本發(fā)明涉及一種礦井采區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法，特別是一種礦井采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于煤礦等礦井回采來(lái)說(shuō)，煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害是危害礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害源之一。由于煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生與采區(qū)地應(yīng)力的集中直接相關(guān)。如果能對(duì)采區(qū)地應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行時(shí)移監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以直接應(yīng)用于煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的防治中，有利于提高煤礦等礦井生產(chǎn)的安全性。

對(duì)于地殼淺部地層來(lái)說(shuō)，由于其中間存在著天然和次生的裂隙系統(tǒng)，當(dāng)P波(縱波)和S波(橫波)等地震波在其中傳播時(shí)，地震波傳播速度必然受裂隙系統(tǒng)影響。當(dāng)?shù)貙铀艿貞?yīng)力由小變大時(shí)，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(yīng)增加。因此，地震波傳播速度與地層所受的地應(yīng)力大小正相關(guān)。地層所受地應(yīng)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(yīng)力越大。

根據(jù)我國(guó)煤礦開(kāi)采的現(xiàn)狀，所有礦井的開(kāi)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(méi)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(yīng)力大小正相關(guān)。通過(guò)監(jiān)測(cè)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(jì)算出地層所受地應(yīng)力的大小。隨著煤層回采工作面的推進(jìn)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)采區(qū)地震波速度的相應(yīng)變化，監(jiān)測(cè)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的相關(guān)變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種具有探測(cè)真實(shí)、可靠，探測(cè)方法科學(xué)、簡(jiǎn)捷的礦井采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種礦井采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法所采用的技術(shù)方案步驟為：

1)在礦井采區(qū)巷道中布置接收地震信號(hào)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(diǎn)；

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(shí)利用檢波器接收地震波；

4)拾取每個(gè)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(fù)步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體；

7)計(jì)算兩次P波和/或S波速度的相對(duì)變化，并以此相對(duì)變化指示在此時(shí)間段內(nèi)采區(qū)應(yīng)力分布的變化，實(shí)現(xiàn)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)。

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(hào)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(gè)數(shù)：≥3個(gè)；

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(guò)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(diǎn)；所述的布置激發(fā)地震波的炮點(diǎn)按照設(shè)定的網(wǎng)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(shè)定的網(wǎng)格間隔將采區(qū)等分，并在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上布置炮點(diǎn)；

網(wǎng)格間隔：20-200m，可調(diào)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(shí)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(shí)間可調(diào)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(diào)節(jié)；

炮點(diǎn)和檢波器同步：利用原子鐘準(zhǔn)確記錄炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間和檢波器開(kāi)始記錄時(shí)間。

步驟4)中，拾取每個(gè)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(shí)間，提取相應(yīng)的地震記錄，生成炮集記錄；

拾取初至?xí)r間：在炮集記錄上拾取P波和/或S波初至?xí)r間；

初至拾取方式：手動(dòng)、交互半自動(dòng)或全自動(dòng)；

輸出：P波和/或S波初至?xí)r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(zhì)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(diào)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(cè)時(shí)P波和/或S波三維反演速度體Vp0和/或Vs0。

步驟6)中，間隔設(shè)定時(shí)間段，重復(fù)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(shí)間：3-30天，可調(diào)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(cè)時(shí)P波和/或S波三維反演速度體Vp1和/或Vs1。

步驟7)中，計(jì)算兩次P波和/或S波速度的相對(duì)變化，并以此相對(duì)變化指示在此時(shí)間段內(nèi)采區(qū)應(yīng)力分布的變化，實(shí)現(xiàn)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)，參數(shù)如下：

計(jì)算公式：ΔVp＝(Vp1-Vp0)/Vp0，ΔVs＝(Vs1-Vs0)/Vs0，；其中，Vp0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)的P波速度，Vs0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)的S波速度，ΔVp為兩次監(jiān)測(cè)P波速度的相對(duì)變化，ΔVs為兩次監(jiān)測(cè)S波速度的相對(duì)變化；

輸出：P波和/或S波三維反演速度體的相對(duì)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(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法具有：

1)探測(cè)成果更直觀，與地應(yīng)力集中區(qū)的對(duì)應(yīng)性更強(qiáng)。由于本發(fā)明是直接監(jiān)測(cè)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(yīng)力大小正相關(guān)。因此，監(jiān)測(cè)到的地震波傳播速度相對(duì)變化即指示地應(yīng)力集中區(qū)的相對(duì)變化，可以直接用于指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。

2)探測(cè)地應(yīng)力集中區(qū)的精度更高。由于本發(fā)明在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，接收地震波的檢波器和激發(fā)地震波的炮點(diǎn)數(shù)量可調(diào)節(jié)，可以根據(jù)探測(cè)需要提高地震射線通過(guò)采區(qū)的密度。另一方面，本發(fā)明使用的激發(fā)炮點(diǎn)布置在地表平面上，不受礦井井下巷道空間的限制，可以實(shí)現(xiàn)多方位和全方位觀測(cè)。因此，對(duì)地應(yīng)力集區(qū)有著較高的刻畫(huà)精度，所探測(cè)地應(yīng)力集中區(qū)的橫向擺動(dòng)小于20m。

3)探測(cè)成果的可靠性更高。由于本發(fā)明可以同時(shí)提供P波和S波的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以相互驗(yàn)證。因此，具有較高的可靠性，和較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

4)施工方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高。由于本發(fā)明炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)并不直接互相連接，而是通過(guò)原子鐘記錄的時(shí)間在資料處理時(shí)進(jìn)行同步。因此，在野外施工時(shí)，施工方法相對(duì)較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高。

