用于分析位于地下矿场巷道上方的层的地质结构以及相对应力变化的方法及系统

摘要

在所提出的分析位于地下矿场采矿巷道上方的层的地质结构以及相对应力变化的方法中，将通过在时间上密切相关地记录来自地面系统的低频地震噪声(D

说明书

技术领域

本发明涉及一种方法及系统，其用于分析位于地下矿场巷道上方的层的地质结构以 及相对应力变化，以既定确定由于在此区域采矿造成岩层突裂的可能性而引起的地面上 基础设施的危险。

背景技术

现有技术水平

目前，使用侵入性方法来进行采矿巷道上方岩层的地质结构的确定，所述侵入性方 法包括激发由定位在矿场地面上的大功率致动器或爆炸物产生的在岩体中传播的地震 波。通常使用地震层析成像工具。

低频无源地震探测(LFS)方法的应用以及与区域性质的噪声相关的现象(通常由 例如地震、火山活动，大海或海洋的波浪、海流对大陆影响或气团的快速流动影响等自 然过程引起)从以下出版物中已知：当热尔S.(DangelS.)的“油气层上观察到的类震 颤信号的现象论(Phenomenologyoftremor-likesignalsobservedoverhydrocarbon reservoirs)”(火山学和地热学研究杂志(JournalofVolcanologyandGeothermal Research)，2003年，128(1-3)，第135到158页)；乔巴帝科夫A.V.(GorbatikovA.V.)、 加里宁娜A.V.(KalininaA.V.)、沃尔科夫V.A.(VolkovV.A.)等人的“在兰萨罗特岛、 加那利、西班牙的微震勘测数据分析结果(ResultsofAnalysisofDataofMicroseismic SurveyatLanzaroteIsland,Canary,Spain)”(纯粹与应用地球物理(PureAppl.Geophys)， 2004年，161，第1561到1578页)；或博乐格B.(BoullengerB.)的“用于CO₂监测 的时移地震噪声干涉测量的有限差可行性建模(FiniteDifferenceFeasibilityModellingof Time-lapseSeismicNoiseInterferometryforCO₂monitoring)”(代尔夫特理工大学，硕士 论文，2012年)。本地噪声是由通过的车辆的振动、装备、设备或人类的工作引起，或 由采矿或其它活动产生的碰撞引起。所分析地震信号的频率通常在区域性噪声的情况下 是从0.1Hz到3Hz，并且在本地噪声的情况下最多30Hz。与所分析地面地震波的频率 相关联的最大深度范围可以从几十米到几千米。

低频无源地震探测(LFS)方法的发展现在可能通过使用现代技术产生宽带传感器 并且通过使用平行计算提高计算能力。LFS方法使用多小时记录的数据，其迫使创建新 的应用用于记录、处理以及解释这些数据。在LFS方法中人们可以区分两种基本的方法： 微震探测(MS)方法和地震干涉测量(IS)方法。

当使用地震探测方法时，在多个移动测量站和固定基准站上进行记录，并且解释主 要是基于地震噪声的垂直分量。在每一点处每至少1小时执行一次记录以获得其平稳性。

反过来，使用地震干涉测量方法时，连续进行记录，采样选择用于特定任务而无需 移动传感器。所调查层的深度越浅，采样步骤就越少。可以使用瑞利类型的表面波和/ 或水平洛夫波的垂直分量来进行记录。记录长度取决于：所测试区域的波场的特性，包 含主频和传播方向，以及所执行的任务的类型，例如：监视变化、定位弱化区域、确定 介质结构。

国际专利申请WO2012044480(A2)揭示了地震干涉测量的数据处理方法以借助于 由调查船沿海底拖曳的低频地震传感器来研究海床的地质结构，其允许海床以下地质结 构的三维成像。所述方法使用格林函数来计算。

美国专利申请US2011069580(A1)描述了用于在确定地球的地下地质结构时修改地 震干涉测量的方向性的装置。

另一美国专利申请US2010315902(A1)揭示了一种使用记录由在岩体中发生的地震 现象产生的地震信号的地震干涉测量，用无源层析成像来成像地下结构的方法。此方法 还包含适配所检测信号的过滤速度。

科扎阿尼R.(CzarnyR)在“地震干涉测量方法概述(Anoverviewofthemethodof seismicinterferometry)”(采矿综述(MiningReview)，2014年，第7期)中描述了地震 干涉测量方法，所述方法在于用通过一对传感器记录的地震信号的相互相关或去卷积操 作来映射这对传感器之间的介质的冲激响应(格林函数)。此方法提供了非常广泛范围 的应用，从成像地球地壳的地下结构以及监视变化到地质工程应用。

