一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统

技术领域

本发明属于煤层检测技术领域，尤其涉及一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统。

背景技术

煤矿采空区富含水会对煤矿安全生产造成极大影响，某煤矿某一采区区域面积7.09平方公里，采区区域80％为煤层采空区，区域内地质构造相对清楚，采空区内积水大多通过放水巷流走，但不排除局部积水可能；另一采区区域面积5.01平方公里，采区区域30％为煤层采空区，区域内地质构造不明，采空区内积水大多数通过放水巷流走，但不排除局部积水可能。上述采区区域内地质水文条件复杂，采煤层受富(导)水构造及老空水威胁严重。因此，须进行地面勘探，以查明区内含水层的含水特征以及含导水特征，为未来区域内巷道、采煤工作面规划提供依据。

煤层中激发的地震波，部分能量经煤层顶底板多次全反射，互相叠加干涉，被煤层制导，仅在煤层及其附近的二维空间传播，形成槽波(又称通道波，channel waves)。槽波是只在煤层内部传播的地震波，也叫煤层波(seam waves)或导波(guided waves)。

含煤岩系中，通常煤层的密度比上下围岩的密度小，地震波在煤层中传播速度低，根据质点振动方向及其极化特征，槽波可分为勒夫型及瑞利型两类。勒夫型槽波由水平极化横波(SH波)干涉形成，质点在煤层内平行煤层层面、垂直于波的传播方向；槽波最重要的特征是频散，即不同频率的振动以不同的速度传播，使得槽波波列随传播而散开，同时使槽波的相速度与群速度具有明显的差异。相速度指单一频率谐和振动的传播速度。群速度指多个频率相近谐和振动组成的波包传播速度。频散越烈，相速度与群速度差异越大。

槽波勘探对断层、陷落柱等有害地质体能够起到一定的勘查效果，比如识别煤层的走向，但是在预估断层落差大小方面仍有待探索和研究。槽波勘探利用煤层对地震波的制导作用，对煤层内各种地质构造进行有效勘查。断层是煤巷掘进过程中潜伏的安全隐患，可能造成瓦斯突出或突水事故。

为解决上述问题，现有技术的中国专利：CN111965695A，公开日：2020年11月20日，提供一种基于反射槽波的小断层落差探测方法包括以下步骤：

步骤1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，观测系统主要由震源、等间隔分布的多个检波器、以及为震源和检波器提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；

步骤2，分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；

步骤3，对切除直达波后的震源记录进行主振幅提取，获取X分量反射槽波振幅；

步骤4，对X分量反射槽波进行滤波，获取滤波后X分量反射槽波能量；

步骤5，对比分析获得断层的能量变化规律，根据数据分析断层位置；

步骤6，提取反射槽波的子波类型，确定其频率大小；

步骤7，根据步骤5和步骤6所得的信息建立不同落差断层的三维空间模型，得到不同落差断层反射槽波的能量变化规律，达到探测小断层落差的目的。

再者，煤矿安全形势仍然十分严峻，出现矿难主要是煤与瓦斯突出事故和矿井突水事故，这两大灾害源都与矿井地质构造有关，其中地质构造以断层最为突出，因此预测预报煤巷前方断层对于安全掘进起着十分重要的现实意义。目前煤巷主要采用钻探进行超前探测，但钻探施工效率低且存在一孔之见的局限，如施工不当还可能导致瓦斯爆炸及突水事故。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技术及RTSP技术；但MSP、RTSP技术通常需要在左右帮布置24个炮孔或锤击点及多个三分量检波点，施工时间较长，且后续处理步骤多，不利于快速开展断层超前预报工作。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术质量检测点可布置中，分辨率低、对低阻反应步灵敏，不能有效地探测小断层落差数据或图像信息，不能为探测地下采空积水区信息提供依据，不能有效地防止水害发生，保证煤矿安全生产。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统。

所述技术方案如下：一种基于反射槽波的小断层落差探测方法，包括：

S1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，分析震源记录，确定反射槽波位置，进行直达波切除处理；三维煤巷单巷道观测系统由震源、等间隔分布的多个反射槽波激发设备、为震源和反射槽波激发设备提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；

