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

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
【技术领域】
[0001] 本发明设及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，属于煤巷 超前探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 我国是一个W煤炭为主要能源的国家，而且我国煤矿开采条件非常复杂，受水害、 冲击地压、煤与瓦斯突出、地质断层、地温等多种自然灾害困扰。各种灾害日趋显现，煤矿安 全问题日益突出，井下伤亡等矿难事故频发，严重制约着煤矿工业的安全生产。该些矿井灾 害主要与煤矿地质构造有关，而在煤巷掘进时，经常遇到采空区、断层、陷落柱等异常构造， 严重制约着煤巷的掘进进度，因此，预测预报煤巷前方异常构造对于安全掘进起着十分重 要的现实意义。
[0003] 目前煤矿主要的超前探测手段是采用钻探进行探测，但钻探施工效率低且存在一 孔之见的局限，如果施工不当还可能导致瓦斯爆炸及突水等事故。在该种背景下，地球物理 方法最近几年得到突飞猛进的发展；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、RTSP技术等；但MSP、RTSP技术通常需要在左右帮布置大量炮孔或键击点及S分量检波 点，施工时间长，后续处理步骤多，不利于及时指导掘进工作，并影响掘进工作进度。另外目 前虽有通过反射槽波进行异常构造超前探测的方法，但是其探测过程是通过接收的反射槽 波，然后检测出反射槽波的最大振幅及其所对应的时间，进而得出探测前方的异常构造；但 是由于煤巷内环境比较复杂，导致接收的反射槽波的波形会受影响相互叠加，该样对后续 检测出最大振幅比较困难，无法有效地检测出异常构造的位置。

【发明内容】

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供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，只需一个键击点就可进行测试，而且探测精准度高，施工时间短，后 续处理简单，便于及时指导现场安全掘进。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该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：
[0006] (1)建立槽波探测观测系统：
[0007]在煤巷左帮布置一个检波器J1，距迎头0~35m;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0~2m，检波器J3距右帮0~2m;在煤巷右帮布置一个 检波器J4,距迎头0~35m;四个检波器均布置在煤层中部；
[0008] (2)震源采用键击，键击点位于检波器J2和检波器J3的中部；四个检波器将键击 后检测到的地震波数据存储在主机中；
[0009] (3)反射槽波能量包络的提取：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] III、对归一化的地震数据进行带通滤波；
[0013] IV、对滤波后的数据进行静校正；
[0014] V、对静校正后的数据进行时频分析后，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；
[0015] 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，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;
[0016] (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；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；
[0017] (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：
[0018] 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：
[001引若^打1 -巧）=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-T1) =S，则第一次探测后方^处存在波阻抗界面，即异常构造；若 ^仍-口）=曰，则说明反射的能量包络来自顶底板；
[0020] 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。
[0021] 与现有技术相比，本发明基于反射槽波信号并采用能量包络进行预测，当在煤层 中激发地震波时，由于顶、底板围岩速度明显高于煤层中地震波的传播速度，当地震波入射 角大于临界角时会发生全反射，经过多次全反射混合叠加，在煤层中形成槽波，槽波作为一 团能量束缚在煤层中传播。如果遇到异常构造，槽波就会在分界面发生反射，通过反射槽波 能量包络对应的时间来反演波阻抗界面（即异常构造）距探测位置的距离，并通过对巷道 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异常构造的具体 位置；只需一个键击点就可进行测试，由于键击后地震波的能量主要在煤巷内，因此测定反 射槽波的能量包络，可得出异常构造的位置；其测量精准度高，后续处理简单，便于及时指 导现场安全掘进。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明的槽波超前探测观测系统图。
[0023] 图2是本发明的槽波跟踪探测示意图。
[0024] 图3是本发明的数据处理流程图。
【具体实施方式】
[00巧]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0026] 如图1至图3所示，本发明的具体步骤为；
[0027] (1)建立槽波探测观测系统：
[0028] 在煤巷左帮布置一个检波器J1，距迎头0~35m;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0~2m，检波器J3距右帮0~2m;在煤巷右帮布置一个 检波器J4,距迎头0~35m;四个检波器均布置在煤层中部；
[0029] (2)震源采用键击，键击点位于检波器J2和检波器J3的中部；四个检波器将键击 后检测到的地震波数据存储在主机中；
[0030] (3)反射槽波能量包络的提取：
[0031]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 道内恢复；
[0032]a、振幅恢复；通过震源激发产生地震波后，由于地震波在地下介质中的扩散，W及 地下介质对地震波的吸收作用，使得四个检波器所接收到的反射振幅减小。为了使反射振 幅与介质的反射层的特点实际结合，需要进行振幅恢复处理，具体方法如下：
[003引设地下介质均匀，则距震源r处地震波的振幅A为：
[0034]
(1)
[00；35]式中
[0036] A0-是无扩散、无吸收影响的真振幅值；
[0037] 1/r-是地震波的扩散因子；
[0038] 0 -是介质的吸收系数；
[0039]t-为接收的反射振幅的旅行时间；
[0040] 经上式逆推反射波的原始振幅值A。
[0041] A〇=Are日t似
[0042] 根据反射波实际旅行路径r=vt，V是地震波在介质中传播的平均速度，则有：
[0043]A〇=Avte 做
[0044] 由式（3)可恢复反射波的振幅；
[004引 b、道间平衡
[0046] 地震记录上反射能量随炮检距加大而衰减，另外也可能因为激发及接收条件的差 异，使道与道之间的能量不均衡；而共深度点叠加时，会因能量不均衡形成不等灵敏度叠 加，影响叠加效果，此时，进行与动平衡相似的处理，将各道乘上不同的权后输出，能量小的 道乘W大权，能量大的道乘W小权，W使各道的能量达到均衡。具体方法如下：
[0047] 设待均衡的记录道数为m道，其总的平均振幅为
[0048]
[0049] 每道的平均振幅为
[0050]
[0051] 式中i为道序号，j为道内采样点序号，n为记录道内采样点总个数，fu为第i道 第j点均衡前的振幅值；
[0052] 由W上公式可计算出第i道上的权系数
[0053]
[0054] 对第i道的每个采样点来说，Wi是个常数，第i道均衡后的振幅为
[00巧]Fi，j'=WiXfij
[0056] 对每道记录都按上述方法处理，就完成了道间平衡处理；
[0057] C、道内平衡
[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