專利名稱：斷層探查裝置以及斷層探查方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明作為煤礦中的瓦斯突出防止對(duì)策的一環(huán)，涉及一種裝置以及方法，其通過在煤礦坑內(nèi)進(jìn)行煤礦開采之前人工地向煤層內(nèi)激發(fā)彈性波，由振動(dòng)傳感器對(duì)該彈性波的傳播和反射進(jìn)行測量，以確定作為瓦斯突出發(fā)生原因的煤層內(nèi)斷層的位置，由此而得以事先實(shí)施用以確保煤礦開采時(shí)的安全的瓦斯突出防止對(duì)策。
背景技術(shù)：
圖19是含有煤層內(nèi)斷層的煤礦的垂直截面圖。如圖19所示，在煤礦中的煤層內(nèi)斷層中積蓄巨大的地壓和煤層內(nèi)甲烷氣體，在對(duì)煤層內(nèi)斷層區(qū)域進(jìn)行開采時(shí)，由于巨大的地壓和煤層內(nèi)氣體壓力的釋放而產(chǎn)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(xiàn)象。該現(xiàn)象即是瓦斯突出。瓦斯突出會(huì)導(dǎo)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(zhǔn)確地預(yù)測作為瓦斯突出成因的煤層內(nèi)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(nèi)氣體壓力。然而，作為瓦斯突出成因的煤層內(nèi)斷層大部分都是從地表探查難以發(fā)現(xiàn)的小的斷層。以往，在煤礦坑內(nèi)通過彈性波的傳播和反射進(jìn)行的斷層探查技術(shù)中，例如有非專利文獻(xiàn)1所示的斷層探查技術(shù)。即是如下方法，通過多個(gè)振動(dòng)傳感器對(duì)由設(shè)置在露出的煤礦內(nèi)坑道的煤層內(nèi)的炸藥等的振動(dòng)激發(fā)器而被激發(fā)、并在煤層內(nèi)傳播的振動(dòng)波信號(hào)進(jìn)行測量，根據(jù)該波形信號(hào)的振幅、相位的變化對(duì)振動(dòng)波中的斷層面的反射波進(jìn)行判別，并利用各振動(dòng)傳感器對(duì)該反射波的接收時(shí)間差求出煤層內(nèi)斷層的位置。此時(shí)，有時(shí)通過一次的振蕩和其接收信號(hào)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(nèi)傳播波形信號(hào)來確定斷層的位置?，F(xiàn)有專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1 Arnetzl，h. h.，等、“關(guān)于煤層內(nèi)彈性波的應(yīng)用的理論和粒子行為的吸收的研究”，第51次SEG國際會(huì)議1981年洛杉磯大會(huì)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題來自設(shè)置在煤層內(nèi)的炸藥等的振動(dòng)激發(fā)器的彈性波信號(hào)是包含寬頻帶頻率的振動(dòng)信號(hào)，又，在密度P和彈性波速度V不同的無限三層結(jié)構(gòu)的中間層傳播，因此通過上下巖石層的反射和干涉產(chǎn)生波的分散，振幅、相位反復(fù)較大的變化而傳播。因此，在像非專利文獻(xiàn)1所公開的那樣，提出反射波信號(hào)然后根據(jù)該相位差信息計(jì)算出煤層內(nèi)斷層的位置的情況下，在振動(dòng)波信號(hào)的廣域頻率范圍內(nèi)振幅和相位發(fā)生變化，因此位置的確定會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，本發(fā)明著眼于上述現(xiàn)有技術(shù)中所未解決的問題，其目的在于，提供一種可以準(zhǔn)確地確定煤層內(nèi)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(shù)手段〔發(fā)明1〕為了達(dá)成上述目的，發(fā)明1的斷層探查裝置，是對(duì)于比第一層密度小的第二層夾在兩個(gè)所述第一層之間的地質(zhì)構(gòu)造，在所述第二層內(nèi)由振動(dòng)激發(fā)器激發(fā)并在所述第二層內(nèi)傳播的振動(dòng)波形信號(hào)根據(jù)費(fèi)馬原理產(chǎn)生分散現(xiàn)象而成為通道波的裝置，發(fā)明1的斷層探查裝置根據(jù)分散波動(dòng)方程式計(jì)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(nèi)斷層探查的探查用通道波的傳播速度?！