阅读说明：本技术 一种基于冲击波激发震源的可变偏移距超前探测断层方法 (Variable offset distance advanced fault detection method based on shock wave excitation seismic source ) 是由 王勃 孙华超 刘盛东 龚震 李兴兴 王志丹 邢世雨 丁昕 张恒 张振东 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于冲击波激发震源的可变偏移距超前探测断层方法,采用冲击波激发震源,将冲击波激发震源放置到一个钻孔内,利用冲击波激发震源多次激震的特点,通过改变不同孔深的方式分别进行激发,从而产生多个震源,且多个震源与检波器之间的偏移距均不相同,每次激发后地震观测系统获取一次共炮点道集,然后将各个共炮点道集进行处理,获取各个震源产生的反射槽波在本盘断层面上的最大振幅反射点位置；最后通过各个最大振幅反射点位置得出回归线性方程,将回归线性方程的直线显示在坐标系的XOY面上,该直线的位置即为断层位置；从而使工作人员直观的获取断层走向参数。(The invention discloses a variable offset distance advanced fault detection method based on shock wave excitation seismic sources, which comprises the steps of exciting the seismic sources by adopting shock waves, placing the shock wave excitation seismic sources into a drill hole, utilizing the characteristic that the shock waves excite the seismic sources for multiple times of shock excitation, and respectively exciting by changing different hole depths so as to generate a plurality of seismic sources, wherein the offset distances between the plurality of seismic sources and a detector are different, a common shot point gather is obtained by a seismic observation system after each time of excitation, then each common shot point gather is processed, and the position of a maximum amplitude reflection point of a reflection channel wave generated by each seismic source on a fault plane of a local disk is obtained; finally, obtaining a regression linear equation through the position of each maximum amplitude reflection point, and displaying a straight line of the regression linear equation on an XOY surface of a coordinate system, wherein the position of the straight line is the position of a fault; therefore, the staff can visually acquire the fault strike parameters.)

一种基于冲击波激发震源的可变偏移距超前探测断层方法

技术领域

本发明涉及一种矿井地球物理探测方法，具体是一种基于冲击波激发震源的可变偏移距超前探测断层方法。

背景技术

煤巷掘进事故频发一直是困扰煤矿安全生产的难题，其中主要是由地质构造引起的突水或煤与瓦斯突出的灾害事故，导致灾害事故的主要原因是对迎头前方的断层探查精度较差；井下钻探由于“一孔之径”的问题不能全面的了解前方地质构造，且成本高；而地球物理学方法能够探测前方断层构造，其中地震超前探方法是目前煤矿地质勘探的主要方法；目前断层落差、倾向、倾角等参数技术已经解决，然而受到巷道地震超前探测极小偏移孔径的限制，断层走向参数难以计算。

地震超前探中的震源是决定地震超前探测成功与否的重要环节；传统的敲锤子震源能量弱；***震源虽能满足地震超前探测的需要，但其限制于煤矿条件，且审批过程复杂，因此新型震源的发展迫在眉睫；其中申请号CN201811061977.9专利提出的一种用于高瓦斯矿井的地震透射槽波勘探方法，提出的新型CO₂炮能够满足煤矿井下勘探的需要，是一种清洁的震源，解决了高瓦斯矿井对***震源的限制；但CO₂炮激发仪器受到CO₂储量的限制，难以在钻孔中循环激发。

授权号CN108121010B专利提出的基于孔巷联合的井下独头巷道槽波超前探测方法及系统通过在左右煤层内布置孔中检波器及巷道左右帮布置检波器提高巷道反射槽波的精度，但是该方法需要2个深孔布置检波器，工作量大，亟需研究新方法减少钻孔数量，以便提高效率；另外该方法后续还需人为地根据偏移成像剖面进行断层走向参数解释，不同技术水平的人员解释差异性大，易导致解释偏差，亟需一种探测结果直观、易识别的新方法。

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冲击波激发震源的可变偏移距超前探测断层方法，通过多次激发产生震源，能在坐标系内显示出断层位置，从而使工作人员直观地获取断层走向参数，便于后续工作的开展。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于冲击波激发震源的可变偏移距超前探测断层方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：在煤巷右帮距离迎头2m位置施工一钻孔，钻孔长度为N米，钻孔位于煤层中部且与煤巷顶底板平行；

步骤二：将冲击波激发震源送入钻孔最深处；

步骤三：在煤巷右帮布设m个安装孔，相邻安装孔的间距为3米，各个安装孔与钻孔的位置处在同一水平面上，在每个安装孔内均布置一个三分量检波器；各个三分量检波器与地震记录仪连接，建立煤巷掘进超前预报观测系统；

