本發(fā)明屬于煤礦巷道掘進的礦井安全技術(shù)領(lǐng)域，主要用于精確探測煤礦巷道掌子面前方的小斷層、陷落柱、采空區(qū)及沖刷帶等地質(zhì)異常情況，具體涉及一種煤礦采掘過程中的全方位槽波地震探測方法。

背景技術(shù)：

煤田地面勘探階段容易遺漏一些小構(gòu)造，比如煤層中小斷層、陷落柱等，這些小構(gòu)造在煤田普查勘探甚至礦區(qū)詳查階段，無論是鉆探或是其他地球物理方法，都很難發(fā)現(xiàn)，即使增加勘察精度，效果也不明顯，而且增大地面勘探精度造成的成本增加巨大，煤層中存在的這些地質(zhì)構(gòu)造，如小斷層、陷落柱及沖刷帶，嚴重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，尤其在煤礦巷道掘進階段，由于無法提前探明煤層地質(zhì)條件，煤層中存在的地質(zhì)構(gòu)造往往會引起塌方、冒頂、突水及瓦斯突出等生產(chǎn)事故，給煤礦生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，并嚴重危害煤礦人員的生命安全，在煤礦巷道掘進期間，提前探測出前方的地質(zhì)構(gòu)造分布情況，然后進行合理規(guī)劃和治理工作，從而可保障煤礦安全生產(chǎn)是煤炭生產(chǎn)企業(yè)主要工作之一。

井下槽波是形成于煤層內(nèi)的一種特殊地震波，槽波具有如下特點：槽波一些特征直接反映了煤層的結(jié)構(gòu)特點；槽波的傳播局限于煤槽內(nèi)，攜帶了大量煤層內(nèi)的地質(zhì)信息；在實際井下地震勘探采集到的地震信號中，槽波具有較強的能量，信噪比高，本發(fā)明主要是利用井 下槽波地震勘探以便能夠更有效的解決煤礦巷道掘進中的地質(zhì)問題，從而有效的保障煤礦安全生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述闡述，本發(fā)明的目的在于提供一種煤礦采掘過程中的全方位槽波地震探測方法。在煤礦井下煤層中的掘進巷道中，此方法可有效的、準確的在巷道掘進過程中連續(xù)探測巷道兩側(cè)煤層和掘進面前方地質(zhì)構(gòu)造，不影響掘進施工，在掘進完成的同時完成掘進面全方位的地質(zhì)構(gòu)造情況。

本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案：

一種煤礦采掘過程中的全方位槽波地震探測方法，包括以下步驟：

步驟一、硬件連接與系統(tǒng)布置：在工作面的掘進巷道的左右側(cè)幫、掘進掌子面布置檢波器，各個檢波器連接采集站，各采集站采用井下統(tǒng)一授時或地面GPS授時；

步驟二、數(shù)據(jù)采集：在巷道左右側(cè)幫設(shè)置深度1—2m的孔洞，孔洞里放置檢波器，對巷道掘進面工作時的炸藥爆炸震動作為點震源并采集點震源數(shù)據(jù)；

步驟三、地震數(shù)據(jù)預(yù)處理：對采集的地震數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和解編，并在建立觀測系統(tǒng)后，并置入數(shù)據(jù)道頭，進行道編輯，以去除壞道；

步驟四、數(shù)據(jù)處理分析和偏移成像：首先，對地震數(shù)據(jù)進行頻譜分析、時頻分析及極化分析，以獲得地震信號的頻率、能量和極化等 特征參數(shù)；其次，對地震數(shù)據(jù)進行振幅補償、濾波，以提高數(shù)據(jù)信噪比；然后，采用τ-ρ變換和F-K變換進行不同反射波的分離和P波與S波的波場分離；最終，對處理后的地震數(shù)據(jù)進行速度分析，以確定速度模型，再進行疊前偏移成像，以獲得3D偏移成像結(jié)果圖；

步驟五、綜合地質(zhì)解釋：結(jié)合已有地質(zhì)資料，根據(jù)偏移成像圖，開展地震地質(zhì)解釋，解釋出不同的反射界面對應(yīng)的不同的地層界面，最終，分析得出巷道前方及兩側(cè)探測范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造的空間分布情況。

