斷層探查裝置以及斷層探查方法

專利名稱：斷層探查裝置以及斷層探查方法
技術領域：
本發明作為煤礦中的瓦斯突出防止對策的一環，涉及一種裝置以及方法，其通過在煤礦坑內進行煤礦開采之前人工地向煤層內激發彈性波，由振動傳感器對該彈性波的傳播和反射進行測量，以確定作為瓦斯突出發生原因的煤層內斷層的位置，由此而得以事先實施用以確保煤礦開采時的安全的瓦斯突出防止對策。
背景技術：
圖19是含有煤層內斷層的煤礦的垂直截面圖。如圖19所示，在煤礦中的煤層內斷層中積蓄巨大的地壓和煤層內甲烷氣體，在對煤層內斷層區域進行開采時，由于巨大的地壓和煤層內氣體壓力的釋放而產生甲烷氣體和破碎的巖石組向已被開采過的空間突然噴出的現象。該現象即是瓦斯突出。瓦斯突出會導致大量人員因窒息或伴隨著瓦斯突出的瓦斯爆炸而失去生命。因此，需要在開采前準確地預測作為瓦斯突出成因的煤層內斷層的存在，并在開采前通過排出瓦斯等來釋放地壓和煤層內氣體壓力。然而，作為瓦斯突出成因的煤層內斷層大部分都是從地表探查難以發現的小的斷層。以往，在煤礦坑內通過彈性波的傳播和反射進行的斷層探查技術中，例如有非專利文獻1所示的斷層探查技術。即是如下方法，通過多個振動傳感器對由設置在露出的煤礦內坑道的煤層內的炸藥等的振動激發器而被激發、并在煤層內傳播的振動波信號進行測量，根據該波形信號的振幅、相位的變化對振動波中的斷層面的反射波進行判別，并利用各振動傳感器對該反射波的接收時間差求出煤層內斷層的位置。此時，有時通過一次的振蕩和其接收信號不能明確地確定斷層的位置，可能要通過二次或者更多次的振蕩以煤層內傳播波形信號來確定斷層的位置。現有專利文獻非專利文獻非專利文獻1 Arnetzl，h. h.，等、“關于煤層內彈性波的應用的理論和粒子行為的吸收的研究”，第51次SEG國際會議1981年洛杉磯大會。

發明內容
發明要解決的技術問題來自設置在煤層內的炸藥等的振動激發器的彈性波信號是包含寬頻帶頻率的振動信號，又，在密度P和彈性波速度V不同的無限三層結構的中間層傳播，因此通過上下巖石層的反射和干涉產生波的分散，振幅、相位反復較大的變化而傳播。因此，在像非專利文獻1所公開的那樣，提出反射波信號然后根據該相位差信息計算出煤層內斷層的位置的情況下，在振動波信號的廣域頻率范圍內振幅和相位發生變化，因此位置的確定會產生較大的誤差。因此，本發明著眼于上述現有技術中所未解決的問題，其目的在于，提供一種可以準確地確定煤層內斷層位置的斷層探查裝置以及斷層探查方法。解決問題的技術手段〔發明1〕為了達成上述目的，發明1的斷層探查裝置，是對于比第一層密度小的第二層夾在兩個所述第一層之間的地質構造，在所述第二層內由振動激發器激發并在所述第二層內傳播的振動波形信號根據費馬原理產生分散現象而成為通道波的裝置，發明1的斷層探查裝置根據分散波動方程式計算出所述通道波的各頻率下的相位速度以及群速度，將該群速度曲線中的最小群速度作為使用于第二層內斷層探查的探查用通道波的傳播速度。〔發明2〕進一步地，發明2的斷層探查裝置是在發明1的斷層探查裝置中，在僅距所述振動激發器一定的距離的同一所述第二層內，通過以所述通道波的前進方向為X軸、 所述通道波的水平方向為Y軸、所述通道波的深度方向為Z軸而設置的多個三軸振動傳感器對所述通道波進行測量，并將得到的受波信號量子化之后進行FFT處理，根據所述FFT處理的結果求出振幅變化大的頻率范圍，通過在所得到的頻率范圍進行帶通濾波處理提取表示所述探查用通道波的探查用通道波信號，并包含所提取的探查用通道波信號的頻率、相位以及振幅這三個因子地計算出每個規定時間的重疊包絡線，基于計算出的重疊包絡線， 根據所述探查用通道波在每個規定時間的振動能量的變化，確定所述通道波透射所述第二層內斷層而得到的透射通道波、或者所述通道波在所述第二層內斷層反射而得到的反射通道波在所述第二層內的傳播狀態以及在所述第二層內斷層處的衍射或者反射的現象。