步骤四：冲击波激发震源从钻孔最深处进行第一次激发，然后由内向外每偏移2m激发一次，共计n次，形成震源S₁、S₂、S₃…S_n，各个三分量检波器实时接收各个震源产生的地震波并传递给地震记录仪；

步骤五：沿煤巷建立三维坐标系，其中X方向为指向迎头方向，Y方向为垂直于煤壁且垂直于迎头方向，Z方向为垂直于巷道顶底板且垂直于迎头方向，以模型左边界上巷道面的中心为原点建立三维坐标系，将各个震源位置与各个三分量检波器位置归入上述三维坐标系中；

步骤六：每个震源产生一个三分量共炮点道集，共产生n个三分量共炮点道集，对每个共炮点道集进行分析，在共炮点道集中选取来自本盘断层面上的反射槽波信号，求取每个共炮点道集在本盘断层面上的最大振幅反射点，分别为A₁，A₂，A₃…A_n；

步骤七：将所有最大振幅反射点归入三维坐标系的XOY面上，其坐标分别为A₁(x₁，y₁)、A₂(x₂，y₂)，A₃(x₃，y₃)…A_n(x_n，y_n)，并求取其回归线性方程；

步骤八：根据步骤七得出的回归线性方程在XOY面上形成的直线即为断层位置，从而确定断层走向。

进一步，所述步骤六的具体过程为：

(1)提取震源S₁产生的共炮点道集，从中选取带有三分量反射槽波信号的时窗t₁；

(2)从时窗t₁的反射槽波信号中选取埃里相位所在的时长t的三分量地震波进行分析；

(3)计算步骤(2)中时长t的三分量地震波，获取其极化参数，具体步骤如下：

Ⅰ、对X、Y、Z三个分量地震信号做Hilbert变换，如下：

式中：x(t)、y(t)、z(t)分别X、Y、Z分量，符号

表示Hilbert变换，

Ⅱ、建立Hermitian矩阵构造：

C(t)＝M*(t)·M(t)

式中，M(t)＝[hx(t)*hy(t)*hz(t)]，符号*表示矩阵的复共轭转置；

Ⅲ、求解获得最大特征值λ₁，其主极化方向集中在特征值λ₁所在特征向量方向上，求取特征向量归一化后表示为[x₁(t)，y₁(t)，z₁(t)]；

Ⅳ、主极化方向的方位角表示为：

V、根据以上参数进行振幅计算，其公式为：

其中Ω代表n个震源对应m个三分量检波器的所有地震道，A(t，f)代表一定频率的标量振幅的叠加函数，A_i代表振幅能量，L_s+L_R代表地震波传播的总路径，V_C代表槽波埃里相的波速，x、y、z代表每个震源、三分量检波器位置；主极化方向的权重函数C_i表达如下：

通过C_i能消除振幅计算中的左右假象，从而直接确定反射点位置在正Y方向还是负Y方向；

(6)通过上述(1)至(5)，即能确定反射槽波在本盘断层面上的最大振幅反射点位置，并记为A₁；

(7)对其他震源的共炮点道集进行分析，重复上述步骤(1)～(6)，获取其他最大振幅反射点，分别A₂，A₃，A₄…A_n。

进一步，所述步骤七的具体过程为：

(1)将所有的最大振幅反射点归入到三维坐标系的XOY面坐上，其坐标为A₁(x₁，y₁)、A₂(x₂，y₂)、A₃(x₃，y₃)…A_n(x_n，y_n)；

(2)分别求取：

(3)通过步骤(2)的参数得到回归线性方程：

从而保证尽可能多的反射点在直线上或者靠近直线位置。

与现有技术相比，本发明采用冲击波作为震源，将冲击波震源放置到钻孔内，利用冲击波震源多次激发的特点，通过改变不同孔深的方式分别进行激发，从而产生多个震源，且多个震源与检波器之间的偏移距均不相同，每次激发后地震观测系统获取一次共炮点道集，然后将各个共炮点道集进行处理，获取各个震源产生的反射槽波在断层界面上最大振幅反射点位置；最后通过各个最大振幅反射点位置得出回归线性方程，将回归线性方程的直线显示在坐标系的XOY面上，该直线的位置即为断层位置；从而使工作人员直观了解到探测出的断层位置，便于后续工作的开展。另外本发明采用的震源与传统***震源相比审查程序少且更安全，比CO₂炮震源相比可以多次循环利用；本方法仅需要施工一个钻孔，效率比现有技术提高一倍。