S2，对切除直达波后的震源记录，利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；

S3，对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置。

在步骤S2中，所述小断层成像入射和反射槽波构建方法包括：

步骤1，利用多个反射槽波激发设备小断层成像入射基于入射的小断层成像进行反射槽波激发设备被激发的反射槽波弱反射小断层，并采集映射图像；

步骤2，重构小断层递变槽波，反射槽波激发设备偏移角度放置时再次采集映射图像；

步骤3，重构小断层反射槽波，计算小断层的入射槽波。

在步骤1中，所述反射槽波激发设备被激发的反射槽波弱反射小断层，包括：

通过

其中，

定义为：

式中，

其中，m

进一步，当反射槽波激发设备被激发的反射槽波在弱反射区域传播时，在输出边界Γ

其中，A是描述反射槽波激发设备被激发的反射槽波传输的矩阵，A

入射被激发的反射槽波方向为

定义：

其中，ω

在步骤1中，所述采集映射图像包括：

使用反射槽波激发设备采集小断层的映射图像，小断层每旋转一个角度采集一个映射图像，将每次采集的映射图像记录在计算机中。

在步骤2中，所述重构小断层递变槽波包括：

在成像中采用空间均匀分布的被激发的反射槽波对小断层进行辐射，通过反射槽波激发设备采集无小断层遮挡的辐射被激发的反射槽波测得入射被激发的反射槽波强度；对

式中，

采集到360度的测量数据G

在步骤2中，反射槽波激发设备偏移角度放置时再次采集映射图像包括：

将反射槽波激发设备件偏移一定角度θ放置，辐射源对固定在电控台上的小断层进行断层辐射，使用反射槽波激发设备采集小断层的映射图像，小断层每旋转一个角度采集一个映射图像，将每次采集的映射图像记录在计算机中。

在步骤3中，重构小断层反射槽波包括：通过以下公式获取，公式为：

式中，g

由上式知

将

Wμ

其中，W表示离散化后的权值矩阵，μ

其中表达式的第一项是似然函数的近似表达形式，第二项(μ

以n

利用最优化方法对Φ(μ

μ

计算入射槽波利用计算结果，计算小断层的入射槽波，利用关系式μ

进一步，所述对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，包括：

使用计算软件对小断层进行网格划分，建立表面辐射值与内部落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系；

利用最小二乘法求解获取的图像特征，进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置；

建立表面辐射值与内部落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系具体包括：

(1)基应用反射槽波激发设备采集所有角度的落差被激发的反射槽波数据；

(2)建立分层小断层模型，使用有限元网格剖分软件对小断层进行离散化，将成像区域Ω划分为m个互不重叠的单元Ω

(3)建立表面辐射值与落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系，构建落差被激发的反射槽波分子断层重构问题的方程；

式中，

利用最小二乘法求解获取的图像特征，进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置包括：基于同一网格，使用最小二乘法得到各节点的落差被激发的反射槽波落差值，记作：

output

式中，Y

本发明的另一目的在于提供一种基于反射槽波的小断层落差探测系统，该系统实施所述的基于反射槽波的小断层落差探测方法，该系统包括：

反射槽波位置确定模块，用于在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，观测系统主要由震源、等间隔分布的多个反射槽波激发设备、以及为震源和反射槽波激发设备提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；分析震源记录，确定反射槽波位置，利用常规方法进行直达波切除处理；

小断层空间分布获取模块，用于对切除直达波后的震源记录利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；

小断层落差位置获取模块，用于对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明对切除直达波后的震源记录利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取准确的小断层落差位置。确定了勘探区内煤层采空区及积水区分布情况，圈定采空及积水异常区位置及范围；确定了勘探区内断层等地质构造异常富导水情况，圈定富水异常区位置及范围。确定勘探区内各含水层富水区及水力联系，其中重点控制了煤顶底板主要含水层的相对富水区及水力联系。控制了勘探区内采空区范围相对富水区及水力联系。为保证原始资料的质量，整个施工过程采用基于反射槽波的小断层落差探测系统及反射槽波激发设备，质量检测点可布置多个，横向分辨率高、对低阻反应灵敏，可以有效地探测地下采空积水区。为做好探放水工作，从而有效地防止水害发生，保证煤矿安全生产。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；

图1是本发明实施例提供的基于反射槽波的小断层落差探测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的小断层成像入射和反射槽波构建方法流程图；

图3是本发明实施例提供的断层成像落差域优化方法流程图；

图4是本发明实施例提供的基于反射槽波的小断层落差探测系统示意图；

图中：1、反射槽波位置确定模块；2、小断层空间分布获取模块；3、小断层落差位置获取模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施例1，如图1所示，本发明实施例提供的基于反射槽波的小断层落差探测方法包括以下步骤：

S1，在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，观测系统主要由震源、等间隔分布的多个反射槽波激发设备、以及为震源和反射槽波激发设备提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；分析震源记录，确定反射槽波位置，利用常规方法进行直达波切除处理；