〔發明3〕進一步地，發明3的斷層探查裝置是在發明2的斷層探查裝置中，根據所述三軸振動傳感器的設置位置數據以及所述探查用通道波信號通過極性試驗確定X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面中每個規定時間的振動粒子的行為。〔發明4〕進一步地，發明4的斷層探查裝置是在發明3的斷層探查裝置中，根據所述透射通道波或者所述反射通道波的X、Y、Z軸成分的振幅時間變化，求出所述探查用通道波信號的傳播狀態以及衍射或者反射的發生時間，使所述振動激發器和所述三軸振動傳感器的設置位置以及所述重疊包絡線的波形信號相關，將所述傳播狀態以及所述發生時間乘以所述最小群速度，將該信號時間軸變換為X-Y平面上的X軸上的距離坐標，從而在坑內俯視圖上顯示所述第二層內斷層的存在狀況和位置。〔發明5〕進一步地，發明5的斷層探查裝置是在發明2-4中的任意一個的斷層探查裝置中，在僅距所述振動激發器一定距離的同一所述第二層內形成鉆孔，將以規定間隔內置有所述三軸振動傳感器的套管設置在所述鉆孔內，并使在所述套管的外周的開口部設置的管膨脹，通過膨脹了的管將所述套管固定在所述鉆孔的孔壁上。〔發明6〕另一發明，為了達成上述目的，發明6的斷層探查方法，是對于比第一層密度小的第二層夾在兩個所述第一層之間的地質構造，在所述第二層內由振動激發器激發并在所述第二層內傳播的振動波形信號根據費馬原理產生分散現象而成為通道波的方法， 發明6的斷層探查方法中，根據分散波動方程式計算出所述通道波的各頻率下的相位速度以及群速度，將該群速度曲線中的最小群速度作為使用于第二層內斷層探查的探查用通道波的傳播速度。發明的效果
如上所述，根據發明1的斷層探查裝置或者發明6的斷層探查方法，由于將通道波的最小群速度作為探查用通道波的傳播速度，因此，與原來相比具有如下效果，可以準確地確定第2層內斷層的位置。進一步地，根據發明2的斷層探查裝置還可以得到如下效果，即可以判別是透射通道波還是反射通道波。進一步地，根據發明3的斷層探查裝置還可以得到如下效果，即可以根據振動粒子的行為把握透射通道波或者反射通道波的衍射或者反射的發生時間。進一步地，根據發明4的斷層探查裝置還可以得到如下效果，即可以把握第2層內斷層的存在狀況和位置。進一步地，根據發明5的斷層探查裝置還可以得到如下效果，由于套管被固定于鉆孔壁，因此可以準確測量通道波。


圖1是示出利用彈性波的斷層探查透射法的概要的圖。圖2是示出利用彈性波的斷層探查反射法的概要的圖。圖3是示出三軸振動傳感器Rl R24的構成的圖。圖4是示出煤層內斷層探查裝置100的構成的圖。圖5是煤層內斷層探查裝置100收集的信號的解析裝置200的框圖。圖6是示出三層結構內的通道波的傳播和粒子的行為的圖。圖7示出根據費馬原理的通道波的發生和傳播的概要的圖。圖8是示出拍振動O “振動)波形中相位速度c和群速度U的關系的圖。圖9是示出相位速度c和群速度U的關系的圖。圖10是示出將通道波信號的復數F(t)作為合成向量的模型圖。圖11是示出對通道波信號實行重疊包絡線處理的結果的實部f(t)和虛部f*(t) 的實例。圖12是示出粒子的應力波動合成向量的重疊包絡線和實部以及虛部的關系的圖，以及三維表示合成向量的實部和虛部的關系的圖。圖13是示出進行了自動增益控制處理的斷層探查透射法的通道波數據的圖。圖14是示出對通道波信號進行FFT處理的結果的圖。圖15是示出煤層內的通道波反射和衍射以及粒子行為的極性試驗的概要的圖。