黏弹煤层介质断层构造槽波响应特征分析

隐伏断层是影响工作面透明化建设、煤矿智能化发展的重要地质因素之一，槽波地震勘探是目前探测断层的常用方法。目前，槽波理论研究主要基于煤层弹性各向同性条件，但煤层是由有机物质和无机物质组成的层状沉积岩体，具有较强的黏弹性。基于Kelvin-Voigt黏弹性理论，采用三维交错网格高阶有限差分法，边界吸收采用PML吸收边界算法，研究了煤层黏弹性和断层断距对槽波传播的影响。结果表明：黏弹介质煤层中地震波能量衰减增强，高频部分能量衰减严重，黏弹介质更加接近实际煤层的衰减特性；槽波遇到断层后，z分量高阶Rayleigh槽波发生透射和绕射现象，产生了新的转换波组基阶与高阶Rayleigh槽波；煤层的横波品质因子Qs=50时，基阶槽波具有明显的频散曲线形状，Qs衰减至10时，高阶Rayleigh槽波仍有清晰记录，槽波能量峰值向低频移动；随着断层断距的增大，绕射和透射作用逐渐增强，转换波组能量逐渐增大，断层后z分量的转换波组能量逐渐增强，槽波能量峰值向高频移动。     

CO2集中力源的地震波场特征及应用

CO₂震源通过调节泄压头的出气口控制激发方向,实现集中力源的定向激发,克服了传统震源激发方向不可控的难题,然而CO₂集中力源在煤层中激发的三维波场特征尚未揭示。基于此,笔者通过三维数值模拟、物理分析、现场试验对CO₂集中力源进行研究,结果表明:不同集中力源在煤层中激发的地震波场差异显著,通过力学机制分析了均匀模型及煤-岩-煤模型X方向集中力源下多分量不同方向纵波、横波及槽波振幅差异特性,研究了煤层界面对地震波传播的影响机制,进一步解释了煤层内部激发X方向集中力源加载下体波、槽波的波场特征和传播机理。研究发现X方向集中力源在X分量中沿着震源位置的Y方向槽波振幅最强,Y方向集中力源在Y分量中沿着震源位置的X方向槽波振幅最强,Z方向集中力源的Z分量槽波振幅强。因此,X方向集中力源适合回采工作面Love型槽波透射探测,Y方向集中力源适合掘进工作面Love型槽波超前探测,Z方向集中力源适合Rayleigh型槽波勘探。利用X方向集中力源进行了面内透射试验,对多组CO₂集中力源激发多道接收的地震记录进行了槽波能量衰减成像,探钻对比结果验证了CO₂集中力源地震成像结果的可靠性。下一步重点围绕CO₂震源多类型激发条件下的多波多分量地震波场特征开展研究。     

黏弹TI煤层介质3层模型Love槽波频散与衰减特征

煤层是典型的黏弹各向异性介质,将黏弹性和各向异性两种性质结合起来的槽波研究较少。以弱各向异性煤层为研究对象,应用Thomsen等效介质理论,采用Kelvin-Voigt黏弹性模型,研究了黏弹TI(Transverse Isotropy)介质3层水平层状模型Love槽波频散与衰减特征;推导了3层水平介质的Love槽波频散方程解,可以计算品质因子随频率变化的情况;分析了各向异性参数γ、煤层横波品质因子Q_s值变化及煤层Q_s随频率变化对Love槽波频散、品质因子和衰减曲线的影响;模拟了煤层Q_s=10和Q_s=20时三维槽波波场传播过程。结果表明:TI介质和各向同性介质的槽波品质因子和衰减系数基阶曲线差别小,各向异性参数γ对Love槽波品质因子和衰减系数影响较小;煤层Q_s对Love槽波频散曲线影响很小,主要影响槽波品质因子和衰减系数曲线,煤层Q_s=10时槽波衰减系数值比Q_s=20和30时大很多;目前煤层Q_s在0~1000 Hz内是否随频率变化尚无定论,假设煤层Q_s随频率线性减小,各阶槽波品质因子曲线低频部分差异很小,高频部分差异变大,当Q_s减小到10时,槽波衰减系数随频率增长很快;对于三维槽波波场,煤层Q_s=20时透射Love槽波和基阶Rayleigh槽波能量较强,而Q_s=10时这些波衰减很快,对面巷道接收不到,说明实际工程中接收不到这些波的原因很可能是由于煤层Q_s很小;针对实际工作面探测中接收不到Love槽波和基阶Rayleigh槽波的情况,可以利用速度较高、衰减相对较小的高阶Rayleigh槽波探测。     

