基于透射地震尾波的采煤工作面内隐伏地质构造探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于透射地震尾波的采煤工作面内隐伏地质构造探测方法，属于地质勘查技术领域。

背景技术

采煤工作面内隐伏地质构造(如断层、陷落柱等)是影响工作面安全高效开采的关键隐蔽致灾因素。隐伏地质构造一方面会影响工作面回采效率，甚至导致工作面的废弃，造成前期设计与施工等的经济损失；更重要的是，隐伏地质构造可能作为导水通道使得工作面与地下水连接，导致重大突水淹井事故的发生，其经济安全损失巨大。因此，有必要在工作面回采前查明其内部的隐伏地质构造，以保障后续的安全生产。

地球物理勘探是煤田地质构造探测的重要手段，尤其具有高分辨率特点的地震勘探。目前，针对煤层隐伏构造的地震勘探方法可分为两类：①煤田采区三维地震勘探技术。但是该技术由于多煤层强反射屏蔽等制约因素，导致高分辨率的地面三维地震勘探难以实现深部煤层下伏陷落柱的精准探测；②回采工作面地震探测技术。这种方式由于煤层对地震波能量的束缚，导致近目标体的回采工作面地震探测技术难以捕获位于工作面内、底板下方的异常。因此，基于高精度的回采工作面地震透/反射一体勘探方式，并摆脱煤层对地震波能量的束缚，是所需研究的方向，通过新的方式，能对采煤工作面内及底板下方的隐伏地质构造进行精确探测，为煤层安全开采提供关键技术手段。

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透射地震尾波的采煤工作面内隐伏地质构造探测方法，利用透射地震尾波进行分析处理，能有效摆脱煤层对地震波能量的束缚，从而对采煤工作面内及底板下方的隐伏地质构造进行精确探测，为煤层安全开采提供关键技术手段。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于透射地震尾波的采煤工作面内隐伏地质构造探测方法，具体步骤为：

步骤一：在采煤工作面的轨道顺槽、皮带顺槽及切眼共三条巷道各自的底板岩层上按照等间距的方式布设一排钻孔，每个钻孔轴线均垂直于底板，且将每排钻孔内的钻孔依次交替标记为炮孔及接收孔；

步骤二：建立工作面地震底板激发-接收多巷道联合观测坐标系统，其中工作面走向方向为X方向，宽度方向为Y方向，垂直向下为深度Z方向；在步骤一的各个接收孔中采用刚性耦合的方式分别布设一个检波器，且使检波器的接收方向为Y方向，分别记炮点坐标为(x

步骤三：在每个接收孔内完成检波器布设后，将所有检波器均与地震仪连接，此时形成底板激发-接收多巷道联合观测系统；接着在每个炮孔内均装设炸药，然后以每个炮孔位置作为震源，依次激发各个炮孔，每个炮孔激发时各个检波器均采集相应地震尾波记录；将采集的每一道地震数据均分别记录为M

步骤四：根据步骤三获取的地震数据拾取每道地震数据M

步骤五：根据步骤四获得的纵横波速度分布，并结合其中一道地震数据M

步骤六：重复步骤五依次计算所有道地震数据M

步骤七：将敏感核分布与隐伏地质构造相关的扰动位置联系起来，具体为：将工作面XY分割为0.1m边长的网格，以所有道地震数据M

步骤八：根据步骤七计算后，使得每个网格内存在多个扰动程度值分别为D

步骤九：根据步骤八获得每个网格的最终扰动程度值，从而获得工作面内部的扰动分布，并计算所有网格最终扰动程度值的平均值，对所有扰动分布进行统计分析，其中大于该平均值150％的位置处确定为隐伏构造强烈发育区域，大于该平均值100％的位置处确定为隐伏构造较发育区域，其余为一般区域，最终在工作面内绘制出隐伏地质构造的成像图，从而实现对工作面内隐伏地质构造的精准探测。

