CN114384583B - 一种基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法，在采煤机上布置滚筒先导传感器，并在多个液压支架上呈一排布设多个接收传感器，先获取某一位置的被动源地震记录；然后将滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的信号分别以设定长度进行等长分段，并以滚筒先导传感器的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，并且根据不同段运算结果垂直叠加，获得同一位置的主动源单炮记录；将被动源地震记录和主动源单炮记录进行干涉处理，最终得出该位置的地震干涉记录，重复上述步骤，将获取的多炮地震干涉记录在经过预处理后直接运用地震成像方法进行实时成像，实现沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面隐伏地质异常成像。

Description

一种基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法

技术领域

本发明涉及一种工作面地震探测方法，具体是一种基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法。

背景技术

随着中国浅部煤炭资源枯竭，进入深部开采的煤矿安全面临着底板岩溶承压水的威胁，这在相当程度上制约了煤炭安全生产和矿区经济循环发展。中奥陶统灰岩层是中国北方煤田主要的充水含水层，具有很高的承压水头，回采工作面的隐伏地质异常如断层、陷落柱等受采动影响，可能成为导水通道，造成淹井事故，严重威胁煤矿生活安全。因此，查明工作面隐伏地质构造具有重要的现实意义。

目前，煤层工作面开采之前通过物探及钻探的方法在一定程度上解决了查明隐伏地质异常煤岩的难题，但因工作面地质复杂性及探测准确性影响，仍难免存在遗漏，因为无法在开采之前将整个煤层工作面均完成准确探测，如无法准确探测工作面内部的地质构造，则有可能在后续工作面开采过程中造成重大安全事故的发生；目前为了降低发生安全事故的可能性，一般采用煤层工作面每向前推进一定距离后，停止工作面的开采工作，然后将探测设备运输到当前工作面所处位置，接着在该位置通过物探及钻探的方法进行一定范围的超前探测，完成探测后根据探测结果继续恢复采煤机对工作面的开采工作，然后再前进至上一次超前探测的范围界限时，再次使采煤机停机，并重复上述过程；这种方式虽能有效提高煤层工作面开采过程中的安全性，但是操作步骤繁琐，需要每次探测时将探测设备进行移动布设，探测结束后拆除；并且煤层探测时工作面均需要停止开采，从而导致工作面的开采效率大大降低，因此如何能提供一种方法，既能保证对煤层工作面内部的探测准确性，又能有效提高煤层工作面的开采效率，是本行业的研究方向之一。

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采煤机震源的工作面随采地震探测方法，既能保证对煤层工作面内部的探测准确性，又能有效提高煤层工作面的开采效率，实现对工作面安全高效的开采。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法，具体步骤为：

步骤一：在采煤机滚筒摇臂连接部位安装1个地震传感器，定义为滚筒先导传感器；沿采煤机各个液压支架并排方向在各个液压支架上呈一排布设n个接收传感器，且n个接收传感器等间距设置；滚筒先导传感器及各个接收传感器的灵敏度方向均与工作面回采方向平行；以切眼方向为X方向，以工作面回采方向为Y方向，建立超前探测模型；

步骤二：将采集基站放置于采煤机内，并将采集基站与滚筒先导传感器连接，用于采集滚筒先导传感器反馈的地震信号；将多通道基站放置于液压支架上，并将多通道基站与各个接收传感器分别连接，用于采集各个接收传感器反馈的地震信号；采集基站和多通道基站将各自采集的地震信号分别传输至井下环网，并通过井下环网实时送至地面服务器；

步骤三：将采煤机对工作面回采完整截割一次的过程作为一次连续监测片段，以工作面一侧开始切割煤体作为起点，确定回采位置为Y1，记录起始时间Ts1，将采煤机初始位置沿X方向划分成x1、x2、x3……xn，且相邻采煤机初始位置之间的距离为Δx；当采煤机初始位置为x1时，以每截割Δx作为单次震源时间ΔT，提取此时间内滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的地震信号作为假定虚拟震源在x1+Δx/2时的被动源地震记录；