舶l(fā)明2〕進(jìn)一步地，發(fā)明2的斷層探查裝置是在發(fā)明1的斷層探查裝置中，在僅距所述振動(dòng)激發(fā)器一定的距離的同一所述第二層內(nèi)，通過以所述通道波的前進(jìn)方向?yàn)閄軸、 所述通道波的水平方向?yàn)閅軸、所述通道波的深度方向?yàn)閆軸而設(shè)置的多個(gè)三軸振動(dòng)傳感器對(duì)所述通道波進(jìn)行測量，并將得到的受波信號(hào)量子化之后進(jìn)行FFT處理，根據(jù)所述FFT處理的結(jié)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(jìn)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(hào)，并包含所提取的探查用通道波信號(hào)的頻率、相位以及振幅這三個(gè)因子地計(jì)算出每個(gè)規(guī)定時(shí)間的重疊包絡(luò)線，基于計(jì)算出的重疊包絡(luò)線， 根據(jù)所述探查用通道波在每個(gè)規(guī)定時(shí)間的振動(dòng)能量的變化，確定所述通道波透射所述第二層內(nèi)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(nèi)斷層反射而得到的反射通道波在所述第二層內(nèi)的傳播狀態(tài)以及在所述第二層內(nèi)斷層處的衍射或者反射的現(xiàn)象?！舶l(fā)明3〕進(jìn)一步地，發(fā)明3的斷層探查裝置是在發(fā)明2的斷層探查裝置中，根據(jù)所述三軸振動(dòng)傳感器的設(shè)置位置數(shù)據(jù)以及所述探查用通道波信號(hào)通過極性試驗(yàn)確定X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面中每個(gè)規(guī)定時(shí)間的振動(dòng)粒子的行為?！舶l(fā)明4〕進(jìn)一步地，發(fā)明4的斷層探查裝置是在發(fā)明3的斷層探查裝置中，根據(jù)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(shí)間變化，求出所述探查用通道波信號(hào)的傳播狀態(tài)以及衍射或者反射的發(fā)生時(shí)間，使所述振動(dòng)激發(fā)器和所述三軸振動(dòng)傳感器的設(shè)置位置以及所述重疊包絡(luò)線的波形信號(hào)相關(guān)，將所述傳播狀態(tài)以及所述發(fā)生時(shí)間乘以所述最小群速度，將該信號(hào)時(shí)間軸變換為X-Y平面上的X軸上的距離坐標(biāo)，從而在坑內(nèi)俯視圖上顯示所述第二層內(nèi)斷層的存在狀況和位置?！舶l(fā)明5〕進(jìn)一步地，發(fā)明5的斷層探查裝置是在發(fā)明2-4中的任意一個(gè)的斷層探查裝置中，在僅距所述振動(dòng)激發(fā)器一定距離的同一所述第二層內(nèi)形成鉆孔，將以規(guī)定間隔內(nèi)置有所述三軸振動(dòng)傳感器的套管設(shè)置在所述鉆孔內(nèi)，并使在所述套管的外周的開口部設(shè)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(fā)明6〕另一發(fā)明，為了達(dá)成上述目的，發(fā)明6的斷層探查方法，是對(duì)于比第一層密度小的第二層夾在兩個(gè)所述第一層之間的地質(zhì)構(gòu)造，在所述第二層內(nèi)由振動(dòng)激發(fā)器激發(fā)并在所述第二層內(nèi)傳播的振動(dòng)波形信號(hào)根據(jù)費(fèi)馬原理產(chǎn)生分散現(xiàn)象而成為通道波的方法， 發(fā)明6的斷層探查方法中，根據(jù)分散波動(dòng)方程式計(jì)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(nèi)斷層探查的探查用通道波的傳播速度。發(fā)明的效果