圖16是示出來自Y軸振動數據和Z軸振動數據的粒子行為的極性試驗例的圖。圖17是示出對斷層探查透射法的通道波數據進行重疊包絡線處理的結果的圖。圖18是示出根據最小群速度U、極性試驗的反射以及衍射現象的發生時間t以及包絡線處理結果來對煤層內斷層進行探查的結果的圖。圖19是含有煤層內斷層的煤礦的垂直截面圖。符號說明2…鉆孔，100···煤層內斷層探查裝置，10…探查機，IOa…屏障，IOb…探查部， IOc…磁帶輸送部，12…磁帶記錄器，14…套管，16…管，18，20…繼電器，22···通道切換裝置，M…爆破器，沈…電源箱，200…解析裝置，30…P波速度以及S波速度的測定結果，32…三層結構的波動方程式的模型解析，34···速度計算部，36···最小群速度確定部，38···確定結果制作部，40···記錄介質，42···AGC處理部，44···分離處理部，46···分離處理數據，48···FFT 處理部，50…監視器輸出部，52…波形顯示部，討…自動輸入控制部，56…帶通濾波測試部， 58…帶通濾波處理部，60···通道波判別部，62…重疊包絡線處理部，Tl，T2…振動激發器， Rl RM…三軸振動傳感器，Rlx, Rly, Rlz···振動傳感器，RT…觸發檢測振動傳感器
具體實施例方式下面對本實施形態進行說明。圖1至圖18示出本實施形態的圖。本實施形態根據利用煤礦的坑道的坑內彈性波斷層探查法準確地對從地表探查不能發現的小的煤層內斷層進行預測。通過在煤層內爆炸火藥等而被振蕩的波振動信號在被夾在密度大的巖石層中的密度小的煤層內傳播，因此，根據費馬原理該前進方向通常向密度小、傳播速度慢的煤層內中心部彎曲。其結果是，大部分振動能量被封閉在煤層內并傳播，從而產生煤層內通道波 (以下稱為通道波)。另外，通道波在煤層的中心附近能量集中，同時由于與巖石層的邊界面的影響振動波的速度根據頻率而不同。即是分散現象，是不同頻率的波合成的拍信號，隨著時間相位、振幅發生變化(以下，將通道波作為拍信號的一種)。而且，拍信號的特征在于，具有各頻率的相位速度和作為拍信號的群速度。本實施形態的坑內彈性波斷層探查法，包含通道波的頻率、相位以及振幅三個因子，通過重疊包絡線處理，計算出通道波的每個單位時間的振動能量，并利用其傳播和反射的特征精密地確定煤層內斷層的位置。首先，對適用于本發明的煤層內斷層探查裝置100的構成進行說明。圖1是示出利用彈性波的斷層探查透射法的概要的圖。圖2是示出利用彈性波的斷層探查反射法的概要的圖。坑內彈性波斷層探查法包括斷層探查透射法和斷層探查反射法。如圖1所示，斷層探查透射法是將通道波投射煤層內斷層，根據得到的投射通道波的單位時間的振動能量的變化來確定煤層內斷層的位置的方法。如圖2所示，斷層探查反射法是將通道波在煤層內斷層反射，根據得到的反射通道波的單位時間的振動能量的變化來確定煤層內斷層的位置的方法。如圖1以及圖2所示，煤層內斷層探查裝置100包括通過火藥爆炸等產生振動波的振動激發器Tl、T2 ；多個三軸振動傳感器Rl R24，其接收由振動激發器激發并在煤層內傳播的通道波；探查機10，其對三軸振動傳感器Rl RM得到的受波信號進行測量；磁帶記錄器12，其對探查機10得到的受波信號進行記錄。圖3是示出3軸振動傳感器Rl R24的構成的圖。圖3 (a)是套管14的側視圖。 圖3(b)是套管14的垂直截面圖。圖3(c)是沿著圖3(b)中的a-a’線的截面圖。首先在僅離開振動激發器Tl、T2—定距離的同一煤層內的沿層坑道內通過鉆孔機械形成任意長度的鉆孔2。然后，如圖3所示，在鉆孔2內設置能夠連接延長的一定長度的套管14。在套管14內以規定間隔配置三軸振動傳感器Rl R24。三軸振動傳感器Rl 由振動傳感器Rlx、振動傳感器Rly、振動傳感器Rlz構成，振動傳感器Rlx對以通道波的前進方向作為X軸的X軸方向的振動進行檢測，振動傳感器Rly對以與X軸垂直相交的水平
