范围较广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层地震波勘探方法，具体是一种天然源煤槽地震波勘探方法。

背景技术

在现有的矿井地球物理勘探方法中，地震槽波勘探是具有发展潜力和应用前景的物探手段方法之一。它具有探测距离远、分辨精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别以及最终成果直观的优点。其震源是关键部分，直接影响地震信号质量。槽波地震勘探的常用震源有炸药震源、锤击震源、雷管震源、夯击震源、皮带机震源、掘进机震源、采煤机震源等。目前，矿井震源以炸药震源为主。

由于煤炭的开采过程中会伴随着煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、透水、顶板垮落等多种灾害事故。其中煤与瓦斯突出灾害一直是世界矿井领域的巨大难题之一，也是煤矿生产安全的最大威胁之一。随着采掘深度的不断增加，煤岩应力条件更加复杂，高瓦斯突出问题会愈加凸显出来。这些直接导致以炸药震源为主的槽波勘探在高瓦斯突出矿井中并不适用。锤击、夯击等震源相对操作简单，但其能量弱，可探测距离较短；掘进机、采煤机震源逐渐成为研究热点，但尚处于试验研究阶段，不适用于槽波勘探。因此如何找到一种新的非炸药震源槽波勘探方法，使其能在保证对煤层进行精准探测的前提下，具有观测系统布设方便使其每次探测效率高，且探测范围较广，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种天然源煤槽地震波勘探方法，利用天然源槽波进行地质探测，使其能在保证对煤层进行精准探测的前提下，具有观测系统布设方便使其每次探测效率高，且探测范围较广。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种天然源煤槽地震波勘探方法，具体步骤为：

A、观测系统布设及数据采集：在巷道靠近工作面的侧壁中部沿巷道走向呈一排布设多个检波器，且各个检波器之间的间距相等，将各个检波器均与地震监测仪连接组成观测系统；观测系统的各个检波器在一段时间内持续进行天然源槽波数据的采集，并将采集的数据反馈给地震监测仪，完成一次数据采集过程；

B、数据处理：采用扩展空间自相关法对步骤A采集的天然源槽波数据进行处理，获得天然源槽波数据的频散谱，沿着频散谱的能量脊能提取频散点，最终根据提取各个频散点得到天然源槽波数据的频散曲线；

C、频散曲线的解释：采用波长深度转换系数法对步骤B获得的频散曲线进行解释，从而能得出巷道周围煤层及岩层的纵横波速度剖面图，最后根据煤层及岩层的纵横波速度剖面图确定周围煤层及岩层的地质信息。

本发明利用天然源槽波探查巷道周围煤层及围岩的地质信息的原理是：目前行业公知，煤层中存在着频率低、发生时间长的天然震源，无论是地表各类人工或机械活动，还是下部工作面中的采煤工作区等机械运作、人工活动、岩层断裂都会因振动产生地震波。本申请的发明人研究发现，当这些地震波在地层传播过程中若以一定角度由巷道顶底板的岩土体入射到煤层内时，如图1所示，多种地震波会在煤层内发生相互干涉并形成天然源槽波，天然源槽波在巷道周围煤层及围岩内传播后进入巷道内，并且发明人进一步研究发现，利用天然源槽波进行地质勘探相较于人工锤击、夯击等震源，其具有探查范围大、能量较强、可探测距离远、操作简单、不影响生产和可持续监测的显著优势；并且由于煤巷地质条件沿巷道走向变化不大的情况下，天然源槽波的频散特征与煤层厚度、煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度相关。因此如能提取出天然源槽波的频散特征曲线，并确定巷道周围煤层及围岩距离巷道的不同深度位置中不同波长的煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度情况，则能得出巷道周围煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图，最后根据煤层及围岩各自的纵横波速度剖面图确定周围煤层及围岩的地质信息。