如上所述，根據(jù)發(fā)明1的斷層探查裝置或者發(fā)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(zhǔn)確地確定第2層內(nèi)斷層的位置。進(jìn)一步地，根據(jù)發(fā)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(jìn)一步地，根據(jù)發(fā)明3的斷層探查裝置還可以得到如下效果，即可以根據(jù)振動(dòng)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(fā)生時(shí)間。進(jìn)一步地，根據(jù)發(fā)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(nèi)斷層的存在狀況和位置。進(jìn)一步地，根據(jù)發(fā)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(zhǔn)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(dòng)傳感器Rl R24的構(gòu)成的圖。圖4是示出煤層內(nèi)斷層探查裝置100的構(gòu)成的圖。圖5是煤層內(nèi)斷層探查裝置100收集的信號(hào)的解析裝置200的框圖。圖6是示出三層結(jié)構(gòu)內(nèi)的通道波的傳播和粒子的行為的圖。圖7示出根據(jù)費(fèi)馬原理的通道波的發(fā)生和傳播的概要的圖。圖8是示出拍振動(dòng)O “振動(dòng))波形中相位速度c和群速度U的關(guān)系的圖。圖9是示出相位速度c和群速度U的關(guān)系的圖。圖10是示出將通道波信號(hào)的復(fù)數(shù)F(t)作為合成向量的模型圖。圖11是示出對(duì)通道波信號(hào)實(shí)行重疊包絡(luò)線處理的結(jié)果的實(shí)部f(t)和虛部f*(t) 的實(shí)例。圖12是示出粒子的應(yīng)力波動(dòng)合成向量的重疊包絡(luò)線和實(shí)部以及虛部的關(guān)系的圖，以及三維表示合成向量的實(shí)部和虛部的關(guān)系的圖。圖13是示出進(jìn)行了自動(dòng)增益控制處理的斷層探查透射法的通道波數(shù)據(jù)的圖。圖14是示出對(duì)通道波信號(hào)進(jìn)行FFT處理的結(jié)果的圖。圖15是示出煤層內(nèi)的通道波反射和衍射以及粒子行為的極性試驗(yàn)的概要的圖。圖16是示出來自Y軸振動(dòng)數(shù)據(jù)和Z軸振動(dòng)數(shù)據(jù)的粒子行為的極性試驗(yàn)例的圖。圖17是示出對(duì)斷層探查透射法的通道波數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊包絡(luò)線處理的結(jié)果的圖。圖18是示出根據(jù)最小群速度U、極性試驗(yàn)的反射以及衍射現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間t以及包絡(luò)線處理結(jié)果來對(duì)煤層內(nèi)斷層進(jìn)行探查的結(jié)果的圖。圖19是含有煤層內(nèi)斷層的煤礦的垂直截面圖。符號(hào)說明2…鉆孔，100···煤層內(nèi)斷層探查裝置，10…探查機(jī)，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(jié)果，32…三層結(jié)構(gòu)的波動(dòng)方程式的模型解析，34···速度計(jì)算部，36···最小群速度確定部，38···確定結(jié)果制作部，40···記錄介質(zhì)，42···AGC處理部，44···分離處理部，46···分離處理數(shù)據(jù)，48···FFT 處理部，50…監(jiān)視器輸出部，52…波形顯示部，討…自動(dòng)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(luò)線處理部，Tl，T2…振動(dòng)激發(fā)器， Rl RM…三軸振動(dòng)傳感器，Rlx, Rly, Rlz···振動(dòng)傳感器，RT…觸發(fā)檢測振動(dòng)傳感器
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。圖1至圖18示出本實(shí)施形態(tài)的圖。本實(shí)施形態(tài)根據(jù)利用煤礦的坑道的坑內(nèi)彈性波斷層探查法準(zhǔn)確地對(duì)從地表探查不能發(fā)現(xiàn)的小的煤層內(nèi)斷層進(jìn)行預(yù)測。通過在煤層內(nèi)爆炸火藥等而被振蕩的波振動(dòng)信號(hào)在被夾在密度大的巖石層中的密度小的煤層內(nèi)傳播，因此，根據(jù)費(fèi)馬原理該前進(jìn)方向通常向密度小、傳播速度慢的煤層內(nèi)中心部彎曲。