马卡克H.(MarcakH.)、皮雷茨基Z.(PileckiZ.)、伊萨科夫Z.(IsakowZ.)和 科扎阿尼R.(CzarnyR)在“在采矿中使用地震干涉测量方法的可能性(Possibilitiesof usingseismicinterferometrymethodinmining)”(采矿综述(MiningReview)，2014年， 第7期)中描述了在采矿的地球物理学领域中使用此方法的趋势，并呈现了由采矿产生 的噪声的分析结果，其可以在使用地震干涉测量方法的研究中使用。呈现了此方法的数 学和物理基础。如上文已经提到的，在地震干涉测量方法中连续地执行记录，同时针对 特定地质和采矿条件个别地调整采样。所调查层的地质结构越浅，采样步骤就越少。使 用瑞利表面波和/或水平洛夫波的垂直分量来进行记录。记录长度取决于：所测试区域的 波场的特性，即主频和传播方向，以及任务的类型，即监视变化、或定位弱化区域、或 确定介质结构。

伊萨科夫Z.(IsakowZ.)、皮雷茨基Z.(PileckiZ.)和斯俄子奇P.(Sierodzki.P.) 在“现代的低频无源地震LOFRES系统(ThemodernLOFRESsystemoflow-frequency passiveseismics)”(采矿综述(MiningReview)，2014年，第7期)中示出了一种设计 为使用地震噪声通过低频无源地震探测LFS方法测试地下地质层的系统LOFRES。此系 统由于其测量功能而被设计成用来执行微震探测方法和地震干涉测量方法。所述系统由 固定的中央处理单元构成，所述中央处理单元无线地连接到移动数据采集模块，且随后 经由WI-FI自主接入点连接到测量站和基准站。

三轴低频测量站配备有经由模数转换器连接到微处理器上的三轴低频地震传感器， 并且配备有大容量的内部存储器、GPS接收器、无线传输系统以及电池。测量站使用三 轴低频地震传感器记录三个分量中的振动的速度。数据存储在传感器的具有几千兆字节 容量的内部非易失性存储器中。通过附接到每一测量站上的GPS接收器提供时间同步。 以WDS模式工作的自主接入点WI-FI以广泛区域增加WI-FI传输范围。

现有技术论述

以前使用的通过有源地震层析成像来分析位于采矿巷道上方的层的地质结构以及 相对应力变化的方法及系统的主要缺点是它们的繁琐性。这与侵入性方法的使用相关 联，特别是在所观察区域中矿场的地面用于住宅或工业建筑物和相关技术基础设施时的 区域中。

由伊萨科夫Z.(IsakowZ.)、皮雷茨基Z.(PileckiZ.)和斯俄子奇P.(Sierodzki.P.) 在上述文章“现代的低频无源地震LOFRES系统(ThemodernLOFRESsystemof low-frequencypassiveseismics)”中所揭示，以地震探测MS的形式使用一种低频无源地 震探测方法来识别位于所选择采矿巷道上方的层的地质结构以及相对应力变化。尽管是 非侵入性的并且具有良好的水平分辨率(波长的大约3.5％)，但是所述方法在实际使用 中低效且困难，因为它需要布置在不受采矿影响的区域中的基准站，并且对用于成像的 低频噪声的非平稳性敏感。MS方法还具有垂直成像的低分辨率(波长的约30％)。虽然 对噪声非平稳性不敏感且适于长期现场使用，但是地震干涉测量IS方法也以垂直成像 的低分辨率为特征，并且在此已知的形式中不可用于分析位于地下矿场巷道上方的层的 地质结构以及相对应力变化。

发明内容

发明目标

本发明的目标是提供用于通过低频无源地震探测非侵入性确定所选择矿场巷道上 方的层的的地质结构以及相对应力变化的新的且更可靠的方法及系统。能够在周期性的 或持续的基础上在本地构造冲击之前就地质异常状态和应力相对变化集中增大进行报 警是必需的。

发明主旨

根据本发明的方法的特征在于，将通过在时间上严格相关地记录来自地面系统的低 频地震噪声以及由采矿产生的地震碰撞而获得的来自移动测量数据记录器和来自矿场 地震系统的中心站的数据传输到固定处理中心。随后，使用用于噪声记录的地震干涉测 量方法以及用于冲击记录的无源速度和/或衰减层析成像，来处理优选地30秒的时间窗 中的呈由采矿产生的低频地震噪声和地震突发的三分量记录形式的所记录测量数据。