步驟一中，采集站采用分布式采集站，采用井下恒溫晶振走時的方式。

步驟一中，采集站采用集中式采集站，采用線同步的方式保持時間同步。

步驟二中，檢波器道間距大于5米，如果震源過少，在巷道左右側(cè)幫鉆孔放置炸藥，炸藥爆炸激發(fā)的地震波傳播至工作面深處。

本發(fā)明采用全方位槽波探測方法能及時預(yù)測左右側(cè)工作面和掘進面前方的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力壓力等情況，為掘進和回采提供地質(zhì)參數(shù)和建議，可以有效的控制煤礦地質(zhì)災(zāi)害，減少因地質(zhì)原因引起的人員傷亡，為煤礦安全保駕護航，采用本發(fā)明，每次可以在巷道左右側(cè)幫探測距離可達100-300米，掘進面前方可達100米，在掘進過程中可大量節(jié)省探測次數(shù)，提高探測效率。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點有：

1、全方位槽波探測方法能及時預(yù)測左右側(cè)工作面和掘進面前方 的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力壓力等情況，為掘進和回采提供地質(zhì)參數(shù)和建議，可以有效的控制煤礦地質(zhì)災(zāi)害，減少因地質(zhì)原因引起的人員傷亡，為煤礦安全保駕護航。

2、采用本發(fā)明方法，每次可以在巷道左右側(cè)幫探測距離可達100-300米，掘進面前方可達100米，在掘進過程中可大量節(jié)省探測次數(shù)，提高探測效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為煤礦井下隨掘全方位地震探測方法原理示意圖；

圖2為3D含巷道超前探測模型Z＝30m時XY切片示意圖；

圖3為3D含巷道超前探測模型中測線(X＝40m，Z＝30m)的三分量地震剖面圖及提取的反射縱波地震剖面圖，其中圖3a為x量地震剖面圖，圖3b為Y分量地震剖面圖，圖3c為z分量地震剖面圖，圖3d為提取的反射縱波。

圖4為反射縱波的3D疊前偏移成像圖；

圖5為反射縱波的3D疊前偏移成像的XY(Z＝30m)平面圖。

1、反射波示意；2、炮點；3、檢波器；4、斷層；5、煤體；6、巷道；7、地層一；8、地層二；9、地震測線。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，實施例為一個典型的巷道超前探測3D模型，模型中含有1個巷道，巷道掌子面前方存在一個垂直斷層，斷層2側(cè)為不同地層巖石。在模型中的巷道2側(cè)布置地震測線，如圖2所示的地層一與地層二具體位置，通過基于3D彈性波動方程數(shù)值模擬，可獲得測線位置的3分量地震記錄，以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和成像方法的說明。3D超前探測模型的物性參數(shù)具體如下表所示。

表1巷道超前探測模型物性參數(shù)

應(yīng)用本發(fā)明提出的全方位地震探測方法，其具體可通過以下步驟實現(xiàn)：

步驟1：數(shù)據(jù)采集：采用在3D典型地質(zhì)地球物理模型中進行數(shù)值模擬得到相應(yīng)的地震記錄數(shù)據(jù)，其等同于實際井下按照觀測系統(tǒng)采集得到的實際地震數(shù)據(jù)。

在煤礦井下巷道的左右側(cè)幫布置深度約1-2m的鉆孔，鉆孔內(nèi)放置氣囊式檢波器；炮點采用在鉆孔深度約2m的孔中埋置約100-200g 炸藥；以炸藥爆炸為震源來采集地震波數(shù)據(jù)。

步驟2：地震數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先，將原始地震數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解編和格式轉(zhuǎn)換；再者，根據(jù)井下實際觀測系統(tǒng)布置，建立觀測系統(tǒng)，并置入數(shù)據(jù)道頭；最后，進行道編輯，以去除壞道。

步驟3：數(shù)據(jù)處理分析和偏移成像：首先，對地震數(shù)據(jù)進行頻譜分析、時頻分析及極化分析，以獲得地震信號的頻率、能量和極化等特征參數(shù)；其次，對地震數(shù)據(jù)進行振幅補償、濾波，以提高數(shù)據(jù)信噪比；然后，如圖3中圖3a—圖3d所示，采用τ-ρ變換和F-K變換進行不同反射波的分離和P波與S波的波場分離；最終，對處理后的地震數(shù)據(jù)進行速度分析，以確定速度模型，再進行疊前偏移成像，如圖4所示，以獲得3D偏移成像結(jié)果圖。

步驟4：綜合地質(zhì)解釋：如圖4和5所示，結(jié)合已有地質(zhì)資料和步驟3中處理得到的3D偏移成像圖，開展地震地質(zhì)解釋工作。最終，解釋出3D偏移成像圖中的不同反射界面對應(yīng)的不同的地層界面，從而可分析出巷道前方和兩側(cè)探測范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造的空間分布情況。