掘进煤巷采空区Rayleigh型槽波超前探测三维数值模拟研究

不明采空区的存在诱发了多种矿山地质灾害，给煤矿安全生产和生命财产安全带来重大隐患。为了研究煤巷迎头前方存在采空区的条件下槽波地震波场的传播规律，建立了“岩-煤-岩”三层含采空区地质模型并进行了地震超前探测波场数值模拟，分别对三维地震波场快照和三分量合成地震记录进行分析研究。研究结果表明：在对巷道前方采空区进行地震超前探测时，Rayleigh型槽波可以作为识别巷道迎头前方采空区的有效波|反射Rayleigh型槽波在X、Z分量上信号特征明显、干扰小、能量强、易于识别|Y分量信号可以接收到直达Love型槽波。最终，提出利用Rayleigh型槽波对采空区进行超前探测。     

含夹矸煤层的Love型槽波频散特征

为了研究夹矸对煤层槽波特征的影响,从理论上推导了含夹矸煤层模型的Love型槽波频散方程。通过建立不同地层模型,研究夹矸的厚度、位置、速度变化对槽波特征的影响规律。研究结果可为槽波实际资料的分析、埃里相识别、数据处理提供参考依据。     

Love型槽波的频散特征及影响因素

为了研究Love槽波的频散特征及影响因素,从理论上推导了Love型槽波的频散方程。通过建立不同参数的地层模型,研究煤层厚度变化、煤层速度变化、围岩物性变化等对槽波特征的影响规律。研究结果可为槽波资料分析、埃里相识别、数据处理提供依据。     

槽波地震透射法和反射法在断层探测中的联合应用

为提高井下槽波地震勘探对工作面内部断层探测精度,解决采用单一透射法探测物探异常区效果不理想问题,提出透射/反射联合勘探的施工方法,对工作面内部进行透射法勘探,并对拾取的Love型槽波旅行时进行层析成像,绘制槽波波速分布图,从而判断地质异常体的有无;同时进行反射法勘探,利用Rayleigh型槽波解译数据,确定断层位置及大致衍生方向。实践表明,两者联合使用可以获取更加丰富的地质信息,确保了勘探成果的准确性。     

煤层陷落柱的三维地震槽波正演模拟

采用透射法槽波地震方法对煤层陷落柱进行了三维正演模拟。发现煤层中无陷落柱时,X分量同相轴连续性中断,而Y与Z分量连续性好。当煤层中存在陷落柱时,X分量中央底部形成明显的能量集中区域,在Y与Z分量上出现同相轴中断现象,形成次级槽波。改变炮点位置,陷落柱处的地震槽波能量衰减相对较小,而透射陷落柱后的槽波能量大幅衰减。     

煤巷断层三分量槽波侧帮探测数值模拟

利用有限差分法对煤巷侧帮隐伏断层地震波场进行了数值模拟研究,震源采用雷克子波震源,模型边界采用吸收边界,分析了层状煤层中的不同分量的地震波波场。直达波分为纵波、横波和槽波,地震波在煤层中相互叠加干涉形成的槽波在遇到断层后通过反射被检波器接收,其中平行于巷道走向的y分量中反射槽波能量最强;揭示了三分量侧帮波场特征,为煤矿井下槽波侧帮勘探提供了理论支撑。     

