本發(fā)明涉及一種礦井采區(qū)的時移地震監(jiān)測方法，特別是一種礦井采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測方法。

背景技術：

對于煤礦等礦井回采來說，煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動力災害是危害礦井安全生產的主要災害源之一。由于煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動力災害的發(fā)生與采區(qū)地應力的集中直接相關。如果能對采區(qū)地應力集中區(qū)進行時移監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)采區(qū)應力集中區(qū)隨時間的變化規(guī)律，可以直接應用于煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動力災害的防治中，有利于提高煤礦等礦井生產的安全性。

對于地殼淺部地層來說，由于其中間存在著天然和次生的裂隙系統(tǒng)，當P波(縱波)和S波(橫波)等地震波在其中傳播時，地震波傳播速度必然受裂隙系統(tǒng)影響。當?shù)貙铀艿貞τ尚∽兇髸r，裂隙系統(tǒng)逐漸閉合，地層的彈性模量增加，P波和S波的傳播速度相應增加。因此，地震波傳播速度與地層所受的地應力大小正相關。地層所受地應力越大，P波和S波的傳播速度越大；反之，P波和S波的傳播速度越大，則地層所受到的地應力越大。

根據(jù)我國煤礦開采的現(xiàn)狀，所有礦井的開采深度都小于1500m，屬于地殼淺部地層，天然和次生的裂隙系統(tǒng)沒有完全閉合。因此，地震波在采區(qū)上部地層中的傳播速度與所受的地應力大小正相關。通過監(jiān)測P波和S波等地震波在采區(qū)上部地層中的傳播速度，可以計算出地層所受地應力的大小。隨著煤層回采工作面的推進，可以通過監(jiān)測采區(qū)地震波速度的相應變化，監(jiān)測采區(qū)應力集中區(qū)的相關變化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種具有探測真實、可靠，探測方法科學、簡捷的礦井采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種礦井采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測方法所采用的技術方案步驟為：

1)在礦井采區(qū)巷道中布置接收地震信號的檢波器；

2)在礦井采區(qū)上方的地面上，布置激發(fā)地震波的炮點；

3)利用炸藥或可控震源激發(fā)手段，在地表激發(fā)地震波，同時利用檢波器接收地震波；

4)拾取每個炮集中P波和/或S波的初至；

5)利用層析成像反演采區(qū)P波和/或S波速度體；

6)間隔3-30天，重復步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體；

7)計算兩次P波和/或S波速度的相對變化，并以此相對變化指示在此時間段內采區(qū)應力分布的變化，實現(xiàn)采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測。