其結(jié)果是，大部分振動(dòng)能量被封閉在煤層內(nèi)并傳播，從而產(chǎn)生煤層內(nèi)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(shí)由于與巖石層的邊界面的影響振動(dòng)波的速度根據(jù)頻率而不同。即是分散現(xiàn)象，是不同頻率的波合成的拍信號(hào)，隨著時(shí)間相位、振幅發(fā)生變化(以下，將通道波作為拍信號(hào)的一種)。而且，拍信號(hào)的特征在于，具有各頻率的相位速度和作為拍信號(hào)的群速度。本實(shí)施形態(tài)的坑內(nèi)彈性波斷層探查法，包含通道波的頻率、相位以及振幅三個(gè)因子，通過重疊包絡(luò)線處理，計(jì)算出通道波的每個(gè)單位時(shí)間的振動(dòng)能量，并利用其傳播和反射的特征精密地確定煤層內(nèi)斷層的位置。首先，對(duì)適用于本發(fā)明的煤層內(nèi)斷層探查裝置100的構(gòu)成進(jìn)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?？觾?nèi)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(nèi)斷層，根據(jù)得到的投射通道波的單位時(shí)間的振動(dòng)能量的變化來確定煤層內(nèi)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(nèi)斷層反射，根據(jù)得到的反射通道波的單位時(shí)間的振動(dòng)能量的變化來確定煤層內(nèi)斷層的位置的方法。如圖1以及圖2所示，煤層內(nèi)斷層探查裝置100包括通過火藥爆炸等產(chǎn)生振動(dòng)波的振動(dòng)激發(fā)器Tl、T2 ；多個(gè)三軸振動(dòng)傳感器Rl R24，其接收由振動(dòng)激發(fā)器激發(fā)并在煤層內(nèi)傳播的通道波；探查機(jī)10，其對(duì)三軸振動(dòng)傳感器Rl RM得到的受波信號(hào)進(jìn)行測量；磁帶記錄器12，其對(duì)探查機(jī)10得到的受波信號(hào)進(jìn)行記錄。圖3是示出3軸振動(dòng)傳感器Rl R24的構(gòu)成的圖。圖3 (a)是套管14的側(cè)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(dòng)激發(fā)器Tl、T2—定距離的同一煤層內(nèi)的沿層坑道內(nèi)通過鉆孔機(jī)械形成任意長度的鉆孔2。然后，如圖3所示，在鉆孔2內(nèi)設(shè)置能夠連接延長的一定長度的套管14。在套管14內(nèi)以規(guī)定間隔配置三軸振動(dòng)傳感器Rl R24。三軸振動(dòng)傳感器Rl 由振動(dòng)傳感器Rlx、振動(dòng)傳感器Rly、振動(dòng)傳感器Rlz構(gòu)成，振動(dòng)傳感器Rlx對(duì)以通道波的前進(jìn)方向作為X軸的X軸方向的振動(dòng)進(jìn)行檢測，振動(dòng)傳感器Rly對(duì)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(dòng)進(jìn)行檢測，振動(dòng)傳感器Rlz對(duì)以深度方向作為ζ軸的Z軸方向的振動(dòng)進(jìn)行檢測。作為振動(dòng)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(dòng)傳感器R2 RM也具有同樣的構(gòu)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(shè)置在鉆孔2內(nèi)之后，通過從開口部向管16內(nèi)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(nèi)斷層探查裝置100的構(gòu)成的圖。 進(jìn)一步地，如圖4所示，煤層內(nèi)斷層探查裝置100包括連接三軸振動(dòng)傳感器Rl R12的繼電器18 ；連接三軸振動(dòng)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(dòng)振動(dòng)激發(fā)器T1、T2的爆破器M ；取得振動(dòng)激發(fā)器Τ1、Τ2的激發(fā)時(shí)刻的觸發(fā)檢測振動(dòng)傳感器RT ；供給用于驅(qū)動(dòng)煤層內(nèi)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(dòng)傳感器Rl R12的傳感器信號(hào)、通過繼電器20被輸入三軸振動(dòng)傳感器R13 RM的傳感器信號(hào)。