本發(fā)明提高了礦井采區(qū)地應(yīng)力集中區(qū)的監(jiān)測(cè)精度，使通過(guò)時(shí)移地震監(jiān)測(cè)礦井采區(qū)地應(yīng)力集中區(qū)成為可能，具有探測(cè)真實(shí)、可靠，探測(cè)方法科學(xué)、簡(jiǎn)捷，探測(cè)結(jié)果定量、直觀、高精度，完全滿足礦井采區(qū)安全生產(chǎn)要求。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的礦井采區(qū)炮點(diǎn)和檢點(diǎn)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(diǎn)；2、地面炮點(diǎn)；3、采區(qū)巷道；4、地震射線；5、主測(cè)線(沿x方向)；6、聯(lián)絡(luò)測(cè)線(沿y方向)；7、檢波器號(hào)；8、記錄時(shí)間，單位毫秒；9、P波或S波初至。

具體實(shí)施方式：

一種礦井采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法所采用的技術(shù)方案步驟為：

1)在礦井采區(qū)巷道中布置接收地震信號(hào)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(diǎn)；

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(shí)利用檢波器接收地震波；

4)拾取每個(gè)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(fù)步驟3～5，反演采區(qū)新的P波和/或S波速度體；

7)計(jì)算兩次P波和/或S波速度的相對(duì)變化，并以此相對(duì)變化指示在此時(shí)間段內(nèi)采區(qū)應(yīng)力分布的變化，實(shí)現(xiàn)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)。

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(hào)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(gè)數(shù)：≥3個(gè)；

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(guò)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(diǎn)；所述的布置激發(fā)地震波的炮點(diǎn)按照設(shè)定的網(wǎng)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(shè)定的網(wǎng)格間隔將采區(qū)等分，并在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上布置炮點(diǎn)；

網(wǎng)格間隔：20-200m，可調(diào)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(shí)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(shí)間可調(diào)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(diào)節(jié)；

炮點(diǎn)和檢波器同步：利用原子鐘準(zhǔn)確記錄炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間和檢波器開(kāi)始記錄時(shí)間。

步驟4)中，拾取每個(gè)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(shí)間，提取相應(yīng)的地震記錄，生成炮集記錄；

拾取初至?xí)r間：在炮集記錄上拾取P波和/或S波初至?xí)r間；

初至拾取方式：手動(dòng)、交互半自動(dòng)或全自動(dòng)；

輸出：P波和/或S波初至?xí)r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(zhì)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(diào)節(jié)；

層析反演方法：ART和SIRT；其中，英文縮寫(xiě)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(cè)時(shí)P波和/或S波三維反演速度體Vp0和/或Vs0。

步驟6)中，間隔設(shè)定時(shí)間段，重復(fù)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(shí)間：3-30天，可調(diào)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(cè)時(shí)P波和/或S波三維反演速度體Vp1和/或Vs1。

步驟7)中，計(jì)算兩次P波和/或S波速度的相對(duì)變化，并以此相對(duì)變化指示在此時(shí)間段內(nèi)采區(qū)應(yīng)力分布的變化，實(shí)現(xiàn)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)，參數(shù)如下：

計(jì)算公式：ΔVp＝(Vp1-Vp0)/Vp0，ΔVs＝(Vs1-Vs0)/Vs0，；其中，Vp0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)的P波速度，Vs0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)的S波速度，ΔVp為兩次監(jiān)測(cè)P波速度的相對(duì)變化，ΔVs為兩次監(jiān)測(cè)S波速度的相對(duì)變化；

輸出：P波和/或S波三維反演速度體的相對(duì)變化ΔVp和/或ΔVs。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，

實(shí)施例1：一種礦井采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)方法所采用的技術(shù)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(hào)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(gè)數(shù)：≥3個(gè)；

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(guò)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(diǎn)；所述的布置激發(fā)地震波的炮點(diǎn)按照設(shè)定的網(wǎng)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(shè)定的網(wǎng)格間隔將采區(qū)等分，并在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上布置炮點(diǎn)；

網(wǎng)格間隔：20-200m，可調(diào)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(shí)利用檢波器接收地震波；在如圖1中，炮點(diǎn)位置激發(fā)地震波，同時(shí)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(shí)間可調(diào)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(diào)節(jié)；

炮點(diǎn)和檢波器同步：利用原子鐘準(zhǔn)確記錄炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間和檢波器開(kāi)始記錄時(shí)間。

4)在如圖2中，炮集中拾取每個(gè)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(shí)間，提取相應(yīng)的地震記錄，生成炮集記錄；

拾取初至?xí)r間：在炮集記錄上拾取P波和/或S波初至?xí)r間；

初至拾取方式：手動(dòng)、交互半自動(dòng)或全自動(dòng)；

輸出：P波和/或S波初至?xí)r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(zhì)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(diào)節(jié)；

層析反演方法：ART和SIRT；其中，英文縮寫(xiě)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(cè)時(shí)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(fù)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(shí)間：3-30天，可調(diào)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(cè)時(shí)P波和/或S波三維反演速度體Vp1和/或Vs1。

7)計(jì)算兩次P波和/或S波速度的相對(duì)變化，并以此相對(duì)變化指示在此時(shí)間段內(nèi)采區(qū)應(yīng)力分布的變化，實(shí)現(xiàn)采區(qū)應(yīng)力集中區(qū)的時(shí)移地震監(jiān)測(cè)，參數(shù)如下：

計(jì)算公式：ΔVp＝(Vp1-Vp0)/Vp0，ΔVs＝(Vs1-Vs0)/Vs0；其中，Vp0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)的P波速度，Vs0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)的S波速度，ΔVp為兩次監(jiān)測(cè)P波速度的相對(duì)變化，ΔVs為兩次監(jiān)測(cè)S波速度的相對(duì)變化；

輸出：P波和/或S波三維反演速度體的相對(duì)變化ΔVp和/或ΔVs。