6方向作為Y軸的Y軸方向的振動進行檢測，振動傳感器Rlz對以深度方向作為ζ軸的Z軸方向的振動進行檢測。作為振動傳感器Rlx、Rly、Rlz，可以采用例如使用壓電元件的加速度傳感器。其它的三軸振動傳感器R2 RM也具有同樣的構成。在套管14的外周形成開口部，并且安裝有覆蓋開口部的橡膠制的管16。將套管14設置在鉆孔2內之后，通過從開口部向管16內注入空氣而使管16膨脹，通過膨脹的管16將套管14固定于鉆孔2的壁面。
圖4是示出煤層內斷層探查裝置100的構成的圖。 進一步地，如圖4所示，煤層內斷層探查裝置100包括連接三軸振動傳感器Rl R12的繼電器18 ；連接三軸振動傳感器R13 R24的繼電器20 ；連接繼電器18、20的通道切換裝置22 ；起動振動激發器T1、T2的爆破器M ；取得振動激發器Τ1、Τ2的激發時刻的觸發檢測振動傳感器RT ；供給用于驅動煤層內斷層探查裝置100的電源的電源26。繼電器18連接于繼電器20，繼電器20連接于通道切換裝置22，因此，通道切換裝置22通過繼電器18、20被輸入三軸振動傳感器Rl R12的傳感器信號、通過繼電器20被輸入三軸振動傳感器R13 RM的傳感器信號。通道切換裝置22每個規定時間切換通道， 三軸振動傳感器Rl R24的傳感器信號分時依次輸出。探查機包括從通道切換裝置22輸入傳感器信號的屏障IOa ；對通過屏障IOa輸入的傳感器信號進行處理的探查部IOb ；將探查部IOb處理了的傳感器信號向磁帶記錄器 12輸出的磁帶輸送部10c。探查部IOb —旦通過觸發檢測振動傳感器RT檢測到振動激發器T1、T2的激發，即開始對由三軸振動傳感器Rl RM得到的受波信號的測量，并通過磁帶輸送部IOc將受波信號數據向磁帶記錄器12輸出規定時間(例如l[s])。由此，受波信號數據通過磁帶記錄器12被記錄到磁帶等的記錄介質中。接下來，對煤層內斷層探查裝置100的功能進行說明。圖5是在煤層內斷層探查裝置100收集信號的解析裝置200的功能框圖。進一步地，如圖5所示，煤層內斷層探查裝置100具有通過斷層探查透射法以及斷層探查反射法對煤層內斷層的位置進行確定的解析裝置200。解析裝置200由例如被設置在煤礦的礦坑外的超級計算機等構成，將CPU(中央處理器)、ROM (只讀存儲器)、RAM(隨機存取存儲器)以及I/F等與總線連接而構成。受波信號數據被分配給由磁帶記錄器12記錄的記錄介質之后，即從記錄介質中讀取受波信號數據，并對讀取的受波信號數據進行數據處理，根據其結果對煤層內斷層的位置進行確定。解析裝置200包括速度計算部34，其根據巖石材料的P波速度以及S波速度的測定結果30、通過三層結構的波動方程式的模型解析32從分散波動方程式中計算出通道波的不同頻率下的相位速度以及群速度；最小群速度確定部36，其根據速度計算部34計算出的相位速度以及群速度確定群速度曲線的最小群速度；確定結果制作部38，其根據P波速度以及S波速度的測定結果30以及最小群速度確定部36確定的最小群速度制作煤層內斷層的位置確定結果。解析裝置200還包括AGC處理部42，其對從記錄介質40中讀取的受波信號數據實行自動增益控制(AGC)處理；分離處理部44，其對由AGC處理部42處理的處理數據實行分離處理；FFT處理部48，其對由分離處理部44處理的分離處理數據46實行FFT處理。解析裝置200還包括監視器輸出部50，其將由AGC處理部42處理的處理數據輸出到監視器中；波形顯示部52，其基于分離處理數據46顯示波形；自動輸入控制部M，其基于分離處理數據46進行自動輸入控制。