步骤四：以上述ΔT内，将滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的信号分别以Δl等长分段，并以滚筒先导传感器的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，然后对于同一接收传感器不同段运算结果垂直叠加，即能转化输出震源在x1+Δx/2时的主动源单炮记录，并存储在地面服务器；

步骤五：将步骤三获得的被动源地震记录和步骤四获得的主动源单炮记录进行干涉处理，最终得出采煤机初始位置在x1时的地震干涉记录，然后重复步骤三和四依次获取采煤机初始位置在x2、x3……xn处的地震干涉记录，即能获得以工作面X方向上多炮地震干涉记录，将获取的多炮地震干涉记录在经过预处理(预处理包括到时校正，直达波切除、去噪、抽取CMP道集和速度分析等现有修正预处理过程)后直接运用现有地震成像方法(如克希霍夫偏移成像)进行实时成像，从而获得以切眼为X方向、工作面回采方向为Y方向的地震剖面，即回采位置为Y1时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面；

步骤六：当工作面回采到达Y2位置时，重复步骤三至五，能获得回采位置为Y2时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面；将该地震剖面与Y1时的地震剖面进行叠加与对比，从而获得回采位置为Y2时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面隐伏地质异常进行成像，若无地质异常，则采煤机继续进行后续的工作面回采过程，从而实现工作面随采地震探测；若存在地质异常，则进入步骤七；

步骤七：将随采探测异常信息实时传递给精细地质模型更新系统和采煤机控制系统，从而能起到实时预警的目的，为煤矿智能化开采提供地质保障。

进一步，所述采煤机若为双滚筒结构，则分别在采煤机左右滚筒摇臂连接部位各安装1个地震传感器，分别定义为滚筒先导传感器A和滚筒先导传感器B；两个滚筒先导传感器分别按照上述步骤分别进行计算，其中当采煤机初始位置沿X方向划分成x1、x2、x3……xn，相邻采煤机初始位置之间的距离为Δx时，定义先导传感器A所在滚筒位置为xa1、xa2、xa3……xan，先导传感器B所在滚筒位置为xb1、xb2、xb3……xbn；当采煤机初始位置为x1时，以每截割Δx作为单次震源时间ΔT，分别提取此时间内滚筒先导传感器A、B及各个接收传感器采集的地震信号作为假定虚拟震源分别在xa1和xb1时的被动源地震记录；以上述ΔT内，将滚筒先导传感器A及各个接收传感器采集的信号分别以Δl等长分段，并以滚筒先导传感器A的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，然后对于同一接收传感器不同段运算结果垂直叠加，即能转化输出震源在xa1时的主动源单炮记录，并存储在地面服务器；当以滚筒先导传感器B的信号为因子道时，按照与滚筒先导传感器A相同的处理过程即能转化输出震源在xb1时的主动源单炮记录；最终将滚筒先导传感器A和B各自获得的被动源地震记录和主动源单炮记录分别进行干涉处理，将处理后的地震干涉记录组合，从而能获得以工作面X方向上多炮地震干涉记录。这种双滚筒结构的采煤机，相比于单滚筒采煤机，其开采效率更高，并且由于双滚筒分别截割煤体，从而具有两个震源，通过滚筒先导传感器A和滚筒先导传感器B分别接收两个震源的地震，并分别与各个接收传感器获取的数据同时进行计算，最终能更快的得出工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面。