步驟3中所陳述的具體方法中的關(guān)鍵的克?；舴虔B前偏移算法的數(shù)學(xué)原理具體如下：

克希霍夫積分法偏移是實際地震數(shù)據(jù)成像處理中經(jīng)常使用的偏移方法。實現(xiàn)方法上，它類似于射線偏移方法中的繞射掃描疊加；理論上，在一定程度上等價于f-k域波動方程偏移(丁仁偉，2008)。

縱波齊次波動方程積分解為：

式中Q——擾動區(qū)內(nèi)的閉合曲面；

n——Q的外法線；

[]——延遲位，

r——p(x_p,y_p,z_p)至Q上各點的距離；

u(x_p,y_p,z_p,t)——Q內(nèi)某點p(x_p,y_p,z_p)在t時刻的波場函數(shù)值。

當(dāng)p(x_p,y_p,z_p)位于Q之外時，有

因為式(1-1)中出現(xiàn)了為簡化公式，需要消掉該內(nèi)容。

首先Q分別由地面Q₀和Q₁兩部分組成，其中Q₁為球面部分，且球面的半徑趨向于無窮大。所以Q₁的曲面積分對于p(x_p,y_p,z_p)點的波場函數(shù)的貢獻為零，所以式(1-1)可以改寫為

此外，由于z軸方向與外法線方向n相反，所以式(1-1)可以改寫為：

設(shè)p^*是p(x_p,y_p,z_p)關(guān)于Q₀的鏡像點，它的坐標(biāo)為(x_p,y_p,-z_p)由式(1-2)可得

其中r^*是p^*至Q₀上各點的距離，在Q₀上，容易得到

將式(1-6)帶入式(1-5)中，得到

將式(1-4)與式(1-7)相加，得到

式(1-8)便為半空間上的克希霍夫積分公式，式(1-8)中不再出現(xiàn)項了。

在遠場的情況下，1/r²＝1/r式(1-8)近似為

設(shè)r與界面外法線的夾角為則

式(1-9)可改寫為

當(dāng)處于遠場情況下，波前面可以被認為是平面，所以， 則將上式帶入式(1-9)中，得到式(1-12)：

獲得地震記錄的逆過程便是地震數(shù)據(jù)的偏移處理，現(xiàn)在我們已經(jīng)獲得地表記錄的地震波場，要求得到反射界面作為二次震源的空間位置。

如果式中u(x_p,y_p,z_p,t)滿足波動方程，當(dāng)將t改變?yōu)?sub>-t，則 u(x_p,y_p,z_p,-t)仍滿足波動方程。根據(jù)爆炸反射面成像原理，地表的地震記錄是反射面上各點同一時刻激發(fā)上行波得到的地表的地震波場，所以我們可以把地面上的接收點當(dāng)作二次震源，按時間將地表的地震波場“倒退”到初始狀態(tài)，尋找反射面的波場函數(shù)，以便獲得反射面。從能量的角度來看，也就是把界面反射上去、分步在各記錄道上的能量，重新匯聚在反射界面上，來顯示反射界面的空間位置。

因此，根據(jù)零炮檢距地震記錄向下延拓計算地下各點地震波場的克?；舴蚍e分公式可以表示為

其中

由于偏移成像是地震波場傳播的逆過程，所以式(1-13)中的 取在遠場情況下，克希霍夫積分法偏移公式可以表示為

分析上式可以看出克?；舴蚍e分偏移在方法上也是沿繞射雙曲線進行能量疊加，不過克?；舴蚱瓶紤]了地震波的波動特性?？梢詫⑸鲜椒譃閮刹糠諻和T：

其中W表示地震道每道的振幅加權(quán)值，T代表的是沿繞射曲線的疊加。

通過上述方法處理計算典型超前探測模型中的地震記錄數(shù)據(jù)后，可獲得圖4和5所示的反射界面成像結(jié)果圖。從圖4和圖5可知，僅利用測線1(X＝40m，Z＝30m)上所記錄的地震數(shù)據(jù)便可以有效的成像出地層界面R1。再者，對比圖5中X-Y水平切片和圖2理論地質(zhì)模型可知，成像結(jié)果的地層界面空間位置準確。

上述實施例中以超前探測巷道前方斷層為例進行了具體實施方式的詳細闡述。對于對巷道2側(cè)的地震探測可按照反射地震方法來處理。地層中存在的斷層和侵入巖等和煤層煤體中存在的斷層、陷落柱、采空區(qū)及侵入巖等對地震波場傳播產(chǎn)生的響應(yīng)特征是等價的，因此，本發(fā)明方法同樣可以直接應(yīng)用于有效的探測斷層、陷落柱、采空區(qū)及侵入巖等地質(zhì)異常。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。 因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準。