解析裝置200還包括帶通濾波測試部56，其對由FFT處理部48處理的處理數據進行帶通濾波測試；帶通濾波處理部58，其對由帶通濾波測試部56處理的處理數據實行帶通濾波處理；通道波判別部60，其基于由帶通濾波測試部56處理的處理數據通過極性試驗對通道波進行判別；重疊包絡線處理部62，其對由帶通濾波處理部58處理的處理數據實行重疊包絡線處理。接下來對各部；34 38、42、44、48、56 62的數據處理進行說明。本實施形態是對煤礦坑內中煤層內存在的斷層的位置進行確定的裝置以及方法， 其采用作為分散性彈性波動的通道波信號和其最小群速度。在厚度h的煤層夾在兩個巖石層的地質構造中，在巖石層的密度為P 1、切變模數為μ 1、彈性波速度為vl、煤層的密度為P2(P1> P 2)、切變模數為μ 2、彈性波速度為ν2 的情況下，對于上述情況下在煤層內由于火藥爆炸等而被激發并在該煤層傳播的、具有寬頻帶的頻率的振動波形信號，若該波的速度為C、表面波波長為L，則上述變量的關系如下。c = f(vl、v2、P 1、P 2、h、L)... (1)兩邊的維度并不一定相等，對其進行無維化處理，結果如下式(2)所示。c = Const, vl. fl (vl/v2、P 1/ P 2、h/L)…O)由于函數f 1中包含有h/L，只要與h相關，波的速度c就依存于波長L和層厚h。 即，波的速度c是波長L的函數，產生各波長的速度各不相同的分散現象。在分散性波動的傳播中，各頻率的相位速度c都不同，由于分散現象產生頻率、相位、振幅隨著時間變化的群速度U的拍波動的一種、即通道波。圖6示出三層結構內的通道波的傳播和粒子的行為。圖7示出根據費馬原理的通道波的發生和傳播的概要。例如，對于在煤層內由于火藥爆炸等而被激發的波動振動信號，若存在頻率、相位稍微不同的2組波(只是Δ ξ、Δ ω為微小量)如下u+ = Acos [( ξ +Δ ξ )χ-(ω + Δ ω) ] = Acos [ ( ξ χ- ω t) + ( Δ ξ · χ- Δ ω · t)]u_ = Acos [( ξ -Δ ξ )χ-(ω-Δ ω) ] = Acos [ ( ξ χ- ω t) _ ( Δ ξ · χ- Δ ω · t)]... (3)則其合成結果如下u = u++u_ = 2Α · cos ( Δ ξ · χ- Δ ω · t) · cos ( ξ χ- ω t)…⑷這里，滿足下式(5)角頻率ω =2π / = 2 π /T頻率f = 1/T = ω/2 π周期T = 1/f = 2 π/ω波長L = cT = 23i/^速度c = L/T = ω/ξ波數ξ = 2π/L= ω/c... (5)
這里，1!+、1!-這兩個波都是波長約為231/^、周期約為231/ 的簡單的平面波。但是，它們的合成波U的最后的因子C0s(Ix-COt)與它們相當，但是另一個因子 cos(A ξχ-Δ ω )具有完全不同的性質。波長為2 π/Δ ξ、周期為2π/Δ ω，若Δ ξ、 Δ ω為微小量的話，則所述波長和周期就會成為巨大的量。因此，u可以看做是具有振幅 2aAcos ( Δ ξ X-Δ cot)的波。如不考慮快的振動，只著眼于其振幅的變化，該速度U即是系數t和系數ξ的比， 如下式所示U= Δ ω/Δ ξ ... (6)這是短周期、短波長的波為一群進行傳播的速度，因此是群速度。與之相對，一般的速度c = ω/ξ是相位速度。因此，各個波以c傳播、振幅變化作為“拍”以其它的群速度U傳播。圖8示出拍振動波形中相位速度c和群速度U的關系。相位速度c和群速度U的關系根據上式(6)、取ξ、ω連續變化時的極限，在下式 (7)中表示。C= ω / ξ ... (7)進一步地，對上式(7)進行微分，得到下式(8)。