具體方法如下：

步驟1)中，在礦井采區(qū)的巷道中布置接收地震信號的檢波器，接收參數(shù)如下：

位置：礦井采區(qū)巷道的頂板，并且地震波干擾較少、較小的位置；

布置方式：將檢波器的尾錐緊固到錨桿上；

接收檢波器個數(shù)：≥3個；

檢波器接收方式：Z分量和/或X分量和/或Y分量；

接收檢波器間距：根據(jù)采區(qū)面積的大小和采區(qū)巷道的布置，使檢波器等間距布置；

記錄方式：檢波器通過電纜線連接到數(shù)字地震儀上。

步驟2)中，在礦井采區(qū)上方的地面上，布置激發(fā)地震波的炮點；所述的布置激發(fā)地震波的炮點按照設定的網格密度布置；參數(shù)如下：

位置：礦井采區(qū)上方的地面上；

布置方式：按照設定的網格間隔將采區(qū)等分，并在每個網格節(jié)點上布置炮點；

網格間隔：20-200m，可調節(jié)。

步驟3)中，利用炸藥或可控震源等激發(fā)手段，在地表激發(fā)地震波，同時利用檢波器接收地震波，參數(shù)如下：

激發(fā)方式：深井炸藥激發(fā)或可控震源激發(fā)，藥量、震源出力及掃描時間可調節(jié)；

接收方式：檢波器連續(xù)記錄地震波；

記錄采樣間隔：0.5-2ms，可調節(jié)；

炮點和檢波器同步：利用原子鐘準確記錄炮點激發(fā)時間和檢波器開始記錄時間。

步驟4)中，拾取每個炮集中P波和/或S波的初至，參數(shù)如下：

生成炮集：根據(jù)原子鐘記錄的時間，提取相應的地震記錄，生成炮集記錄；

拾取初至時間：在炮集記錄上拾取P波和/或S波初至時間；

初至拾取方式：手動、交互半自動或全自動；

輸出：P波和/或S波初至時間。

步驟5)中，利用層析成像反演采區(qū)P波和/或S波速度體，參數(shù)如下：

采區(qū)初始速度體：根據(jù)采區(qū)地質情況，分別建立采區(qū)初始P波和/或S波三維速度體模型；

體元大小：20-200m，可依據(jù)采區(qū)大小調節(jié)；

層析反演方法：ART和SIRT；

射線追蹤方法：直射線或彎曲射線；

輸出：初始監(jiān)測時P波和/或S波三維反演速度體Vp0和/或Vs0。

步驟6)中，間隔設定時間段，重復步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體，參數(shù)如下：

間隔時間：3-30天，可調節(jié)；

接收參數(shù)：同步驟1、3；

激發(fā)參數(shù)：同步驟2、3；

初至拾取參數(shù)：同步驟4；

層析反演參數(shù)：同步驟5；

輸出：二次監(jiān)測時P波和/或S波三維反演速度體Vp1和/或Vs1。

步驟7)中，計算兩次P波和/或S波速度的相對變化，并以此相對變化指示在此時間段內采區(qū)應力分布的變化，實現(xiàn)采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測，參數(shù)如下：

計算公式：ΔVp＝(Vp1-Vp0)/Vp0，ΔVs＝(Vs1-Vs0)/Vs0，；其中，Vp0為初始監(jiān)測時的P波速度，Vs0為初始監(jiān)測時的S波速度，ΔVp為兩次監(jiān)測P波速度的相對變化，ΔVs為兩次監(jiān)測S波速度的相對變化；

輸出：P波和/或S波三維反演速度體的相對變化ΔVp和/或ΔVs。

有益效果，由于采用了上述方案，一種礦井采區(qū)三維速度分布的時移地震監(jiān)測方法具有：

1)探測成果更直觀，與地應力集中區(qū)的對應性更強。由于本發(fā)明是直接監(jiān)測采區(qū)P波和S波等地震波的傳播速度，而地震波傳播速度又與地應力大小正相關。因此，監(jiān)測到的地震波傳播速度相對變化即指示地應力集中區(qū)的相對變化，可以直接用于指導礦井安全生產。

2)探測地應力集中區(qū)的精度更高。由于本發(fā)明在進行監(jiān)測時，接收地震波的檢波器和激發(fā)地震波的炮點數(shù)量可調節(jié)，可以根據(jù)探測需要提高地震射線通過采區(qū)的密度。另一方面，本發(fā)明使用的激發(fā)炮點布置在地表平面上，不受礦井井下巷道空間的限制，可以實現(xiàn)多方位和全方位觀測。因此，對地應力集區(qū)有著較高的刻畫精度，所探測地應力集中區(qū)的橫向擺動小于20m。

3)探測成果的可靠性更高。由于本發(fā)明可以同時提供P波和S波的監(jiān)測結果，可以相互驗證。因此，具有較高的可靠性，和較高的預測準確率。

4)施工方法簡單，生產效率較高。由于本發(fā)明炮點和檢波點并不直接互相連接，而是通過原子鐘記錄的時間在資料處理時進行同步。因此，在野外施工時，施工方法相對較簡單，生產效率較高。

本發(fā)明提高了礦井采區(qū)地應力集中區(qū)的監(jiān)測精度，使通過時移地震監(jiān)測礦井采區(qū)地應力集中區(qū)成為可能，具有探測真實、可靠，探測方法科學、簡捷，探測結果定量、直觀、高精度，完全滿足礦井采區(qū)安全生產要求。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的礦井采區(qū)炮點和檢點布置示意圖。

圖2為本發(fā)明的P波或S波炮集示意圖。

圖中，1、井下檢波點；2、地面炮點；3、采區(qū)巷道；4、地震射線；5、主測線(沿x方向)；6、聯(lián)絡測線(沿y方向)；7、檢波器號；8、記錄時間，單位毫秒；9、P波或S波初至。