进一步，所述采集基站和多通道基站分别与井下环网之间的传输方式为有线传输或5G传输。

进一步，所述步骤四具体为：

(1)将滚筒先导传感器的信号按Δl分段，并依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算；

(2)互相关计算具体为：

式中，x(m)和y(m)分别表示参与互相关的滚筒先导传感器和接收传感器的信号，τ表示y(m)相对于x(m)的时移量，M表示参与互相关的信号长度；

(3)对互相关后的结果进行多段垂直叠加，由此获得时间长度为Δl的、震源在x1+Δx/2时的主动源单炮地震干涉记录。

与现有技术相比，本发明在采煤机上布置滚筒先导传感器，并在多个液压支架上呈一排等间距布设多个接收传感器，从而组成地震信号实时采集系统，利用采煤机滚筒截割煤岩体作为震源，并将采集的地震信号实时传输至地面服务器，先获取某一位置的被动源地震记录；然后将滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的信号分别以设定长度进行等长分段，并以滚筒先导传感器的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，并且根据不同段运算结果垂直叠加，获得同一位置的主动源单炮记录；将被动源地震记录和主动源单炮记录进行干涉处理，最终得出该位置的地震干涉记录，重复上述步骤，将获取的多炮地震干涉记录在经过预处理后直接运用现有地震成像方法进行实时成像，实现沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面隐伏地质异常成像，若前方存在地质异常，则能进行实时预警，使得工作人员能及时进行处理；若前方不存在地质异常，则继续进行工作面回采，从而实现工作面随采地震探测，为煤矿智能化开采提供地质保障。

附图说明

图1是本发明中的随采探测技术示意图；

图2是本发明中滚筒先导传感器的布置示意图；

图3是本发明中接收传感器获得的随采地震信号图；

图4是本发明中沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面隐伏地质异常成像图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

步骤一：如图2所示，在采煤机滚筒摇臂连接部位安装1个地震传感器，采用刚性连接并采用钢制保护壳保护以防止落煤损坏传感器，定义为滚筒先导传感器；沿采煤机各个液压支架并排方向在各个液压支架上呈一排布设n个接收传感器，且n个接收传感器以不大于10m等间距设置，各个接收传感器能随液压支架移动；滚筒先导传感器及各个接收传感器的灵敏度方向均与工作面回采方向平行；以切眼方向为X方向，以工作面回采方向为Y方向，建立超前探测模型；

步骤二：将采集基站放置于采煤机内，并将采集基站与滚筒先导传感器通过线缆连接，用于采集滚筒先导传感器反馈的地震信号；将多通道基站放置于液压支架上，并将多通道基站与各个接收传感器分别通过线缆连接，如图3所示，用于采集各个接收传感器反馈的地震信号；采集基站和多通道基站将各自采集的地震信号分别传输至井下环网，并通过井下环网实时送至地面服务器；上述线缆须采用屏蔽线设计，并尽量与采煤机、液压支架自身线缆联合布置，以保证随采信号的采集工作。

步骤三：将采煤机对工作面回采完整截割一次的过程作为一次连续监测片段，以工作面一侧开始切割煤体作为起点，确定回采位置为Y1，记录起始时间Ts1，将采煤机初始位置沿X方向划分成x1、x2、x3……xn，且相邻采煤机初始位置之间的距离为Δx；当采煤机初始位置为x1时，以每截割Δx作为单次震源时间ΔT，提取此时间内滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的地震信号作为假定虚拟震源在x1+Δx/2时的被动源地震记录；

步骤四：以上述ΔT内，将滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的信号分别以Δl等长分段，并以滚筒先导传感器的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，然后对于同一接收传感器不同段运算结果垂直叠加，即能转化输出震源在x1+Δx/2时的主动源单炮记录，并存储在地面服务器，具体为：