附图说明

图1是本发明中观测系统的布置示意图；

图2是采用本发明得出的反射点成像散点分布图。

图中：1、煤巷，2、三分量检波器，3、迎头，4、冲击波激发震源，5、断层。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图所示，本发明的具体步骤为：

步骤一：在煤巷1右帮距离迎头2m位置施工一钻孔，钻孔长度为N米，钻孔位于煤层中部且与煤巷顶底板平行；

步骤二：将冲击波激发震源4送入钻孔最深处；

步骤三：在煤巷1右帮布设m个安装孔，相邻安装孔的间距为3米，各个安装孔与钻孔的位置处在同一水平面上，在每个安装孔内均布置一个三分量检波器2；各个三分量检波器2与地震记录仪连接，建立煤巷掘进超前预报观测系统；

步骤四：冲击波激发震源4从钻孔最深处进行第一次激发，然后由内向外每偏移2m激发一次，共计n次，形成震源S₁、S₂、S₃…S_n，各个三分量检波器2实时接收各个震源产生的地震波并传递给地震记录仪；

步骤五：沿煤巷建立三维坐标系，其中X方向为指向迎头方向，Y方向为垂直于煤壁且垂直于迎头方向，Z方向为垂直于巷道顶底板且垂直于迎头方向，以模型左边界上巷道面的中心为原点建立三维坐标系，将各个震源位置与各个三分量检波器位置归入上述三维坐标系中；

步骤六：每个震源产生一个三分量共炮点道集，共产生n个三分量共炮点道集，对每个共炮点道集进行分析，在共炮点道集中选取来自本盘断层面上的反射槽波信号，求取每个共炮点道集在本盘断层面上的最大振幅反射点，分别为A₁，A₂，A₃…A_n；

步骤七：将所有最大振幅反射点归入三维坐标系的XOY面上，其坐标分别为A₁(x₁，y₁)、A₂(x₂，y₂)，A₃(x₃，y₃)…A_n(x_n，y_n)，并求取其回归线性方程；

步骤八：根据步骤七得出的回归线性方程在XOY面上形成的直线即为断层5位置，从而确定断层5走向。

进一步，所述步骤六的具体过程为：

(1)提取震源S₁产生的共炮点道集，从中选取带有三分量反射槽波信号的时窗t₁；

(2)从时窗t₁的反射槽波信号中选取埃里相位所在的时长t的三分量地震波进行分析；

(3)计算步骤(2)中时长t的三分量地震波，获取其极化参数，具体步骤如下：

Ⅰ、对X、Y、Z三个分量地震信号做Hilbert变换，如下：

式中：x(t)、y(t)、z(t)分别X、Y、Z分量，符号

表示Hilbert变换，

Ⅱ、建立Hermitian矩阵构造：

C(t)＝M*(t)·M(t)

式中，M(t)＝[hx(t)*hy(t)*hz(t)]，符号*表示矩阵的复共轭转置；

Ⅲ、求解获得最大特征值λ₁，其主极化方向集中在特征值λ₁所在特征向量方向上，求取特征向量归一化后表示为[x₁(t)，y₁(t)，z₁(t)]；

Ⅳ、主极化方向的方位角表示为：

V、根据以上参数进行振幅计算，其公式为：

其中Ω代表n个震源对应m个三分量检波器的所有地震道，A(t，f)代表一定频率的标量振幅的叠加函数，A_i代表振幅能量，L_s+L_R代表地震波传播的总路径，V_C代表槽波埃里相的波速，x、y、z代表每个震源、三分量检波器位置；主极化方向的权重函数C_i表达如下：

通过C_i能消除振幅计算中的左右假象，从而直接确定反射点位置在正Y方向还是负Y方向；

(6)通过上述(1)至(5)，即能确定反射槽波在本盘断层面上的最大振幅反射点位置，并记为A₁；

(7)对其他震源的共炮点道集进行分析，重复上述步骤(1)～(6)，获取其他最大振幅反射点，分别A₂，A₃，A₄…A_n。

进一步，所述步骤七的具体过程为：

(1)将所有的最大振幅反射点归入到三维坐标系的XOY面坐上，其坐标为A₁(x₁，y₁)、A₂(x₂，y₂)、A₃(x₃，y₃)…A_n(x_n，y_n)；

(2)分别求取：

(3)通过步骤(2)的参数得到回归线性方程：

从而保证尽可能多的反射点在直线上或者靠近直线位置。