煤巷前方断层地震波场特征及成像方法研究

发布时间：2020-10-16 22:50

　　 在煤矿井下开展地震探测工作,技术优势显著,具体表现在:探测距离近、验证快;不受地面不利因素干扰;针对多层采空区及地表沉陷情况,可有效填补地面地震的不足;目前采用矿井地震波法进行断层超前探测是一个研究热点;然而煤巷地质条件复杂,断层超前探测存在煤层巷道以及围岩松动圈影响,但煤巷、围岩松动圈条件下的三维地震波场特征尚未揭示,常规偏移成像方法难以准确构建断层模型;故以煤巷前方断层三维地震波场特征及精细成像方法为研究对象开展研究,具有重要的理论意义和实践价值。本文依托国家自然基金项目,以理论分析、数值模拟、现场试验为研究方法,以基于希尔伯特变换复协方差矩阵极化分析、统计矢量矩阵分析为关键技术,以形成一种煤巷断层超前精细定量探测为研究目标开展研究,其主要研究成果如下:(1)揭示了掘进工作面前方正、逆断层有效波的运动学、动力学差异特征。当正断层超前探测时,上盘断失翼煤层断点绕射波与下盘煤层断点绕射波、反射槽波混叠,断点绕射波无法识别;当逆断层超前探测时,上、下盘煤层断点绕射波到时差异显著,易于分离提取,且下盘断点绕射波极化倾角指向性强。(2)揭示了全空间条件下煤巷空腔及围岩松动圈效应耦合影响下的超前断层地震波极化特征。由于煤巷空腔和围岩松动圈耦合作用,巷道面波发育,断点绕射波极化方位角与理论值存在较大偏差,而极化倾角与理论值偏差较小;当断点绕射波穿过煤层时,极化参数发生改变,无法通过极化参数成像;当断点绕射波直接到达检波器时,极化参数准确,可以通过极化参数对断点进行精确成像。(3)提出了一种对掘进工作面前方断失翼煤层进行高精度定位的希尔伯特极化成像新方法。该方法利用希尔伯特极化分析计算断点绕射波极化参数,通过检波器组合计算可能存在的绕射点并以其空间密度分布为衡量标准,对断失翼煤层进行收敛成像。希尔伯特极化成像方法无需考虑速度建模问题,利用时间域绕射波的极化特征可以实现断失翼煤层的准确定位。(4)实现了典型矿区煤巷断层超前定量探测。基于Visual C++.net平台开发的HTPsFilter矿井巷道多波多分量地震数据处理系统,在典型矿区开展了现场试验,构建了超前断层探测模型,实证结果表明希尔伯特极化成像技术可为煤巷安全掘进提供必要的技术参数。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD326
【部分图文】：

z PU z , x, P D x, z , d 条件 ( , , ) ( , , ),( , , ) ( , , )U DD DP x z P x zI x z dP x z P x z 点的成像结果；( , , )UP x z ，DP ( x, z , )分别为 x , 为角频率； 为复数的共轭； 为无穷小实数。像或反褶积成像条件，逆时外推每一步，将逆向外推积成像条件进行计算，然后将波场值累加至成像剖结束，便可获取最终的偏移成像结果。换偏移成像[178-180]原理如图 1-2 所示。广义拉冬变换偏移考角，对相位进行了校正，而且做了 Hilbert 变换处理

射波波场特征；推导绕射波主极化方向约束的成像算法；在典型矿井开展现场试验，用现场实证对比法分析探测与实际揭露数据，完善超前探测方法。具体技术路线如图1-3所示，工作量如表1-1所示。表 1-1 论文工作量Table 1-1 Paper workload序号 工作内容 主要工作量1文献查阅，研究方案设计与制定查阅中英文献，设计与制定研究方案和详细研究内容，完成选题报告2 理论推导完成统计矢量矩阵分析、希尔伯特极化偏移推导3 处理软件编制及调试基于 Visual C++.net 平台开发完成 HTPsFilter三维可视化数据处理软件4构建三维数值模型及正反演分析构建掘进工作面不同属性断层三维模型，并开展运动学、动力学差异特征分析考虑三维煤巷空腔和围岩松动圈耦合影响，并进行超前断层地震波极化特征分析基于三维三分量数值模拟数据，开展不同观测系统条件下断层模型成像反演5 典型矿区现场探测实验针对淮南、济宁矿区巷道进行现场探测实验

博士学位论文本模块根据多分量地震信号，绘制质点极化轨迹图，可在三维空间动态显示极化矢端曲线图；基于求解构建的复协方差矩阵，可动态显示指定周期内三维极化方向，并且可以选择任意采样点的极化主轴在三维空间的显示。3）数据导出分析模块本模块可导出所选时窗的各个采样点对应的优势极化方位角与优势极化倾角，挑选出能代表该周期内的极化主轴的极化参数，以该优势极化参数在空间表达出所需时间段的极化主轴的位置，进而进行分析验证。4）空间绕射点极化成像模块本模块可根据所有检波器所选时窗的各个采样点对应的优势极化方位角与优势极化倾角，对绕射点进行统计成像。
【参考文献】

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本文编号：2843885