(1)将滚筒先导传感器的信号按Δl分段，并依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算；

(2)互相关计算具体为：

式中，x(m)和y(m)分别表示参与互相关的滚筒先导传感器和接收传感器的信号，τ表示y(m)相对于x(m)的时移量，M表示参与互相关的信号长度；

(3)对互相关后的结果进行多段垂直叠加，由此获得时间长度为Δl的、震源在x1+Δx/2时的主动源单炮地震干涉记录。

步骤五：将步骤三获得的被动源地震记录和步骤四获得的主动源单炮记录进行干涉处理，最终得出采煤机初始位置在x1时的地震干涉记录，然后重复步骤三和四依次获取采煤机初始位置在x2、x3……xn处的地震干涉记录，即能获得以工作面X方向上多炮地震干涉记录，将获取的多炮地震干涉记录在经过预处理(预处理包括到时校正，直达波切除、去噪、抽取CMP道集和速度分析等现有修正预处理过程)后直接运用克希霍夫偏移成像进行实时成像，从而获得以切眼为X方向、工作面回采方向为Y方向的地震剖面，即回采位置为Y1时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面；

步骤六：当工作面回采到达Y2位置时，重复步骤三至五，能获得回采位置为Y2时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面；将该地震剖面与Y1时的地震剖面进行叠加与对比，如土所示，从而获得回采位置为Y2时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面隐伏地质异常进行成像，若无地质异常，则采煤机继续进行后续的工作面回采过程，从而实现工作面随采地震探测；若存在地质异常，则进入步骤七；

步骤七：将随采探测异常信息实时传递给精细地质模型更新系统和采煤机控制系统，从而能起到实时预警的目的，为煤矿智能化开采提供地质保障。

进一步，所述采煤机若为双滚筒结构，则分别在采煤机左右滚筒摇臂连接部位各安装1个地震传感器，分别定义为滚筒先导传感器A和滚筒先导传感器B；两个滚筒先导传感器分别按照上述步骤分别进行计算，其中当采煤机初始位置沿X方向划分成x1、x2、x3……xn，相邻采煤机初始位置之间的距离为Δx时，定义先导传感器A所在滚筒位置为xa1、xa2、xa3……xan，先导传感器B所在滚筒位置为xb1、xb2、xb3……xbn；当采煤机初始位置为x1时，以每截割Δx作为单次震源时间ΔT，分别提取此时间内滚筒先导传感器A、B及各个接收传感器采集的地震信号作为假定虚拟震源分别在xa1和xb1时的被动源地震记录；以上述ΔT内，将滚筒先导传感器A及各个接收传感器采集的信号分别以Δl等长分段，并以滚筒先导传感器A的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，然后对于同一接收传感器不同段运算结果垂直叠加，即能转化输出震源在xa1时的主动源单炮记录，并存储在地面服务器；当以滚筒先导传感器B的信号为因子道时，按照与滚筒先导传感器A相同的处理过程即能转化输出震源在xb1时的主动源单炮记录；最终将滚筒先导传感器A和B各自获得的被动源地震记录和主动源单炮记录分别进行干涉处理，将处理后的地震干涉记录组合，从而能获得以工作面X方向上多炮地震干涉记录。

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。

Claims (4)

1.一种基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：在采煤机滚筒摇臂连接部位安装1个地震传感器，定义为滚筒先导传感器；沿采煤机各个液压支架并排方向在各个液压支架上呈一排布设i个接收传感器，且i个接收传感器等间距设置；滚筒先导传感器及各个接收传感器的灵敏度方向均与工作面回采方向平行；以切眼方向为X方向，以工作面回采方向为Y方向，建立超前探测模型；

步骤二：将采集基站放置于采煤机内，并将采集基站与滚筒先导传感器连接，用于采集滚筒先导传感器反馈的地震信号；将多通道基站放置于液压支架上，并将多通道基站与各个接收传感器分别连接，用于采集各个接收传感器反馈的地震信号；采集基站和多通道基站将各自采集的地震信号分别传输至井下环网，并通过井下环网实时送至地面服务器；

步骤三：将采煤机对工作面回采完整截割一次的过程作为一次连续监测片段，以工作面一侧开始切割煤体作为起点，确定回采位置为Y1，记录起始时间Ts1，将采煤机初始位置沿X方向划分成x1、x2、x3……xn，且相邻采煤机初始位置之间的距离为Δx；当采煤机初始位置为x1时，以每截割Δx作为单次震源时间ΔT，提取此时间内滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的地震信号作为假定虚拟震源在x1+Δx/2时的被动源地震记录；

