一种煤层底板下伏岩层潜在流体分布的探查方法与流程

1.本发明涉及流体分布探查，具体涉及一种煤层底板下伏岩层潜在流体分布的探查方法。


背景技术：

2.煤炭是我国的主体能源，是保障国民经济健康稳定发展的重要基石。随着煤矿开采的深度、强度、速度以及规模不断增加和扩大，煤层底板突水问题日益严重。煤层底板突水的实质是：煤层底板下伏含水层(主要为石炭系、奥陶系的灰岩含水层)为承压水富水区，其上覆岩层内含有一定高度的原始导升带，煤层采动过程中，底板下伏岩体产生破裂形成裂隙带，且裂隙带在时间和空间上动态发展，煤层底板下伏岩层内裂隙带的形成会导致含水层上方的原始导升带在张性二次应力和承压水的共同作用下逐渐向上延伸，在此过程中，承压水会沿着裂隙带不断向上入侵并重新分布，当导升带与煤层底板裂隙带联通时，承压水会进入到煤层底板形成煤层底板突水。当煤层底板突水的水量较大时，会对矿井内的人员和生产设备造成非常大的危害。
3.因此，为预防和控制煤层底板突水事故的发生，及时开展防治措施，需要实时探查及掌握煤层采动过程中煤层底板下伏岩层潜在水体的动态空间分布特征。目前，关于煤层底板下伏岩层潜在水体的探查方法主要有水文地质参数观测法、瞬变电磁法、直流电法以及地震勘探法。
4.1)水文地质参数观测法
5.水文地质参数观测法是以地下水径流理论为基础，通过在矿井中打孔抽水，观测水量以及水位等地质参数的变化情况，来探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
6.2)瞬变电磁法
7.瞬变电磁法是以岩石的电性差异为基础，当岩体含水时，视电阻率为低值。该方法利用不接地回线(磁源)或接地电极(线源)向地下发送脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极接收二次涡流场，通过对二次场曲线的反演解释，探测地下地电结构的分布。该方法对低阻体敏感，地层含水相对于地层不含水的情况下呈相对低阻特征，因此可以探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
8.3)直流电法
9.直流电法以岩石的电性差异为基础，当岩体含水时，视电阻率为低值。直流电法属于全空间电法勘探，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，研究深度方向地层电性变化规律，从而获得深度方向地层的各种地质信息，含水体呈相对低阻特征。
10.该方法通过在工作面两顺槽底板布置电极，一侧发射人工激发的电场，另一侧接收。当两顺槽全部接收和发射完成后，进行全空间三维视电阻率反演，根据煤层底板视电阻率的异常变化情况，对地层富水性进行判断。目前，直流电法主要以并行电法和音频电透视法为主，通过获得地层视电阻率特征，探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
11.4)地震勘探法
12.地震勘探法是以爆炸物作为地震波的主动震源，并以岩层的波阻抗差异为勘探基础，基于地震波传播理论，利用地震反射波进行地震反演，获得与地层富水性相关的地球物理参数，包括叠后地震反演以及叠前地震反演。其中，叠后地震反演是通过反演声波阻抗(ai)以及分析声波阻抗与地层孔隙度之间的关系，进而获得地层孔隙度数据。一般认为，孔隙度较高的岩层含水性高于孔隙度低的岩层，从而探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
13.相比较于叠后地震反演，叠前地震反演则是利用了共中心点道集或共反射面元分析反射波振幅随偏移距(或入射角)的变化规律，估算岩性界面两侧的弹性参数，如伪泊松比，由avo截距属性与梯度属性相加得到。当岩层中含水时，岩层的伪泊松比相对增大。基于此，探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
14.现有技术缺点：
15.1)水文地质参数观测法
16.该方法通过打孔进行抽水试验，成本非常高，受经济条件的制约，在煤矿区内无法广泛使用。同时，该方法探查区域有限，仅在观测点附近较为可靠，难以探查与观测点距离较远的煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
17.2)瞬变电磁法、直流电法
18.a、在煤矿井下巷道内施工，均以岩石的电性差异为基础，受巷道内生产设备等干扰影响较大，易产生探查假象，即有铁器的区域在反演成像过程中呈低阻特征，把低富水性的岩层标记为高富水性的岩层，从而导致探查准确性较低；