具體實施方式：

一種礦井采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測方法所采用的技術方案步驟為：

1)在礦井采區(qū)巷道中布置接收地震信號的檢波器；

2)在礦井采區(qū)上方的地面上，布置激發(fā)地震波的炮點；

3)利用炸藥或可控震源激發(fā)手段，在地表激發(fā)地震波，同時利用檢波器接收地震波；

4)拾取每個炮集中P波和/或S波的初至；

5)利用層析成像反演采區(qū)P波和/或S波速度體；

6)間隔3-30天，重復步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體；

7)計算兩次P波和/或S波速度的相對變化，并以此相對變化指示在此時間段內采區(qū)應力分布的變化，實現(xiàn)采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測。

具體方法如下：

步驟1)中，在礦井采區(qū)的巷道中布置接收地震信號的檢波器，接收參數(shù)如下：

位置：礦井采區(qū)巷道的頂板，并且地震波干擾較少、較小的位置；

布置方式：將檢波器的尾錐緊固到錨桿上；

接收檢波器個數(shù)：≥3個；

檢波器接收方式：Z分量和/或X分量和/或Y分量；

接收檢波器間距：根據(jù)采區(qū)面積的大小和采區(qū)巷道的布置，使檢波器等間距布置；

記錄方式：檢波器通過電纜線連接到數(shù)字地震儀上。

步驟2)中，在礦井采區(qū)上方的地面上，布置激發(fā)地震波的炮點；所述的布置激發(fā)地震波的炮點按照設定的網格密度布置；參數(shù)如下：

位置：礦井采區(qū)上方的地面上；

布置方式：按照設定的網格間隔將采區(qū)等分，并在每個網格節(jié)點上布置炮點；

網格間隔：20-200m，可調節(jié)。

步驟3)中，利用炸藥或可控震源等激發(fā)手段，在地表激發(fā)地震波，同時利用檢波器接收地震波，參數(shù)如下：

激發(fā)方式：深井炸藥激發(fā)或可控震源激發(fā)，藥量、震源出力及掃描時間可調節(jié)；

接收方式：檢波器連續(xù)記錄地震波；

記錄采樣間隔：0.5-2ms，可調節(jié)；

炮點和檢波器同步：利用原子鐘準確記錄炮點激發(fā)時間和檢波器開始記錄時間。

步驟4)中，拾取每個炮集中P波和/或S波的初至，參數(shù)如下：

生成炮集：根據(jù)原子鐘記錄的時間，提取相應的地震記錄，生成炮集記錄；

拾取初至時間：在炮集記錄上拾取P波和/或S波初至時間；

初至拾取方式：手動、交互半自動或全自動；

輸出：P波和/或S波初至時間。

步驟5)中，利用層析成像反演采區(qū)P波和/或S波速度體，參數(shù)如下：

采區(qū)初始速度體：根據(jù)采區(qū)地質情況，分別建立采區(qū)初始P波和/或S波三維速度體模型；

體元大?。?0-200m，可依據(jù)采區(qū)大小調節(jié)；

層析反演方法：ART和SIRT；其中，英文縮寫ART的中文釋義是代數(shù)重建法；SIRT的中文釋義是同步疊代重建法；

射線追蹤方法：直射線或彎曲射線；

輸出：初始監(jiān)測時P波和/或S波三維反演速度體Vp0和/或Vs0。

步驟6)中，間隔設定時間段，重復步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體，參數(shù)如下：

間隔時間：3-30天，可調節(jié)；

接收參數(shù)：同步驟1、3；

激發(fā)參數(shù)：同步驟2、3；

初至拾取參數(shù)：同步驟4；

層析反演參數(shù)：同步驟5；

輸出：二次監(jiān)測時P波和/或S波三維反演速度體Vp1和/或Vs1。

步驟7)中，計算兩次P波和/或S波速度的相對變化，并以此相對變化指示在此時間段內采區(qū)應力分布的變化，實現(xiàn)采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測，參數(shù)如下：