在此基础上，针对岩体的所调查部分以无源速度和/或衰减层析成像方法确定横波速 度的等值线以及纵波速度的等值线和/或衰减。最后，它们反映位于采矿巷道上方的层中 相对应力变化的平均状态。在采矿冲击的时刻，定位其震源坐标的参数以及在岩层突裂 中心中计算出的此事件的发生时间与以下相关：三轴低频纵波测量站的记录中由冲击产 生的波的首次到达时刻，以及从纵波的首次到达至达到冲击记录的首次最大值所计算出 的信号的相对应上升时间。上述纵波记录在矿场地面上。

在固定处理中心中，使用所采用的用于岩体所调查区域的相对应力变化的可接受阈 值，对采矿巷道上方岩体的所研究区域的层中相对应力变化的状态持续进行比较分析。 在当前测得的相对应力变化增大超过阈值的情况下，用信号发送已发生这种状况的位 置。随后，当在可视化信令模块中观测到相对应力变化时，将地震干涉测量层析成像以 及平均层析成像的空间结果从固定处理中心传输到矿场地震系统的中心站。

在根据本发明的系统中，固定处理中心优选地经由GSM调制解调器连接到移动测 量数据记录器以及到矿场地震系统的中心站上。此站连接到时钟以及可视化信令模块 上，并且经由本质安全的数字传输系统连接到具有至少四个地震地下测震站和/或具有至 少四个地震听地器站的矿场远程传输网络上。

发明效果

允许通过无源低频地震干涉测量方法以及无源地震层析成像方法(所述方法使用由 采矿产生的地震冲击)的相关使用来现行有效地分析采矿巷道上方的层的相对应力变 化，这提高了地下矿场的指定采矿区域上进行的测量的功能、分辨率以及精确性。本发 明使得能够先于区域性构造突裂较早地确定其中应力集中增大的位置。在矿场地面上存 在住宅和/或工业建筑物以及技术基础设施的区域中，这对适合的预防性手段的应用极为 重要。

分析相对应力变化使得能够对预期危险情况进行报警。本发明允许非侵入性穿透地 质层，延伸到几百米的深度，而不需要应用例如使用爆炸物等的人工地震波激发方法。 测量仅仅需要安装传感器并且创建用于测量与采矿地震系统相关联的低频无源地震探 测的系统。重要的是通过使用地震干涉测量方法缩短连续分析之间的间隔，其中由于使 噪声记录相关联因此不要求所记录噪声的平稳性。

附图说明

本发明以附图中的示例性实施例来说明，其中图1-示意性地示出测量系统连同在矿 场的地面以及地下的其分量的相互位置，以及图2-示出测量系统的方块图。

具体实施方式

使用地震干涉测量方法执行根据本发明的方法，地震干涉测量方法使用优选地从测 量开始处位于五个剖面线“k”中的四十个三轴低频测量站5到5_i。地震干涉测量方法 包括通过使用由一对三轴低频测量站5记录的地震信号的交叉相关或去卷积来映射岩体 的冲激响应(所谓的格林函数)。

为了使用地震干涉测量方法连续监视，有必要确保从直流电源8连续供应具有安全 电压的电源，并且使用具有本地自主WI-FI接入点4和移动测量数据记录器3的无线数 据传输网络WI-FI来无线接收数据，移动测量数据记录器3记录数据并且有利地以块传 输GPRS通过GSM调制解调器2将数据发送到固定处理中心1。使用地震干涉测量方法 处理来处理优选地30秒的时间窗中来自三轴低频测量站5的呈三轴低频地震噪声D_n.cz.形式的所记录测量数据。

通过无源地震层析成像方法的使用来处理三轴低频测量站5中记录的由采矿产生的 地震突发D_w.cz.，为此目的使用自动确定的地震波沿着地震射线从地震突发W的出现位 置过渡到三轴低频测量站5中记录的它们在地面上的位置的时间。在此基础上确定岩体 7的所研究区域的横波速度和纵波速度的等值线。它们体现位于岩体7所调查区域上方 的矿场巷道B上的层中的相对应力变化ΔNP。

在突裂W的时刻，坐标X、Y和Z的位置参数以及在矿场突裂的震源中的计算出 的时间To与以下相关：矿场A地面上三轴低频测量站5的记录中所记录的纵波的首次 到达时间Tp。这样做是为了自动地确定地震波沿着地震射线路径的过渡时间。这些时间 对确定波在这些方向上的传播速度是必需的。此外，为了允许另外使用空间的无源衰减 层析成像方法(所述方法在三轴低频测量站5中识别突裂信号记录之后同样识别相对应 力变化)，自动地确定从由突裂引起的纵波的首次到达时间Tp到所记录信号的首次最大 值的信号上升时间。