步骤四：以上述ΔT内，将滚筒先导传感器及各个接收传感器采集的信号分别以Δl等长分段，并以滚筒先导传感器的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，然后对于同一接收传感器不同段运算结果垂直叠加，即能转化输出震源在x1+Δx/2时的主动源单炮记录，并存储在地面服务器；

步骤五：将步骤三获得的被动源地震记录和步骤四获得的主动源单炮记录进行干涉处理，最终得出采煤机初始位置在x1时的地震干涉记录，然后重复步骤三和四依次获取采煤机初始位置在x2、x3……xn处的地震干涉记录，即能获得以工作面X方向上多炮地震干涉记录，将获取的多炮地震干涉记录在经过预处理后直接运用现有地震成像方法进行实时成像，从而获得以切眼为X方向、工作面回采方向为Y方向的地震剖面，即回采位置为Y1时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面；

步骤六：当工作面回采到达Y2位置时，重复步骤三至五，能获得回采位置为Y2时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面随采地震剖面；将该地震剖面与Y1时的地震剖面进行叠加与对比，从而获得回采位置为Y2时沿工作面回采方向前方50m范围内的工作面隐伏地质异常进行成像，若无地质异常，则采煤机继续进行后续的工作面回采过程，从而实现工作面随采地震探测；若存在地质异常，则进入步骤七；

步骤七：将随采探测异常信息实时传递给精细地质模型更新系统和采煤机控制系统，从而能起到实时预警的目的，为煤矿智能化开采提供地质保障。

2.根据权利要求1所述的基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法，其特征在于，所述采煤机若为双滚筒结构，则分别在采煤机左右滚筒摇臂连接部位各安装1个地震传感器，分别定义为滚筒先导传感器A和滚筒先导传感器B；两个滚筒先导传感器分别按照上述步骤分别进行计算，其中当采煤机初始位置沿X方向划分成x1、x2、x3……xn，相邻采煤机初始位置之间的距离为Δx时，定义先导传感器A所在滚筒位置为xa1、xa2、xa3……xan，先导传感器B所在滚筒位置为xb1、xb2、xb3……xbn；当采煤机初始位置为x1时，以每截割Δx作为单次震源时间ΔT，分别提取此时间内滚筒先导传感器A、B及各个接收传感器采集的地震信号作为假定虚拟震源分别在xa1和xb1时的被动源地震记录；以上述ΔT内，将滚筒先导传感器A及各个接收传感器采集的信号分别以Δl等长分段，并以滚筒先导传感器A的信号作为因子道，依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算，然后对于同一接收传感器不同段运算结果垂直叠加，即能转化输出震源在xa1时的主动源单炮记录，并存储在地面服务器；当以滚筒先导传感器B的信号为因子道时，按照与滚筒先导传感器A相同的处理过程即能转化输出震源在xb1时的主动源单炮记录；最终将滚筒先导传感器A和B各自获得的被动源地震记录和主动源单炮记录分别进行干涉处理，将处理后的地震干涉记录组合，从而能获得以工作面X方向上多炮地震干涉记录。

3.根据权利要求1所述的基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法，其特征在于，所述采集基站和多通道基站分别与井下环网之间的传输方式为有线传输或5G传输。

4.根据权利要求1所述的基于采煤机震源的工作面随采地震探测方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

(1)将滚筒先导传感器的信号按Δl分段，并依次与各个接收传感器的信号进行分段互相关运算；

(2)互相关计算具体为：

式中，x(m)和y(m)分别表示参与互相关的滚筒先导传感器和接收传感器的信号，τ表示y(m)相对于x(m)的时移量，M表示参与互相关的信号长度；

(3)对互相关后的结果进行多段垂直叠加，由此获得时间长度为Δl的、震源在x1+Δx/2时的主动源单炮地震干涉记录。

Images