S2，对切除直达波后的震源记录利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；

S3，对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置。

如图2所示，在本发明实施例步骤S2中，小断层成像入射和反射槽波构建方法包括：

S201，利用多个反射槽波激发设备小断层成像入射，基于入射的小断层成像进行反射槽波激发设备被激发的反射槽波弱反射小断层，并采集映射图像；

S202，重构小断层递变槽波；反射槽波激发设备偏移角度放置时再次采集映射图像；

S203，重构小断层反射槽波，计算小断层的入射槽波。

在本发明实施例步骤S201中，所述反射槽波激发设备被激发的反射槽波弱反射小断层包括：

通过

其中，

定义为：

式中，式中，

其中，m

然后，在输出边界Γ

其中，A是描述反射槽波激发设备被激发的反射槽波传输的矩阵，A

入射被激发的反射槽波方向为

同时定义：

分别表示反射槽波激发设备被激发的反射槽波发生反射后和反射前的递变量，则有：

在本发明实施例步骤S201中，采集映射图像包括：

使用反射槽波激发设备采集小断层的映射图像，小断层每旋转一个角度采集一个映射图像，将每次采集的映射图像记录在计算机中。

在本发明实施例步骤S202中，所述重构小断层递变槽波包括：

在成像中采用空间均匀分布的被激发的反射槽波对小断层进行辐射，通过反射槽波激发设备采集无小断层遮挡的辐射被激发的反射槽波测得入射被激发的反射槽波强度；对

式中，

采集到360度的测量数据G

在本发明实施例步骤S202中，反射槽波激发设备偏移角度放置时再次采集映射图像包括：

将反射槽波激发设备件偏移一定角度θ放置，辐射源对固定在电控台上的小断层进行断层辐射，使用反射槽波激发设备采集小断层的映射图像，小断层每旋转一个角度采集一个映射图像，将每次采集的映射图像记录在计算机中。

在本发明实施例步骤S203中，重构小断层反射槽波包括：通过以下公式获取，公式为：

由上式知

将

Wμ

其中，W表示离散化后的权值矩阵，μ

其中表达式的第一项是似然函数的近似表达形式，第二项R(μ

以n

利用最优化方法对Φ(μ

μ

计算入射槽波利用计算结果，计算小断层的入射槽波，利用关系式μ

如图3所示，在本发明实施例步骤S3中，所述对获取的图像特征进行断层成像落差域优化包括：

S301，使用计算软件对小断层进行网格划分，建立表面辐射值与内部落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系；

S302，利用最小二乘法求解获取的图像特征，进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置。

在本发明实施例步骤S301中，建立表面辐射值与内部落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系具体包括：

(1)基应用反射槽波激发设备采集所有角度的落差被激发的反射槽波数据；

(2)建立分层小断层模型，使用有限元网格剖分软件对小断层进行离散化，将成像区域Ω划分为m个互不重叠的单元Ω

(3)建立表面辐射值与落差被激发的反射槽波目标分布的映射关系，构建落差被激发的反射槽波分子断层重构问题的方程；

式中，

步骤S302中，利用最小二乘法求解获取的图像特征，进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置包括：基于同一网格，使用最小二乘法得到各节点的落差被激发的反射槽波落差值，记作：

output

式中，Y

实施例2，如图4所示，本发明实施例提供的基于反射槽波的小断层落差探测系统包括：

反射槽波位置确定模块1，用于在煤巷单巷道内探测断层区域建立三维煤巷单巷道观测系统，观测系统主要由震源、等间隔分布的多个反射槽波激发设备、以及为震源和反射槽波激发设备提供位置坐标的三维直角空间坐标系构成；分析震源记录，确定反射槽波位置，利用常规方法进行直达波切除处理；

小断层空间分布获取模块2，用于对切除直达波后的震源记录利用小断层成像入射和反射槽波构建方法，获取小断层空间分布的图像特征；

小断层落差位置获取模块3，用于对获取的图像特征进行断层成像落差域优化，获取小断层落差位置。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。

基于上述本发明实施例记载的技术方案，进一步的可提出以下应用例。

根据本申请的实施例，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。

本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者被激发的反射槽波盘等。

为进一步证明上述实施例的积极效果，本发明基于上述技术方案进行如下实验：针对煤矿采空区富含水会对煤矿安全生产造成极大影响。本发明提出一种基于反射槽波的小断层落差探测方法及系统，确定了勘探区内煤层采空区及积水区分布情况，圈定采空及积水异常区位置及范围；确定了勘探区内断层、陷落柱等地质构造异常富导水情况，圈定富水异常区位置及范围。确定勘探区内山西组各含水层富水区及水力联系，其中重点控制了煤顶底板主要含水层的相对富水区及水力联系。控制了勘探区内采空区范围相对富水区及水力联系。为保证原始资料的质量，整个施工过程采用基于反射槽波的小断层落差探测系统及反射槽波激发设备，质量检测点可布置多个，横向分辨率高、对低阻反应灵敏，可以有效地探测地下采空积水区。标定出小断层落差的范围。为做好探放水工作，从而有效地防止水害发生，保证煤矿安全生产。

基于反射槽波的小断层落差探测系统及反射槽波激发设备测量合格率可达100％，优良级率高于95％。测点相对误差不大于0.5米，高程误差不大于0.5米，一级测线点位置误差不大于0.2米，高程误差不大于0.2米。由于地形的影响，无法探测的区域允许丢点，丢点率不大于2％。对于野外采集的数据，进行了当天逐条曲线进行验收，发现异常畸变点，及时的布置重复观测和检测，保证了原始记录的质量，并将各种属性数据及时输入计算机，绘制了断面图，进行纵向和横向对比分析，电磁勘探精度保证了在40×20米。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。