在地震干涉测量方法中使用地面波，其承载有关如以色散曲线形式描述的地质介质 的结构和特性的信息。在固定处理中心1中的处理包含：通过消除趋势和记录误差进行 数据质量控制，地面波在0.2Hz到15Hz范围内的过滤，一位标准化，用于每对测量站 的数据交叉相关性，选择具有最佳信噪比的相关性绘制，识别瑞利波的相速色散曲线， 横波速度的1D模型的色散曲线的反转、横波速度场的2D模型的开发，以及使用来自 三轴低频测量站5的多个测量剖面线“k”的数据开发横波速度场的空间(3D)模型。

具有专用算法的软件允许实时地进行测量，并使用计算机化的地震干涉测量方法对 其进行处理。通过处理，以横波速度的等值线形式获得所控制区域的空间观测。在不太 密集的地方观察到幅度的降低，横波速度应力较小，而在较密集的地方观察到幅度的较 大应力增大。

在根据本发明的方法中，对于空间无源速度或衰减层析成像，使用已知坐标X、Y 和Z的经定位矿场突裂和突裂震源的所计算时间To，以及在地面上测量网格P的节点 处布置的测量站5的记录中所产生波首次到达的所识别时间Tp。此层析成像的结果与低 频层析成像互补并且在使所获得的层析图相关联之后，它们增加分析的可靠性。

基于地面上记录的低频噪声D_n.cz.，从通过地震干涉测量方法获得的沿着特定剖面线 “k”的低频层析成像的平均映射形成横向波传播速度的空间分布。随后，纵向波传播速 度的空间分布从基于矿场突裂W的无源速度和/或衰减层析成像来形成，其体现矿场巷 道B上方岩体7的所研究区域的层中的相对应力变化状态ΔN。

随后，在固定处理中心1中，使用所采用的用于岩体7所研究区域的相对应力变化 的可接受阈值ΔNPgr，对相对应力变化ΔNP持续进行比较分析。在所测得的持续相对 应力变化ΔNP增大超过阈值(ΔNP≥ΔNPgr)的情况下，启动报警并且将层析成像以及 平均层析成像的空间结果从固定处理中心1发送到矿场地震系统的中心站10。在那里， 在连接到所述站上的可视化信令模块11中检测到的相对应力变化ΔNP。

在图1和图2中示出的根据本发明布置中，固定处理中心1在WI-FI网络中经由 GSM调制解调器2无线连接到移动测量数据记录器3，并且连续通过网状配置的两个自 主WI-FI接入点4连接到四十个固定的三轴低频测量站5的数字输出端，所述三轴低频 测量站在沿着剖面线“k”定位的五个测量面板6中分组。

在所调查采矿区域7上方布置具有三轴低频测量站5(SP)以及测量面板6-6k的测 量网格的测量节点P。它们的数目和位置取决于此区域的大小在每种情况下个别地确定。 三轴低频测量站5放置于地面中并且经由用避雷器固定的地下电信电缆线路供应恒定电 压直流电源8。三轴低频测量站5中的每一者配备有三轴低频地震传感器5a，其经由模 /数转换器5b连接到微处理器5c，具有大容量的内部非易失性存储器5d。微处理器5c 连接到电池5e上，并且通过自动充电电路5f连接到直流电源8和GPS时钟。

固定处理中心1还在以太网网络9中连接到配备有GPS时钟和可视化信令模块11 的矿场地震系统的中心站10。随后，矿场地震系统的中心站10经由本质安全的数字传 输系统12，通过矿场数字电信网络13连接到地下测震站14和地震听地器站15的数字 输出端。三轴低频测量站5连续地并且与GPS时钟同步记录来自三轴低频地震传感器 5a的呈低频地震噪声D_n.cz.形式的测量数据的时间。在通过具有模数转换器5b的微处理 器5c将这些数据处理至数字形式之后，所述数据存储在大容量的内部非易失性存储器 5d中。

随后，三轴低频测量站5在数百米的距离上通过增大传输范围的自主接入点WI-FI4 将上述测量数据传送到移动测量数据记录器3。所述数据也存储在那里，并且优选地通 过GSM通信调制解调器2或替代地经由有线因特网网络周期性地或连续地传输到固定 处理中心1。