进一步，所述步骤B具体为：

扩展空间自相关法是保持频率不变，改变圆周半径，计算自相关系数并与贝塞尔函数拟合，求得自相关系数随距离的变化关系.不同半径下频率为f的空间自相关系数S定义为：

上式中，r

①选择一个提取频率，以线性排列的检波器中点为圆心点O，各个检波器与圆心点O之间的距离为半径，从而对不同半径的各个检波器进行数据提取；

②对提取到的数据进行滤波处理；

③分别计算不同半径圆心点O与圆周上第i个检波器采集微动信号的自功率谱S(r,ω)、S(r,ω,θ

④根据上述的公式将SPAC系数与贝塞尔函数进行拟合，求得SPAC系数随着距离的变化关系；再根据最小误差原则将其与第一类零阶贝塞尔函数J

进一步，所述步骤A中检波器的数量为12个，各个检波器之间的间距为10m，每次数据采集的时长为120s，数据的采样间隔为1ms。

进一步，所述步骤C具体为：

波长深度转换系数法中基于经典的槽波理论分析，计算出槽波波长与其勘探深度的转换关系为H＝K×λ；其中K为波长深度转换系数，H为勘探深度，λ为槽波波长；由于天然源槽波的频散曲线特征与煤层厚度、煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度相关，为了获取不同地层深度的K值，在该巷道进行地层探查之前，先在该矿区采用多种勘探方式进行地质探测获取该矿区巷道周围煤层及围岩距离巷道的不同深度位置中不同波长的煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度情况，从而确定巷道周围煤层及围岩不同深度位置的深度转化系数K；最后采用波长深度转换系数法对天然源槽波的频散曲线进行解释，从而得出巷道周围煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图，最后煤层及围岩各自的纵横波速度剖面图确定周围煤层及围岩的地质信息。

与现有技术相比，本发明先在巷道内布设观测系统，然后利用观测系统进行天然源槽波数据的采集，由于发明人研究发现天然源槽波的频散特征与煤层厚度、煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度相关。因此如能提取出天然源槽波的频散特征曲线，并确定巷道周围煤层及围岩距离巷道的不同深度位置中不同波长的煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度情况，则能得出巷道周围煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图，最后根据煤层及围岩各自的纵横波速度剖面图确定周围煤层及围岩的地质信息。接着本发明采用扩展空间自相关法提取出天然源槽波的频散特征曲线；并采用波长深度转换系数法对获得的频散曲线进行解释，从而能得出巷道周围煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图，最后根据煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图确定周围煤层及围岩的地质信息。因此本发明利用天然源槽波进行地质探测，使其能在保证对煤层进行精准探测的前提下，具有观测系统布设方便使其每次探测效率高，且探测范围较广。

附图说明

图1是本发明中天然源槽波形成的示意图；

图2是本发明观测系统的布置平面图；

图3是本发明中观测系统接收不同方向天然源槽波的示意图；

图4是本发明采集的天然源槽波的数据图

图5是本发明对图4采用扩展空间自相关法获得的频散谱结果图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的具体步骤为：

A、观测系统布设及数据采集：在巷道靠近工作面的侧壁中部沿巷道走向呈一排布设12个检波器，且各个检波器之间的间距均为10m，将各个检波器均与地震监测仪连接组成观测系统；如图3所示，观测系统的各个检波器在120s时间内持续进行天然源槽波数据的采集，数据的采样间隔为1ms，并将采集的数据反馈给地震监测仪，完成一次数据采集过程；

B、数据处理：如图4所示，采用扩展空间自相关法对步骤A采集的天然源槽波数据进行处理，获得天然源槽波数据的频散谱，如图5所示，沿着频散谱的能量脊能提取频散点，最终根据提取各个频散点得到天然源槽波数据的频散曲线，具体为：

扩展空间自相关法是保持频率不变，改变圆周半径，计算自相关系数并与贝塞尔函数拟合，求得自相关系数随距离的变化关系.不同半径下频率为f的空间自相关系数S定义为：

上式中，r

①选择一个提取频率，以线性排列的检波器中点为圆心点O，各个检波器与圆心点O之间的距离为半径，从而对不同半径的各个检波器进行数据提取；

②对提取到的数据进行滤波处理；

③分别计算不同半径圆心点O与圆周上第i个检波器采集微动信号的自功率谱S(r,ω)、S(r,ω,θ

④根据上述的公式将SPAC系数与贝塞尔函数进行拟合，求得SPAC系数随着距离的变化关系；再根据最小误差原则将其与第一类零阶贝塞尔函数J

C、频散曲线的解释：采用波长深度转换系数法对步骤B获得的频散曲线进行解释，从而能得出巷道周围煤层及岩层的纵横波速度剖面图，最后根据煤层及岩层的纵横波速度剖面图确定周围煤层及岩层的地质信息，具体为：

波长深度转换系数法中基于经典的槽波理论分析，计算出槽波波长与其勘探深度的转换关系为H＝K×λ；其中K为波长深度转换系数，H为勘探深度，λ为槽波波长；由于天然源槽波的频散曲线特征与煤层厚度、煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度相关，为了获取不同地层深度的K值，在该巷道进行地层探查之前，先在该矿区采用多种勘探方式进行地质探测获取该矿区巷道周围煤层及围岩距离巷道的不同深度位置中不同波长的煤层纵横波速度以及围岩纵横波速度情况，从而确定巷道周围煤层及围岩不同深度位置的深度转化系数K；最后采用波长深度转换系数法对天然源槽波的频散曲线进行解释，从而得出巷道周围煤层及围岩不同深度各自的纵横波速度剖面图，最后煤层及围岩各自的纵横波速度剖面图确定周围煤层及围岩的地质信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。