进一步，所述步骤一中间隔距离为10m。采用该布设距离即能保证所需的探测精度，而且能有效控制钻孔的布设数量，便于施工。

进一步，所述步骤一中钻孔的深度均为2m，孔径大小为60mm，不仅保证作为炮孔的钻孔内炸药的装填，也保证作为接收孔的钻孔内布设检波器。

进一步，所述步骤三中各个检波器的采样频率均为10kHz，采样点数均为4096，采样长度均为400ms。

进一步，所述步骤五中计算获得地震尾波扩散敏感核分布的过程为：

利用震源和接收点位置坐标，结合步骤四中层析成像结果的纵横波速度v的情况下，根据不同时延信号传播时间求取不同隐伏地质构造的地震尾波扩散密度函数K(s

(1)式中K(s

(2)式中，|s

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、现有常规的工作面地震勘探往往采用煤层激发接收方式，地震波主能量被束缚在煤层这一波导体中，导致无法对隐伏地质构造进行探测，本发明采用底板激发-接收的方式进行井下地震波场的采集，尽可能摆脱煤层对地震波能量的束缚，从而实现对工作面内隐伏构造的探测。

2、本发明创新性的采用透射地震尾波信号来进行采煤工作面隐伏地质构造的探测，这种地震波信号可突破传统煤层槽波仅对显著破坏煤层的地质构造有效这一局限性，其能对不同程度的地质构造均具有特定的反馈信号，通过接收该种反馈信号并对其进行分析处理，从而能获得工作面内的隐伏地质构造，并对其进行分级，最终实现对采煤工作面内及底板下方的隐伏地质构造进行精确探测。

3、本发明形成了一套集合信号采集、处理、成像与分级评价的采煤工作面内隐伏地质构造的透射地震尾波探测方法，该方法有利于提高现有工作面地质构造探测的精度与准确性，为煤层安全开采提供关键技术手段。

附图说明

图1是本发明中建立的底板激发-接收多巷道联合观测系统。

图2是本发明中不同底板激发-收发地震尾波信号敏感核在工作面内的分布示意图。

图3是本发明获得的采煤工作面内隐伏地质构造探测成果图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

本发明的具体步骤为：

步骤一：在采煤工作面的轨道顺槽、皮带顺槽及切眼共三条巷道各自的底板岩层上按照10m等间距的方式布设一排钻孔，每个钻孔轴线均垂直于底板，且将每排钻孔内的钻孔依次交替标记为炮孔及接收孔如图1所示；所述钻孔的深度均为2m，孔径大小为60mm，不仅保证作为炮孔的钻孔内炸药的装填，也保证作为接收孔的钻孔内布设检波器。

步骤二：建立工作面地震底板激发-接收多巷道联合观测坐标系统，其中工作面走向方向为X方向，宽度方向为Y方向，垂直向下为深度Z方向；在步骤一的各个接收孔中采用刚性耦合的方式分别布设一个检波器，且使检波器的接收方向为Y方向，分别记炮点坐标为(x

步骤三：在每个接收孔内完成检波器布设后，将所有检波器均与地震仪连接，此时形成底板激发-接收多巷道联合观测系统；接着在每个炮孔内均装设100g炸药，然后以每个炮孔位置作为震源，依次激发各个炮孔，每个炮孔激发时各个检波器均采集相应地震尾波记录，所述检波器的采样频率均为10kHz，采样点数均为4096，采样长度均为400ms；将采集的每一道地震数据均分别记录为M

步骤四：根据步骤三获取的地震数据拾取每道地震数据M

步骤五：根据步骤四获得的纵横波速度分布，并结合其中一道地震数据M

利用震源和接收点位置坐标，结合步骤四中层析成像结果的纵横波速度v的情况下，根据不同时延信号传播时间求取不同隐伏地质构造的地震尾波扩散密度函数K(s

(1)式中K(s

(2)式中，|s

步骤六：重复步骤五依次计算所有道地震数据M

步骤七：将敏感核分布与隐伏地质构造相关的扰动位置联系起来，具体为：将工作面XY分割为0.1m边长的网格，以所有道地震数据M

步骤八：根据步骤七计算后，使得每个网格内存在多个扰动程度值分别为D

步骤九：根据步骤八获得每个网格的最终扰动程度值，从而获得工作面内部的扰动分布，并计算所有网格最终扰动程度值的平均值，对所有扰动分布进行统计分析，其中大于该平均值150％的位置处确定为隐伏构造强烈发育区域，大于该平均值100％的位置处确定为隐伏构造较发育区域，其余为一般区域，最终在工作面内绘制出隐伏地质构造的成像图如图3所示，从而实现对工作面内隐伏地质构造的精准探测。

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。