通道切換裝置22每個(gè)規(guī)定時(shí)間切換通道， 三軸振動(dòng)傳感器Rl R24的傳感器信號(hào)分時(shí)依次輸出。探查機(jī)包括從通道切換裝置22輸入傳感器信號(hào)的屏障IOa ；對(duì)通過屏障IOa輸入的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理的探查部IOb ；將探查部IOb處理了的傳感器信號(hào)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(fā)檢測振動(dòng)傳感器RT檢測到振動(dòng)激發(fā)器T1、T2的激發(fā)，即開始對(duì)由三軸振動(dòng)傳感器Rl RM得到的受波信號(hào)的測量，并通過磁帶輸送部IOc將受波信號(hào)數(shù)據(jù)向磁帶記錄器12輸出規(guī)定時(shí)間(例如l[s])。由此，受波信號(hào)數(shù)據(jù)通過磁帶記錄器12被記錄到磁帶等的記錄介質(zhì)中。接下來，對(duì)煤層內(nèi)斷層探查裝置100的功能進(jìn)行說明。圖5是在煤層內(nèi)斷層探查裝置100收集信號(hào)的解析裝置200的功能框圖。進(jìn)一步地，如圖5所示，煤層內(nèi)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(duì)煤層內(nèi)斷層的位置進(jìn)行確定的解析裝置200。解析裝置200由例如被設(shè)置在煤礦的礦坑外的超級(jí)計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，將CPU(中央處理器)、ROM (只讀存儲(chǔ)器)、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)以及I/F等與總線連接而構(gòu)成。受波信號(hào)數(shù)據(jù)被分配給由磁帶記錄器12記錄的記錄介質(zhì)之后，即從記錄介質(zhì)中讀取受波信號(hào)數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取的受波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)其結(jié)果對(duì)煤層內(nèi)斷層的位置進(jìn)行確定。解析裝置200包括速度計(jì)算部34，其根據(jù)巖石材料的P波速度以及S波速度的測定結(jié)果30、通過三層結(jié)構(gòu)的波動(dòng)方程式的模型解析32從分散波動(dòng)方程式中計(jì)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(jù)速度計(jì)算部34計(jì)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(jié)果制作部38，其根據(jù)P波速度以及S波速度的測定結(jié)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(nèi)斷層的位置確定結(jié)果。解析裝置200還包括AGC處理部42，其對(duì)從記錄介質(zhì)40中讀取的受波信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)行自動(dòng)增益控制(AGC)處理；分離處理部44，其對(duì)由AGC處理部42處理的處理數(shù)據(jù)實(shí)行分離處理；FFT處理部48，其對(duì)由分離處理部44處理的分離處理數(shù)據(jù)46實(shí)行FFT處理。解析裝置200還包括監(jiān)視器輸出部50，其將由AGC處理部42處理的處理數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)視器中；波形顯示部52，其基于分離處理數(shù)據(jù)46顯示波形；自動(dòng)輸入控制部M，其基于分離處理數(shù)據(jù)46進(jìn)行自動(dòng)輸入控制。解析裝置200還包括帶通濾波測試部56，其對(duì)由FFT處理部48處理的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波測試；帶通濾波處理部58，其對(duì)由帶通濾波測試部56處理的處理數(shù)據(jù)實(shí)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(shù)據(jù)通過極性試驗(yàn)對(duì)通道波進(jìn)行判別；重疊包絡(luò)線處理部62，其對(duì)由帶通濾波處理部58處理的處理數(shù)據(jù)實(shí)行重疊包絡(luò)線處理。