煤层工作面透射地震波场特征及其三维成像研究

论文摘要

精准预测工作面的开采地质条件是确保矿山安全高效开采的前提,双巷或多巷间透射地震层析成像是一种行之有效的地球物理探查方法。现今矿井下所采用的二维透射地震成像技术对地质异常体的解释精度难以满足要求,开展起伏煤层三维空间的透射地震波场特征与反演成像技术研究,是提高工作面探查精度的重要方向。论文先以煤层工作面中地质构造异常为研究对象,建立了水平煤层和倾斜煤层中含有正、逆断层、褶曲组合和煤厚变化等地质构造的三维数值模型,总计19个。采用高阶交错网格有限差分方法模拟三维弹性地震波场,根据透射地震层析探测系统下的三分量地震模拟信号和地震波场的三维快照,分析了煤层倾角、褶曲、断层等地质构造异常的三维地震波场响应特征。通过对数值模型进行三维射线追踪模拟的方法,分析探讨了煤层中常见地质构造的透射体波速度特征;得出煤层工作面顶底板的高速岩层是透射地震体波的快速便捷通道,煤层顶底板产状变化是控制波速反演结果的结论。其次,针对煤层工作面透射地震波二维层析成像中存在的巷道起伏影响问题,将高程坐标加入二维地震速度层析成像方法中,将二维反演的平面模型改进为三维板状模型。拟三维透射地震成像技术,加入了巷道高程信息的同时不会加剧速度方程的欠定性,大大减弱巷道起伏的干扰。将拟三维射线追踪技术与时频分析技术相融合,开展了勒夫型透射槽波信号的频谱分析工作。采用遗传算法对实测频散曲线和反演模型进行迭代匹配计算,得到了煤层和顶底板岩层的横波速度在一定深度上的分布特征,并根据横波速度突变点可以定量解译煤层厚度。结合拟三维射线追踪和三维反投影技术,实现了起伏煤层条件下的工作面三维透射地震成像,得到煤厚在工作面内的分布信息和不同深度横波速度的三维空间展布特征。最后,通过三组三维数值模拟和两组物理模拟实验取得透射地震数据,对比分析三维透射地震成像结果和已知模型信息,验证了上述成像技术的可行性和有效性。将透射地震波成像结果从二维空间扩展成三维空间,不仅提高了成像精度和地质异常体的可视化程度,也为煤层工作面构造地质异常的精确解译提供了一条重要的技术途径。在现场实际应用过程中,该成像技术实现了煤层一定范围内的三维速度成像,较好地刻画出起伏煤层工作面内的地质构造和顶底板岩层特征。但也发现,煤层的复杂地质条件和顶底板低速泥岩层等因素会对成像结果产生影响,该成像方法在实际应用中的适应性有待持续的验证和总结。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1. 绪论
•   1.1 选题背景
•     1.1.1 我国煤炭工业发展现状
•     1.1.2 我国煤矿安全生产当前形势
•   1.2 研究目的和意义
•     1.2.1 新形势下煤矿安全生产地质保障需求与探查精度矛盾
•     1.2.2 煤层工作面开采地质条件的探查方法与技术需完善
•   1.3 国内外研究现状及存在的问题
•     1.3.1 煤层工作面常用地球物理探测方法与不足
•     1.3.2 煤层工作面透射地震波层析技术的实践现状
•     1.3.3 透射地震波三维层析成像方法研究现状
•     1.3.4 煤层工作面透射地震波层析技术存在的问题与解决思路
•   1.4 研究内容
•   1.5 研究方法与技术路线
•   1.6 主要创新点
• 2. 采煤工作面地质构造三维透射地震波场特征分析
•   2.1 三维地震波场数值模拟方法
•     2.1.1 高阶差分近似
•     2.1.2 稳定性条件及吸收边界
•     2.1.3 震源函数
•     2.1.4 三维射线追踪
•   2.2 常见煤层构造的透射体波速度特征
•     2.2.1 煤层工作面地震波速度层析的物理基础
•     2.2.2 水平煤层构造异常速度特征分析
•     2.2.3 倾斜煤层构造异常的速度特征分析
•     2.2.4 煤层不同位置构造异常的速度特征分析
•     2.2.5 煤层倾角变化对透射层析速度影响程度的量化分析
•   2.3 煤层构造透射波三维地震波场分析
•     2.3.1 水平煤层的三维透射地震波场特征
•     2.3.2 倾斜煤层的三维透射地震波场特征
•     2.3.3 煤层地质构造的三维透射地震波场特征
•   2.4 本章小结
• 3. 煤层工作面双巷间透射地震波三维成像技术
•   3.1 双巷透射地震波速度层析成像基本原理
•     3.1.1 透射地震波三维速度层析成像的数学基础
•     3.1.2 透射地震波射线追踪技术
•     3.1.3 透射地震波三维图像重建技术
•   3.2 采煤工作面拟三维地震波速度层析成像技术
•     3.2.1 透射地震波拟三维速度层析反演思路
•     3.2.2 透射地震波拟三维速度层析射线追踪
•     3.2.3 透射地震波拟三维速度层析反演方法
•   3.3 透射槽波频散特征及其反演技术
•     3.3.1 槽波的频散特征及影响因素
•     3.3.2 槽波能量在煤层及围岩中的分布规律
•     3.3.3 透射槽波频散曲线的反演原理
•   3.4 起伏煤层工作面透射地震波三维反演成像方法
•   3.5 本章小结
• 4. 煤层工作面透射地震波三维成像技术数值模拟
•   4.1 倾斜煤层数值模拟数据拟三维速度反演
•   4.2 透射槽波数值模拟数据频散曲线反演
•   4.3 数值模拟透射地震波数据三维反演
•   4.4 本章小结
• 5. 煤层工作面透射地震波三维成像技术物理模拟
•   5.1 物理模拟相似准则
•   5.2 三维物理模型实验准备工作
•     5.2.1 相似材料配比实验
•     5.2.2 超声波测试仪器及其参数
•     5.2.3 试样超声波测试
•   5.3 三维物理模型超声波实验
•     5.3.1 煤层工作面三维物理模型设计
•     5.3.2 物理模型超声波测试观测系统
•   5.4 超声波测试数据处理与解释
•     5.4.1 水平煤层厚度突变物理模型
•     5.4.2 带地质构造的起伏煤层物理模型
•   5.5 本章小结
• 6. 煤层工作面透射地震波三维成像技术应用
•   6.1 实测煤层工作面地质概况
•     6.1.1 煤层工作面及煤层条件
•     6.1.2 煤层工作面地质构造条件
•     6.1.3 透射地震波层析技术实际探测方案
•   6.2 拟三维透射纵波速度反演
•     6.2.1 透射地震波层析成像三维观测系统
•     6.2.2 煤层工作面实测透射纵波速度反演
•   6.3 实测透射槽波频散曲线反演成像
•   6.4 实测透射地震波三维反演成像
•   6.5 本章小结
• 7. 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 存在的问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 胡泽安

导师: 许光泉,张平松

关键词: 起伏煤层工作面,三维透射地震波场,小构造探测,槽波频散曲线反演,三维速度成像

来源: 安徽理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 安徽理工大学

分类号: P631.4;TD166

总页数: 138

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