19.b、该方法一般为静态探查，难以有效获得煤层采动过程中，煤层底板下伏岩层潜在水体的动态空间分布特征，很大程度上降低了煤层底板突水灾害预报的及时性和准确性；
20.c、探查区域有限，仅在观测点附近(工作面两顺槽)及物探观测覆盖区的有效域内较为可靠，难以探查与观测点距离较远的煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况。
21.3)地震勘探法
22.a、该方法在煤矿地表施工，以爆炸物作为地震波的主动震源，在条件较复杂的山区，施工难度较大；
23.b、当探查目标层的上方含有煤层采空区，会严重影响地震反射波的传播路径，导致反演数据的精度较低，难以有效发现煤层底板下伏岩层潜在水体分布；
24.c、该方法是在煤矿投入生产前实施，为静态探查，难以有效获得煤层采动过程中，煤层底板下伏岩层潜在水体的动态空间分布特征，很大程度上降低了煤层底板突水灾害预报的及时性和准确性；
25.d、该方法具有使用前提：地下地层界面存在波阻抗差异，并且该方法在使用过程中受影响因素较多，如地震子波、地层速度、入射角和透射角，以及构造等。


技术实现要素：

26.(一)解决的技术问题
27.针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种煤层底板下伏岩层潜在流体分布的探查方法，能够有效克服现有技术所存在的无法准确探查煤层底板下伏岩层潜在水
体的动态空间分布特征的缺陷。
28.(二)技术方案
29.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
30.一种煤层底板下伏岩层潜在流体分布的探查方法，包括以下步骤：
31.s1、在采煤工作面构建微震监测系统，实时监测并采集煤层采动过程中矿井内的地震波信号；
32.s2、利用基于人工智能的机器学习微震事件检测方法，并检测煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生的微震事件；
33.s3、根据微震事件簇的到时差，确定微震事件簇所在位置的纵横波速比；
34.s4、根据微震事件簇所在位置的纵横波速比，得到岩体破裂处的泊松比；
35.s5、根据不同岩体破裂处泊松比的分布，探查煤层底板下伏岩层潜在流体分布情况。
36.优选地，s2中检测煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生的微震事件之后，包括：
37.对地震波信号进行预处理，将地震波信号在时间-频率域分解并去除噪声，得到有效的下伏岩层岩体破裂产生的微震信号，包括：
38.s21、对采集到的连续地震波信号进行时-频域分析，并在小波分解后进行多个尺度的分析，如下式所示：
39.w0d＝w0f ε*w0z
40.其中，w0为小波变换算子，d为输入波形，可以分解成向量d1，d2，
…dn
，f代表真实的波形向量f1，f2，
…fn
，z代表高斯随机向量z1，z2，
…zn
，ε为附加噪声信号的标准差；
41.s22、采用下式对每一个尺度中的高频系数进行阈值量化处理：
[0042][0043]
其中，tn为选定的阈值，n为对应尺度上小波系数个数总和，门限阈值处理过程的表达式为表达式为表示门限阈值处理；
[0044]
s23、采用下式进行小波重构，得到重构后的波形数据f*：
[0045][0046]
并作逆变换w
0-1
，以完成时频域的恢复，得到时域中去噪后的原始地震波信号。
[0047]
优选地，s3中根据微震事件簇的到时差，确定微震事件簇所在位置的纵横波速比，包括：
[0048]
s31、在下伏岩层岩体破裂产生的微震信号中，根据p、s波的初至时间进行p、s波震相拾取；
[0049]
s32、采用坍塌网格搜索定位法对微震事件进行空间定位，同时计算煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生的微震事件的发震时刻；
[0050]
s33、计算得到微震事件簇所在位置的纵横波速比。
[0051]
优选地，s33中计算得到微震事件簇所在位置的纵横波速比，包括：
[0052]
s331、微震事件的纵波传播速度v
p
、横波传播速度vs分别采用下式表示：
[0053]
[0054][0055]
s332、采用下式计算微震事件簇所在位置的纵横波速比