接下來對(duì)各部；34 38、42、44、48、56 62的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行說明。本實(shí)施形態(tài)是對(duì)煤礦坑內(nèi)中煤層內(nèi)存在的斷層的位置進(jìn)行確定的裝置以及方法， 其采用作為分散性彈性波動(dòng)的通道波信號(hào)和其最小群速度。在厚度h的煤層夾在兩個(gè)巖石層的地質(zhì)構(gòu)造中，在巖石層的密度為P 1、切變模數(shù)為μ 1、彈性波速度為vl、煤層的密度為P2(P1> P 2)、切變模數(shù)為μ 2、彈性波速度為ν2 的情況下，對(duì)于上述情況下在煤層內(nèi)由于火藥爆炸等而被激發(fā)并在該煤層傳播的、具有寬頻帶的頻率的振動(dòng)波形信號(hào)，若該波的速度為C、表面波波長為L，則上述變量的關(guān)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(duì)其進(jìn)行無維化處理，結(jié)果如下式(2)所示。c = Const, vl. fl (vl/v2、P 1/ P 2、h/L)…O)由于函數(shù)f 1中包含有h/L，只要與h相關(guān)，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(shù)，產(chǎn)生各波長的速度各不相同的分散現(xiàn)象。在分散性波動(dòng)的傳播中，各頻率的相位速度c都不同，由于分散現(xiàn)象產(chǎn)生頻率、相位、振幅隨著時(shí)間變化的群速度U的拍波動(dòng)的一種、即通道波。圖6示出三層結(jié)構(gòu)內(nèi)的通道波的傳播和粒子的行為。圖7示出根據(jù)費(fèi)馬原理的通道波的發(fā)生和傳播的概要。例如，對(duì)于在煤層內(nèi)由于火藥爆炸等而被激發(fā)的波動(dòng)振動(dòng)信號(hào)，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(jié)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(shù)ξ = 2π/L= ω/c... (5)
這里，1!+、1!-這兩個(gè)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(dāng)，但是另一個(gè)因子 cos(A ξχ-Δ ω )具有完全不同的性質(zhì)。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(huì)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(dòng)，只著眼于其振幅的變化，該速度U即是系數(shù)t和系數(shù)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(jìn)行傳播的速度，因此是群速度。與之相對(duì)，一般的速度c = ω/ξ是相位速度。因此，各個(gè)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(dòng)波形中相位速度c和群速度U的關(guān)系。相位速度c和群速度U的關(guān)系根據(jù)上式(6)、取ξ、ω連續(xù)變化時(shí)的極限，在下式 (7)中表示。C= ω / ξ ... (7)進(jìn)一步地，對(duì)上式(7)進(jìn)行微分，得到下式(8)。
權(quán)利要求
1.一種斷層探查裝置，其是對(duì)于比第一層密度小的第二層夾在兩個(gè)所述第一層之間的地質(zhì)構(gòu)造，在所述第二層內(nèi)由振動(dòng)激發(fā)器激發(fā)并在所述第二層內(nèi)傳播的振動(dòng)波形信號(hào)根據(jù)費(fèi)馬原理產(chǎn)生分散現(xiàn)象而成為通道波的裝置，其特征在于，根據(jù)分散波動(dòng)方程式計(jì)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(nèi)斷層探查的探查用通道波的傳播速度。
