一种沿空留巷切顶预裂效果的无损检测方法与流程

本发明涉及一种沿空留巷切顶预裂效果的无损检测方法，属于切顶预裂效果检测。

背景技术：

1、沿空留巷是一种在采煤工作面后沿采空区边缘维护和保留原回采巷道的技术，其具备提高煤炭采出率、降低巷道掘进率、缓解采掘接替紧张的作用，符合煤炭安全绿色高效的发展要求，是科学采矿的重要发展方向和技术支撑。受深部地下地应力与开采扰动的影响，巷道支护易受损而难以维持其作用，是目前沿空留巷过程中亟待解决的问题。现有研究表明，采用预裂爆破切顶技术可以减小顶板悬臂长度，缓解巷旁支撑压力，确保顺利留巷。

2、切顶卸压的关键在于预裂爆破孔进行预裂爆破后周边的裂缝形成与扩展，裂缝发育程度直接决定爆破切顶预裂效果，然而现有对切顶预裂效果的检测均是需要在切顶预裂区域周围再施工探测钻孔然后进行后续评价过程，这样不仅施工繁琐，而且其需对预裂区域再次进行有损施工，目前尚未有无损探测与评价切顶预裂效果的应用技术；因此，如何提供一种新的方法，能无损探测与评价切顶预裂效果，是本行业的研究方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种沿空留巷切顶预裂效果的无损检测方法，通过集合信号采集、处理、成像与解释的特定处理过程，无损探测获取切顶预裂成像并对切顶预裂效果进行评价。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种沿空留巷切顶预裂效果的无损检测方法，具体步骤为：

3、步骤一：在沿空留巷巷道顶板选定位置后先施工预裂孔，完成后在预裂孔周围的沿空留巷巷道顶板布置n个地震检波器，n个地震检波器以预裂孔为中心呈圆环形分布，且相邻两个地震检波器的间距相同，然后将各个地震检波器均与地震仪连接，从而完成环形地震波观测系统的布设；

4、步骤二：以预裂孔为原点、沿空留巷巷道走向为x轴、沿空留巷巷道径向为y轴，建立预裂孔地震观测坐标系，以由此分别计算各个地震检波器在该坐标系内的坐标；

5、步骤三：在切顶预裂爆破之前，以锤击作为震源，在预裂孔处以相同力量等间隔激发多次地震波，各个地震检波器同时采集每次震源产生的地震波数据并反馈给地震仪记录，完成后地震仪获得每个地震检波器采集各次震源的激发信号；对每个地震检波器采集的各次震源的激发信号，按照各次震源的激发顺序依次进行互相关并叠加计算，从而提高信号信噪比及获取最大相关信号，最终输出每个地震检波器的互相关叠加信号m前1、m前2、……、m前n；并将地震仪与各个地震检波器断开连接，此时开始在预裂孔内进行切顶预裂爆破施工；

6、步骤四：完成切顶预裂爆破施工后，再次将n个地震检波器与地震仪连接，并按照步骤三的过程，最终获取每个地震检波器的互相关叠加信号m后1、m后2、……、m后n；

7、步骤五：将步骤四获得每个地震检波器的互相关叠加信号振幅值分别对应减去各自在步骤三获得的互相关叠加信号振幅值，从而获得由爆破引发裂缝所形成的信号，记为m1、m2、……、mn；

8、步骤六：基于步骤五获得的信号m1、m2、……、m8建立每次震源与各个地震检波器获取信号中的裂缝散射尾波扩散密度函数，具体计算过程为：

9、获取每次震源激发位置及各个地震检波器的位置，在已知地震波传播速度v的情况下，根据不同时延信号传播时间求取不同空间位置的裂缝散射尾波扩散密度函数k(s1,s2,x0,t)，即敏感核的空间分布：

10、

11、式(1)中，k(s1,s2,x0,t)描述波列在s1点发射，途径x0并在时间t后在s2位置被接收到的概率；p(s1,s2,t)为表示波列从s1经过时间t到达s2的概率，具体为，