計算公式：ΔVp＝(Vp1-Vp0)/Vp0，ΔVs＝(Vs1-Vs0)/Vs0，；其中，Vp0為初始監(jiān)測時的P波速度，Vs0為初始監(jiān)測時的S波速度，ΔVp為兩次監(jiān)測P波速度的相對變化，ΔVs為兩次監(jiān)測S波速度的相對變化；

輸出：P波和/或S波三維反演速度體的相對變化ΔVp和/或ΔVs。

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明，

實施例1：一種礦井采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測方法所采用的技術方案步驟為：

1)在如圖1中，在礦井采區(qū)巷道中布置接收地震信號的檢波器，接收參數(shù)如下：

位置：礦井采區(qū)巷道的頂板，并且地震波干擾較少、較小的位置；

布置方式：將檢波器的尾錐緊固到錨桿上；

接收檢波器個數(shù)：≥3個；

檢波器接收方式：Z分量和/或X分量和/或Y分量；

接收檢波器間距：根據(jù)采區(qū)面積的大小和采區(qū)巷道的布置，使檢波器等間距布置；

記錄方式：檢波器通過電纜線連接到數(shù)字地震儀上。

2)在圖1中，在礦井采區(qū)上方的地面上，布置激發(fā)地震波的炮點；所述的布置激發(fā)地震波的炮點按照設定的網格密度布置；參數(shù)如下：

位置：礦井采區(qū)上方的地面上；

布置方式：按照設定的網格間隔將采區(qū)等分，并在每個網格節(jié)點上布置炮點；

網格間隔：20-200m，可調節(jié)；

3)利用炸藥或可控震源激發(fā)手段，在地表激發(fā)地震波，同時利用檢波器接收地震波；在如圖1中，炮點位置激發(fā)地震波，同時在如圖1所示的檢波器位置接收地震波，參數(shù)如下：

激發(fā)方式：深井炸藥激發(fā)或可控震源激發(fā)，藥量、震源出力及掃描時間可調節(jié)；

接收方式：檢波器連續(xù)記錄地震波；

記錄采樣間隔：0.5-2ms，可調節(jié)；

炮點和檢波器同步：利用原子鐘準確記錄炮點激發(fā)時間和檢波器開始記錄時間。

4)在如圖2中，炮集中拾取每個炮集中P波和/或S波的初至；參數(shù)如下：

生成炮集：根據(jù)原子鐘記錄的時間，提取相應的地震記錄，生成炮集記錄；

拾取初至時間：在炮集記錄上拾取P波和/或S波初至時間；

初至拾取方式：手動、交互半自動或全自動；

輸出：P波和/或S波初至時間。

5)利用層析成像反演采區(qū)P波和/或S波速度體；

采區(qū)初始速度體：根據(jù)采區(qū)地質情況，分別建立采區(qū)初始P波和/或S波三維速度體模型；

體元大小：20-200m，可依據(jù)采區(qū)大小調節(jié)；

層析反演方法：ART和SIRT；其中，英文縮寫ART的中文釋義是代數(shù)重建法；SIRT的中文釋義是同步迭代重建法；

射線追蹤方法：直射線或彎曲射線；

輸出：初始監(jiān)測時P波和/或S波三維反演速度體Vp0和/或Vs0。

6)間隔3-30天，重復步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體；參數(shù)如下：

間隔時間：3-30天，可調節(jié)；

接收參數(shù)：同步驟1、3；

激發(fā)參數(shù)：同步驟2、3；

初至拾取參數(shù)：同步驟4；

層析反演參數(shù)：同步驟5；

輸出：二次監(jiān)測時P波和/或S波三維反演速度體Vp1和/或Vs1。

7)計算兩次P波和/或S波速度的相對變化，并以此相對變化指示在此時間段內采區(qū)應力分布的變化，實現(xiàn)采區(qū)應力集中區(qū)的時移地震監(jiān)測，參數(shù)如下：

計算公式：ΔVp＝(Vp1-Vp0)/Vp0，ΔVs＝(Vs1-Vs0)/Vs0；其中，Vp0為初始監(jiān)測時的P波速度，Vs0為初始監(jiān)測時的S波速度，ΔVp為兩次監(jiān)測P波速度的相對變化，ΔVs為兩次監(jiān)測S波速度的相對變化；

輸出：P波和/或S波三維反演速度體的相對變化ΔVp和/或ΔVs。