2.如權(quán)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(dòng)激發(fā)器一定的距離的同一所述第二層內(nèi)，通過以所述通道波的前進(jìn)方向?yàn)閄軸、所述通道波的水平方向?yàn)閅軸、所述通道波的深度方向?yàn)閆軸而設(shè)置的多個(gè)三軸振動(dòng)傳感器對(duì)所述通道波進(jìn)行測量，并將得到的受波信號(hào)量子化之后進(jìn)行FFT處理，根據(jù)所述FFT處理的結(jié)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(jìn)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(hào)，并包含所提取的探查用通道波信號(hào)的頻率、相位以及振幅這三個(gè)因子地計(jì)算出每個(gè)規(guī)定時(shí)間的重疊包絡(luò)線，基于計(jì)算出的重疊包絡(luò)線，根據(jù)所述探查用通道波在每個(gè)規(guī)定時(shí)間的振動(dòng)能量的變化，確定所述通道波透射所述第二層內(nèi)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(nèi)斷層反射而得到的反射通道波在所述第二層內(nèi)的傳播狀態(tài)以及在所述第二層內(nèi)斷層處的衍射或者反射的現(xiàn)象。
3.如權(quán)利要求2所述的斷層探查裝置，其特征在于，根據(jù)所述三軸振動(dòng)傳感器的設(shè)置位置數(shù)據(jù)以及所述探查用通道波信號(hào)通過極性試驗(yàn)確定X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面中每個(gè)規(guī)定時(shí)間的振動(dòng)粒子的行為。
4.如權(quán)利要求3所述的斷層探查裝置，其特征在于，根據(jù)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(shí)間變化，求出所述探查用通道波信號(hào)的傳播狀態(tài)以及衍射或者反射的發(fā)生時(shí)間，使所述振動(dòng)激發(fā)器和所述三軸振動(dòng)傳感器的設(shè)置位置以及所述重疊包絡(luò)線的波形信號(hào)相關(guān)，將所述傳播狀態(tài)以及所述發(fā)生時(shí)間乘以所述最小群速度，將該信號(hào)時(shí)間軸變換為X-Y平面上的X軸上的距離坐標(biāo)，從而在坑內(nèi)俯視圖上顯示所述第二層內(nèi)斷層的存在狀況和位置。
5.如權(quán)利要求2至4中的任意一項(xiàng)所述的斷層探查裝置，其特征在于，在僅距所述振動(dòng)激發(fā)器一定距離的同一所述第二層內(nèi)形成鉆孔，將以規(guī)定間隔內(nèi)置有所述三軸振動(dòng)傳感器的套管設(shè)置在所述鉆孔內(nèi)，并使在所述套管的外周的開口部設(shè)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(duì)于比第一層密度小的第二層夾在兩個(gè)所述第一層之間的地質(zhì)構(gòu)造，在所述第二層內(nèi)由振動(dòng)激發(fā)器激發(fā)并在所述第二層內(nèi)傳播的振動(dòng)波形信號(hào)根據(jù)費(fèi)馬原理產(chǎn)生分散現(xiàn)象而成為通道波的方法，其特征在于，根據(jù)分散波動(dòng)方程式計(jì)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(nèi)斷層探查的探查用通道波的傳播速度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種斷層探查裝置，其可以準(zhǔn)確地確定煤層內(nèi)斷層的位置。在煤層夾在兩個(gè)巖石層之間的地質(zhì)構(gòu)造中，在煤層內(nèi)通過振動(dòng)激發(fā)器T1、T2激發(fā)并在煤層內(nèi)傳播的振動(dòng)波形信號(hào)根據(jù)費(fèi)馬原理產(chǎn)生分散現(xiàn)象從而成為通道波的裝置中，根據(jù)分散波動(dòng)方程式計(jì)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(nèi)斷層探查所使用的探查用通道波的傳播速度。
文檔編號(hào)G01V1/48GK102298158SQ20111016477
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者倉野重光 申請(qǐng)人:倉野重光