[0056][0057]
其中，l为煤层底板下伏岩层微破裂处的震源距离微震传感器的空间距离；t为微震事件的发震时刻，可以通过微震事件空间定位计算得到；t0为微震信号中p波的初至时间，可以通过p波震相拾取得到；t1为微震信号中s波的初至时间，可以通过s波震相拾取得到。
[0058]
优选地，s4中根据微震事件簇所在位置的纵横波速比，得到岩体破裂处的泊松比，包括：
[0059]
煤层采动过程中，采用下式计算煤层底板下伏岩层的动态泊松比σ：
[0060][0061]
其中，而则动态泊松比σ可表示为：
[0062][0063]
其中，ρ为地下岩层介质速度，λ、μ为拉梅系数。
[0064]
优选地，s5中根据不同岩体破裂处泊松比的分布，探查煤层底板下伏岩层潜在流体分布情况，包括：
[0065]
s51、在煤层采动之前，通过在采煤工作面两顺槽打钻取岩样进行岩石物理实验，测试获得煤层底板下方不同岩层的纵波传播速度、横波传播速度，并计算不同岩层的静态泊松比σ'；
[0066]
s52、根据煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生微震事件的空间位置，对该处岩体的动态泊松比σ与该深度上同岩层的静态泊松比σ'进行比较，并在动态泊松比σ大于静态泊松比σ'时，判断该处岩层的含水情况；
[0067]
s53、煤层采动过程中，根据动态泊松比σ的前后变化，判断岩层的含水情况；
[0068]
s54、获取探查区域内所有岩体破裂处的动态泊松比σ，并根据微震事件的空间位置进行三维空间分析，动态探查煤层底板下伏岩层潜在流体分布情况。
[0069]
优选地，所述微震监测系统包括矿用隔爆兼本安型微震监测分站，所述矿用隔爆兼本安型微震监测分站接入矿用本安型微震传感器，所述矿用隔爆兼本安型微震监测分站通过工业级光电交换机连接微震监测服务器，所述微震监测服务器连接数据处理客户端，所述数据处理客户端连接打印机；
[0070]
所述矿用隔爆兼本安型微震监测分站连接工业级时钟信号转化器，所述工业级时钟信号转化器通过gps时间信号同步器连接gps天线。
[0071]
(三)有益效果
[0072]
与现有技术相比，本发明所提供的一种煤层底板下伏岩层潜在流体分布的探查方
法，通过采集煤层采动过程中煤层底板下伏岩层岩体破裂产生的微震信号，通过对该信号进行处理、分析，获得岩体的泊松比参数，进而探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况；相较于现有技术，本技术利用被动震源(岩体破裂)来探查煤层底板下伏岩层潜在水体分布情况，不受煤矿井下生产设备、地表地形以及岩层上覆采空区的干扰，准确探查煤层底板下伏岩层潜在水体的动态空间分布特征，且探查区域范围广，能够覆盖全矿井，为煤层底板突水预警提供了新的技术方法。
附图说明
[0073]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0074]
图1为本发明的流程示意图；
[0075]
图2为本发明中微震监测系统的系统示意图；
[0076]
图3为本发明微震监测系统内微震监测点的设计示意图；
[0077]
图4为本发明微震监测系统内微震监测点处微震传感器的安装示意图；
[0078]
图5为本发明中微震监测系统记录到的环境背景噪声波形图；
[0079]
图6为本发明中卷积神经网络cnn的结构示意图；
[0080]
图7为本发明中卷积神经网络cnn在连续记录中检测到的下伏岩层岩体破裂产生的微震信号波形图；
[0081]
图8为本发明中地震波信号波形图及去噪结果示意图，(a)、(b)、(c)分别代表e、n、z分量；
[0082]
图9为本发明中在微震信号波形图中进行p、s波震相拾取的示意图；
[0083]
图10为本发明中采用坍塌网格搜索定位法对微震事件进行空间定位的示意图；
[0084]
图11为本发明中采用坍塌网格搜索定位法后得到的微震事件空间分布示意图；
[0085]
图12为岩体饱和水前后纵波传播速度、横波传播速度对比图；
[0086]
图13为岩体饱和水前后泊松比对比图。
具体实施方式
[0087]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0088]
一种煤层底板下伏岩层潜在流体分布的探查方法，如图1所示，
①
在采煤工作面构建微震监测系统，实时监测并采集煤层采动过程中矿井内的地震波信号。
[0089]