12、

13、式(2)中，|s1-s2|表示s1和s2的距离，d为散射系数；

14、通过上式计算后在预裂孔周围一定范围内建立敏感核分布空间网格；

15、步骤七：以m1、m2、……、mn中尾波信号能量作为依据，并根据每个尾波信号的时延关系映射于对应的敏感分布空间网格内，获取每个尾波信号的尾波扰动分布成像结果；

16、步骤八：将步骤七获取的各个尾波扰动分布成像结果进行叠加，由此能获取敏感核分布空间网格范围内的裂缝发育程度分布图，接着划定预裂孔周围一定范围为成像区域，进而获取成像区域的裂缝发育程度分布图；

17、步骤九：对成像区域内的能量分布进行统计分析并计算其平均值，记为e平均；最后对当前预裂孔各个方位进行预裂效果评价：若当前预裂孔某一方位区域在成像区域中能量大于e平均则确定该方位为裂缝发育多，预裂效果好的区域；反之，则确定该方位为预裂效果不佳；从而完成当前预裂孔周围各个方位区域的预裂效果评价。

18、进一步，所述步骤一中地震检波器为8个，8个地震检波器在以预裂孔为中心的圆环上等间距分布。圆环半径根据情况自行设定。

19、进一步，所述步骤三中按照各次震源的激发顺序依次进行互相关并叠加计算的具体过程为：

20、互相关计算按照激发次序顺序进行，具体为第1次激发所得的信号与第2次激发所得的信号进行互相关计算后所得的记录，再与第3次激发所得的信号进行互相关计算，依次进行直至与最后一次激发所得的信号进行互相关计算；

21、互相关计算公式为：

22、

23、式中，x(n)和y(n)分别表示参与互相关的不同激发下的地震信号，τ表示y(n)相对于x(n)的时移量，n表示参与互相关的整个采样信号长度。

24、进一步，所述步骤七中尾波信号能量的计算采用绝对振幅计算方式，即采用相应信号的振幅绝对值。

25、进一步，所述步骤六中以预裂孔为中心周围10m区域建立敏感核分布空间网格，内部网格大小设置为0.1m×0.1m。

26、进一步，所述步骤八中划定以预裂孔为中心周围10m的范围为成像区域。

27、进一步，所述步骤九中对成像区域内的能量分布进行统计分析并计算其方差d(m)；在后续进行预裂孔的预裂效果评价时，对于不同预裂孔，方差d(m)越小，则说明预裂效果更稳定。

28、由于现有切顶预裂效果评价均为有损施工后的评价，目前矿井地球物理勘探技术应用在采掘工作面隐伏构造及富水性探测方面实现了无损勘探，但是现有地球物理勘探技术无法直接用于切顶预裂效果评价，经过发明人研究获得本发明的方法，与现有技术相比，具有如下优点：

29、1、本发明在沿空留巷巷道顶板布置多个地震检波器，多个地震检波器以预裂孔为中心呈圆环形分布，且相邻两个地震检波器的间距相同，从而形成环形地震波观测系统，这样的布设方式，能实现对预裂孔不同方位裂缝地震尾波信号的采集，用于后续预裂孔进行爆破预裂后多方位裂缝发育情况评价；

30、2、本发明先在预裂孔未实施切顶预裂爆破之前，通过锤击激发震源使各个地震检波器采集各次震源的激发信号并进行互相关计算及顺序叠加处理，获得实施前每个地震检波器的互相关叠加信号；然后实施切顶预裂爆破之后，再重复实施之前的锤击过程，获得实施后每个地震检波器的互相关叠加信号，两者相减后得出由爆破引发裂缝所形成的信号；接着根据该信号在预裂孔周围一定范围内建立敏感核分布空间网格，并将上述信号以能量为依据映射至空间网格内，从而获取成像区域内的裂缝发育程度分布图；最后根据该图对预裂孔各个方位区域的预裂效果进行评价；由此本发明形成了集合信号采集、处理、成像与解释的沿空留巷切顶预裂效果的无损检测过程，该方法有利于提高沿空留巷实际作用，为深部煤层开采提供技术支持。