一种基于巷道束缚的伪天然源面波巷道底板地层探查方法

摘要

本发明公开了一种基于巷道束缚的伪天然源面波巷道底板地层探查方法，先在巷道内布设观测系统，然后利用观测系统进行伪天然源面波数据的采集，接着采用扩展空间自相关法提取出伪天然源面波的频散特征曲线；并采用波长深度转换系数法对获得的频散曲线进行解释，从而能得出巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。因此本发明能在保证对巷道底板下方地层探测精度的前提下，不仅具有观测系统布设方便使其每次探测效率高(仅需巷道内线性布设检波器即可)，且每次探测时无需工作面内的生产设备停产(本发明正是利用各种生产活动产生的地震波传导至巷道底板时转换成伪天然源面波)，从而有效保证煤矿的生产进度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层巷道底板地层探查方法，具体是一种基于巷道束缚的伪天然源面波巷道底板地层探查方法。

背景技术

煤矿采煤巷道下部断层等异常地质构造的存在，是威胁煤矿安全生产的重要因素之一。探明巷道底板的地层信息，探测隐伏构造的发育情况，对确保煤矿安全具有重要意义。

近年来，煤层巷道底板地球物理探测方法主要使用反射地震波、音频电透视和瞬变电磁法等手段，这些方法的探测精度较好。但是上述方法均对井下探测条件有较高的要求，如反射地震波法需要通过放炮制造人工震源获取地震信息，在放炮过程中需要执行严格的放炮安全规程，导致这种方式布设麻烦，导致每次探测效率较低；音频电透视和瞬变电磁法在进行探测时，为了保证探测精度，需要切断巷道内的通电电缆对各个设备的供电，使工作面内的生产设备停工，且这两种方法所使用的观测系统需远离金属导体布设，因此这两种方法每次探测时会严重影响煤矿的生产进度。因此如何提供一种方法，能在保证对巷道底板下方地层探测精度的前提下，不仅具有观测系统布设方便使其每次探测效率高，且每次探测时无需工作面内的生产设备停产，从而有效保证煤矿的生产进度，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，本发明提供一种基于巷道束缚的伪天然源面波巷道底板地层探查方法，能在保证对巷道底板下方地层探测精度的前提下，不仅具有观测系统布设方便使其每次探测效率高，且每次探测时无需工作面内的生产设备停产，从而有效保证煤矿的生产进度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于巷道束缚的伪天然源面波巷道底板地层探查方法，具体步骤为：

A、观测系统布设及数据采集：在巷道底板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伪天然源面波数据的采集，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采集的伪天然源面波数据进行处理，获得伪天然源面波数据的频散谱，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伪天然源面波数据的频散曲线；

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，从而能得出巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。

本发明利用伪天然源面波探查地层的原理是：目前行业公知，无论是地表的各类人工或机械活动，还是下部工作面中的人工或采煤机、井下矿车等机械运作都会因振动产生地震波。当这些地震波以大于临界角的角度入射到介质分界面时，产生全反射并发生相互间的相长干涉，在自由表面附近形成不均匀干涉波，如图1所示，这就是二维的天然源面波；本申请的发明人研究发现，由于煤巷是一个三维空腔，当天然源面波沿着巷道底板下方自由底界面传播时会受到两侧煤岩体强力的约束，形成有别于常规天然源面波的伪天然源面波，并且进一步研究发现，由于煤巷地质条件沿巷道走向变化不大的情况下，伪天然源面波的频散特征由底板地层速度特征和底板地层厚度所共同影响。因此如能提取出伪天然源面波的频散特征曲线，并确定底板下方各个地层的层数及其所处深度(即厚度)，则能得出各个巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。

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24个，各个检波器之间的间距为5m，每次数据采集的时长为30min，数据的采样间隔为2ms。

进一步，所述步骤C具体为：

波长深度转换系数法中认为面波数据的频散曲线拐点对应介质的层界面，从而能根据频散曲线的拐点进行解释地层的层数和速度；基于经典的面波理论分析，计算出面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为面波波长；由于伪天然源面波受两侧煤岩体约束，其频散特征受底板地层速度特征和厚度所共同影响，因此K的取值是一个受到巷道两侧煤岩体、底板地层厚度，层数，及每一层泊松比影响的变量，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底板地层厚度及层数，从而确定巷道底板不同地层的深度转化系数K；最后采用波长深度转换系数法对伪天然源面波的频散曲线进行解释，从而得出巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。

进一步，所述检波器为低频检波器。由于伪天然源面波信号频率较低，所以数据采集的检波器规格优选低频检波器，以保证能采到高质量的伪天然源面波信号。

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伪天然源面波数据的采集，由于发明人研究发现伪天然源面波的频散特征由底板地层速度特征和底板地层厚度所共同影响。因此如能提取出伪天然源面波的频散特征曲线，并确定底板下方各个地层的层数及其所处深度(即厚度)，则能得出各个巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。接着本发明采用扩展空间自相关法提取出伪天然源面波的频散特征曲线；并采用波长深度转换系数法对获得的频散曲线进行解释，从而能得出巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。因此本发明能在保证对巷道底板下方地层探测精度的前提下，不仅具有观测系统布设方便使其每次探测效率高(仅需巷道内线性布设检波器即可)，且每次探测时无需工作面内的生产设备停产(本发明正是利用各种生产活动产生的地震波传导至巷道底板时转换成伪天然源面波)，从而有效保证煤矿的生产进度。

附图说明

图1是本发明中受煤层巷道束缚伪天然源面波形成示意图；

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伪天然源面波的示意图；

图4是本发明采集的伪天然源面波的信号图

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能量图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明具体步骤为：

A、观测系统布设及数据采集：在巷道底板沿巷道走向呈一排布设24个低频检波器，且各个低频检波器之间的间距均为5m，将各个低频检波器均与地震监测仪连接组成观测系统；如图3所示，观测系统的各个低频检波器在30min时间内持续进行伪天然源面波数据的采集，数据的采样间隔为2ms，并将采集的数据反馈给地震监测仪，如图4所示，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采集的伪天然源面波数据进行处理，如图5所示，获得伪天然源面波数据的频散谱，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伪天然源面波数据的频散曲线，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，从而能得出巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息，具体为：

波长深度转换系数法中认为面波数据的频散曲线拐点对应介质的层界面，从而能根据频散曲线的拐点进行解释地层的层数和速度；基于经典的面波理论分析，计算出面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为面波波长；由于伪天然源面波受两侧煤岩体约束，其频散特征受底板地层速度特征和厚度所共同影响，因此K的取值是一个受到巷道两侧煤岩体、底板地层厚度，层数，及每一层泊松比影响的变量，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底板地层厚度及层数，从而确定巷道底板不同地层的深度转化系数K；最后采用波长深度转换系数法对伪天然源面波的频散曲线进行解释，从而得出巷道底板下方各个地层的横波速度剖面图，最后根据横波速度剖面图判断地层信息。

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。