通过在采煤工作面构建高灵敏度、低成本、低噪声的微震监测系统，实时监测并采集煤层采动过程中矿井内的地震波信号，包括井下生产活动信号，以及煤层底板下伏岩层受开采扰动影响诱发岩体破裂产生的微震信号。
[0090]
如图2所示，微震监测系统包括矿用隔爆兼本安型微震监测分站1，矿用隔爆兼本
安型微震监测分站1接入矿用本安型微震传感器2，矿用隔爆兼本安型微震监测分站1通过工业级光电交换机4连接微震监测服务器5，微震监测服务器5连接数据处理客户端6，数据处理客户端6连接打印机7；
[0091]
矿用隔爆兼本安型微震监测分站1连接工业级时钟信号转化器4，工业级时钟信号转化器4通过gps时间信号同步器8连接gps天线9。微震监测系统技术参数如下表所示：
[0092]
表1微震监测系统技术参数表
[0093][0094]
为实时监测并采集煤层采动过程中矿井内的地震波信号，需要在采煤工作面两顺槽布设微震监测点：
[0095]
同巷相邻微震监测点的间距约为100-110m，两顺槽距离切眼最近的微震监测点设计与切眼相隔距离约80m和130m，在空间上形成包络覆盖，如图3所示；
[0096]
微震传感器采用钻孔安装，孔底均进入到煤层底板下伏基岩(垂直孔深一般约4m)，利用水泥砂浆作为传感器耦合剂，如图4所示。
[0097]
微震监测系统记录到的环境背景噪声波形的电压值应该处于10-5
v级别，如图5所示。
[0098]
②
利用基于人工智能的机器学习微震事件检测方法，并检测煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生的微震事件。
[0099]
本技术技术方案中，采用卷积神经网络cnn(如图6所示)检测煤层采动过程中，煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生的微震事件。微震事件检测可以看作是一种图像分类，通过卷积神经网络cnn将一段连续波形分为噪声和微震事件。
[0100]
其中，卷积神经网络cnn需要大量带标签的数据：含微震事件和噪声，让神经网络根据标签自动提取各自对应的特征，经过大量模型训练后，可以得到一个收敛的模型。当用于其它连续波形时，模型会给出一个认为是微震事件的概率，如果概率很高，可以将其当作微震事件，概率很低则为噪声。卷积神经网络cnn在连续记录中检测到的下伏岩层岩体破裂产生的微震信号如图7所示。
[0101]
③
对地震波信号进行预处理，将地震波信号在时间-频率域分解并去除噪声，得到有效的下伏岩层岩体破裂产生的微震信号，包括：
[0102]
s21、对采集到的连续地震波信号进行时-频域分析，并在小波分解后进行多个尺度的分析，如下式所示：
[0103]
w0d＝w0f ε*w0z
[0104]
其中，w0为小波变换算子，d为输入波形，可以分解成向量d1，d2，
…dn
，f代表真实的波形向量f1，f2，
…fn
，z代表高斯随机向量z1，z2，
…zn
，ε为附加噪声信号的标准差；
[0105]
s22、采用下式对每一个尺度中的高频系数进行阈值量化处理：
[0106][0107]
其中，tn为选定的阈值，n为对应尺度上小波系数个数总和，门限阈值处理过程的表达式为表达式为表示门限阈值处理；
[0108]
s23、采用下式进行小波重构，得到重构后的波形数据f
*
：
[0109][0110]
并作逆变换w
0-1
，以完成时频域的恢复，得到时域中去噪后的原始地震波信号。
[0111]
s22中在进行阈值函数选择时，有固定阈值sqtwolog、利用最小均方误差的极值确定的阈值minimaxi、利用最小风险估计的阈值rigsure，以及heursure阈值等4种形式可以选择，本技术选择heursure阈值形式。
[0112]
煤层采动过程中，微震监测系统在井下实时监测并采集的地震波信号含有随机噪声信号，如强能量扰动、微震传感器与地层耦合不好而产生的噪声，以及环境背景噪声等。因此，首先要对微震监测系统采集的地震波信号进行预处理，即将地震波信号在时间-频率域分解并去除噪声，得到有效的下伏岩层岩体破裂产生的微震信号。
[0113]
地震波信号及去噪结果如图8所示，其中(a)、(b)、(c)分别代表e、n、z分量。在经过小波阈值去噪后，连续微震信号的信噪比得到了较大提高，p波和s波的震相更加清晰，为后续准确拾取p、s波震相提供保证。
[0114]
④
根据微震事件簇的到时差，确定微震事件簇所在位置的纵横波速比，包括：
[0115]
s31、在下伏岩层岩体破裂产生的微震信号中，根据p、s波的初至时间进行p、s波震相拾取；