權利要求
1.一種斷層探查裝置，其是對于比第一層密度小的第二層夾在兩個所述第一層之間的地質構造，在所述第二層內由振動激發器激發并在所述第二層內傳播的振動波形信號根據費馬原理產生分散現象而成為通道波的裝置，其特征在于，根據分散波動方程式計算出所述通道波的各頻率下的相位速度以及群速度，將該群速度曲線中的最小群速度作為使用于第二層內斷層探查的探查用通道波的傳播速度。
2.如權利要求1所述的斷層探查裝置，其特征在于，在僅距所述振動激發器一定的距離的同一所述第二層內，通過以所述通道波的前進方向為X軸、所述通道波的水平方向為Y軸、所述通道波的深度方向為Z軸而設置的多個三軸振動傳感器對所述通道波進行測量，并將得到的受波信號量子化之后進行FFT處理，根據所述FFT處理的結果求出振幅變化大的頻率范圍，通過在所得到的頻率范圍進行帶通濾波處理提取表示所述探查用通道波的探查用通道波信號，并包含所提取的探查用通道波信號的頻率、相位以及振幅這三個因子地計算出每個規定時間的重疊包絡線，基于計算出的重疊包絡線，根據所述探查用通道波在每個規定時間的振動能量的變化，確定所述通道波透射所述第二層內斷層而得到的透射通道波、或者所述通道波在所述第二層內斷層反射而得到的反射通道波在所述第二層內的傳播狀態以及在所述第二層內斷層處的衍射或者反射的現象。
3.如權利要求2所述的斷層探查裝置，其特征在于，根據所述三軸振動傳感器的設置位置數據以及所述探查用通道波信號通過極性試驗確定X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面中每個規定時間的振動粒子的行為。
4.如權利要求3所述的斷層探查裝置，其特征在于，根據所述透射通道波或者所述反射通道波的X、Y、Z軸成分的振幅時間變化，求出所述探查用通道波信號的傳播狀態以及衍射或者反射的發生時間，使所述振動激發器和所述三軸振動傳感器的設置位置以及所述重疊包絡線的波形信號相關，將所述傳播狀態以及所述發生時間乘以所述最小群速度，將該信號時間軸變換為X-Y平面上的X軸上的距離坐標，從而在坑內俯視圖上顯示所述第二層內斷層的存在狀況和位置。
5.如權利要求2至4中的任意一項所述的斷層探查裝置，其特征在于，在僅距所述振動激發器一定距離的同一所述第二層內形成鉆孔，將以規定間隔內置有所述三軸振動傳感器的套管設置在所述鉆孔內，并使在所述套管的外周的開口部設置的管膨脹，通過膨脹了的管將所述套管固定在所述鉆孔的孔壁上。
6.一種斷層探查方法，其是對于比第一層密度小的第二層夾在兩個所述第一層之間的地質構造，在所述第二層內由振動激發器激發并在所述第二層內傳播的振動波形信號根據費馬原理產生分散現象而成為通道波的方法，其特征在于，根據分散波動方程式計算出所述通道波的各頻率下的相位速度以及群速度，將該群速度曲線中的最小群速度作為使用于第二層內斷層探查的探查用通道波的傳播速度。
全文摘要
本發明提供一種斷層探查裝置，其可以準確地確定煤層內斷層的位置。在煤層夾在兩個巖石層之間的地質構造中，在煤層內通過振動激發器T1、T2激發并在煤層內傳播的振動波形信號根據費馬原理產生分散現象從而成為通道波的裝置中，根據分散波動方程式計算出通道波的各頻率下的相位速度c以及群速度U，并將該群速度曲線中的最小群速度U0作為煤層內斷層探查所使用的探查用通道波的傳播速度。
文檔編號G01V1/48GK102298158SQ20111016477
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月8日 優先權日2010年6月24日
發明者倉野重光 申請人:倉野重光