[0116]
s32、采用坍塌网格搜索定位法对微震事件进行空间定位，同时计算煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生的微震事件的发震时刻；
[0117]
s33、计算得到微震事件簇所在位置的纵横波速比。
[0118]
其中，计算得到微震事件簇所在位置的纵横波速比，包括：
[0119]
s331、微震事件的纵波传播速度v
p
、横波传播速度vs分别采用下式表示：
[0120][0121][0122]
s332、采用下式计算微震事件簇所在位置的纵横波速比
[0123][0124]
其中，l为煤层底板下伏岩层微破裂处的震源距离微震传感器的空间距离；t为微震事件的发震时刻，可以通过微震事件空间定位计算得到；t0为微震信号中p波的初至时间，可以通过p波震相拾取得到；t1为微震信号中s波的初至时间，可以通过s波震相拾取得到。
[0125]
煤层采动过程中，煤层底板下伏岩层岩体破裂产生的微震信号包含p波和s波，在时间序列上p波先到、s波后到，可以根据p、s波的初至时间进行p、s波震相拾取，如图9所示。
[0126]
坍塌网格搜索定位法首先将模型空间划分成规则的网格，其次在模型空间按较粗网格进行快速搜索，得到误差分布，然后基于gaussian误差分布假设，对全局最小区域进行加密搜索，通过多次加密搜索得到全局最小值，如图10所示。采用坍塌网格搜索定位法后得到的微震事件空间分布如图11所示(图中球表征微震事件的发生位置，颜色表征微震事件的震级)。
[0127]
⑤
根据微震事件簇所在位置的纵横波速比，得到岩体破裂处的泊松比，包括：
[0128]
煤层采动过程中，采用下式计算煤层底板下伏岩层的动态泊松比σ：
[0129][0130]
其中，而则动态泊松比σ可表示为：
[0131][0132]
其中，ρ为地下岩层介质速度，λ、μ(剪切模量)为拉梅系数。
[0133]
泊松比是描述弹性物体的一个参数，其对地层岩性及所含流体是一个反应灵敏的参数。1976年，a.r.gregory通过实验发现，当岩层孔隙率达到25％以上时，含水饱和的岩层与含气饱和的岩层之间的泊松比差异十分明显，因此提出可以利用泊松比来判别流体的性质。
[0134]
通过模拟地层条件下研究岩石泊松比实验特征，实验中的岩石类型主要为中细粒岩屑长石砂岩、细粒岩屑石英砂岩、细粒岩屑砂岩、中粒长石石英砂岩、中粒含碳酸盐岩屑石英砂岩，少量为粉砂质泥岩和泥岩。研究结果表明：饱和水前的泊松比主要分布在0.1～0.2之间，饱和水后的泊松比主要集中在0.2～0.3之间，增幅一般超过30％。
[0135]
从声学实验的角度来说，饱和水后的泊松比明显增大，主要是因为纵波传播速度增大，而横波传播速度基本不变，纵横波速比增大所致，如图12所示。从岩石力学角度分析，水介质可能引起岩石结构弱化、塑性变形增强，导致泊松比增大，如图13所示。
[0136]
⑥
根据不同岩体破裂处泊松比的分布，探查煤层底板下伏岩层潜在流体分布情况，包括：
[0137]
s51、在煤层采动之前，通过在采煤工作面两顺槽打钻取岩样进行岩石物理实验，测试获得煤层底板下方不同岩层的纵波传播速度、横波传播速度，并计算不同岩层的静态泊松比σ'；
[0138]
s52、根据煤层底板下伏岩层中岩体破裂产生微震事件的空间位置，对该处岩体的动态泊松比σ与该深度上同岩层的静态泊松比σ'进行比较，并在动态泊松比σ大于静态泊松比σ'时，判断该处岩层的含水情况；
[0139]
s53、煤层采动过程中，根据动态泊松比σ的前后变化，判断岩层的含水情况；
[0140]
s54、获取探查区域内所有岩体破裂处的动态泊松比σ，并根据微震事件的空间位置进行三维空间分析，动态探查煤层底板下伏岩层潜在流体分布情况。
[0141]
在煤层采动之前，通过打钻取芯，在实验室对岩芯进行声波等测试。其中，实验测
试的岩芯主要指煤层底板下方的隔水层以及含水层处的岩石，一般为泥岩、砂泥岩互层、砂质泥岩以及石灰岩等。根据实验测试获得煤层底板下方不同深度、不同岩性岩体的纵波传播速度、横波传播速度，并计算该处岩层的静态泊松比σ'。
[0142]
煤层采动过程中，煤层底板下伏岩层处于一个动态的破坏过程，包含岩体破裂、发育成裂隙通道、进水、岩体继续破裂以及裂隙通道继续发育等。此时，可以根据动态泊松比σ的前后变化，判断岩层的含水情况。
[0143]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。