矿井多波多分量地震方法与试验

多波多分量地震勘探近些年发展迅速,但其在矿井地震中的研究与应用仍不足。矿井全空间效应下波场复杂,在可激发出的体波、煤层槽波、巷道面波与声波等中的有效波与干扰波成分随成像波型选择而改变;同时来自空间多方向的地震波混叠,无方向性的成像难免会出现假象,影响矿井地震勘探的精度。为有效利用不同类型波进行成像,提出基于地震波偏振特性的矿井多波多分量地震方法。此方法利用三分量地震记录,通过时窗自适应的极化分析方法获取准确极化特征参数,避免了因时窗选取不准确而造成极化参数错误的问题;其在散射原理基础上构建的极化滤波函数包含偏振因子和方向因子,可随成像点空间位置及成像的波型的变化而实时更新;偏振因子利用信号的偏振系数可压制非线性干扰波,达到提取纵横波及勒夫型槽波等线性极化波的作用,提高矿井地震信号的信噪比;方向因子根据成像点空间位置与特定波型的振动方向的空间关系,不仅可分离振动方向不同的波(如纵波与横波),还能获取空间任一点的地震波信号,从而实现针对空间任一位置的多波偏移成像。现场试验表明:在岩巷中可分别进行纵波和横波的成像,两者相互验证,提高了探测准确度,同时其探测区域空间位置不受地震测线的约束,可实现测线范围外的地震探测,解决矿井地震勘探施工空间受限的问题;在煤巷中可分别进行槽波与体波的成像,解决槽波反射探测距离受限的难题,故在槽波勘探中建议采用三分量接收,理想情况下,采用煤层三分量和顶板三分量同时接收,形成槽波、体波六分量记录,作为槽波、体波联合勘探的基础数据。     

煤层Love型槽波数值模拟及其频散特征分析

槽波地震是探查采煤工作面内部小断层或其他地质异常中的有效手段,但以往对槽波中蕴含的频散信息利用不足。采用二维高阶交错网格法模拟了煤层槽波的波场发育特征,激发震源采用横波震源,模型边界吸收采用完全匹配层法。从模拟结果可以看出:与传统槽波理论认识不同,槽波的能量不仅分布在基阶模式,高阶部分的能量也很强,这对于今后的煤矿井下槽波勘探具有一定的参考意义。     

极不稳定煤层槽波地震勘探技术

为解决极不稳定煤层工作面因煤厚变化不清,造成大量巷道报废而导致盲目改造,使生产效率低下等技术难题,选用井下槽波地震勘探透射法,基于特定频率下Love型槽波速度与煤厚的关系,通过频散分析、拾取波速、CT成像等数据处理手段,预测工作面内部煤厚变化,圈出了厚度小于1.5 m薄煤层范围,经探巷及回采验证了其准确性。     

槽波成因的简要分析

介绍了槽波勘探技术的发展历史,指出大部分专著及文献中对于槽波形成成因的表述不当。结合波的干涉和波的叠加理论以及斯奈尔定律,对槽波的成因进行定性分析,分别从波的干涉的3个条件进行分析,阐明了不管是Rayleigh型槽波还是Love型槽波,都符合波的叠加理论,而非波的干涉;通过公式推导,再次印证了槽波的形成符合波的叠加原理,是由波的叠加形成,只有少量频率成分的槽波是由干涉形成。     

典型含煤模型Love型槽波的频散特征分析

为了研究不同地质条件下煤层Love型槽波的频散特征,设计了4种典型二维地震地质模型,即围岩不变而煤厚变化（3,5,10,15和20 m）模型,围岩变化（高速围岩与低速围岩）而煤厚不变（10 m）模型,煤层含有断层（煤厚10 m、断层落差5 m）模型和10 m煤层中夹有5 m×5 m、5 m×10 m、5 m×20 m、5 m×50 m砂体模型等;采用SH波波动方程,对上述模型进行了数值模拟,分析了Love型槽波的波场特征,并对正演记录进行了傅里叶变换,计算得到槽波频散图。结果表明：煤厚变化主要影响Love型槽波各阶模式频散曲线的能量分布,上下围岩中最小横波速度控制频散曲线的上限,砂体使频散曲线发散,断层对槽波频散影响较小。     

槽波地震勘探在煤层构造探测中的应用

以槽波形成机理及传播规律为基础,进行透射槽波能量分析,探讨了槽波衰减规律,并得出槽波透射与断层断距的关系。在透射能量能穿透工作面的基础之上,采用透射槽波能量层析成像方法对工作面煤层进行成像,得出工作面槽波能量成像构造解释图;根据槽波在煤层中传播的槽波频率变化规律,得到煤层厚度的变化平面图。结果与实际地质资料吻合较好。     

槽波地震勘探在王庄煤矿地质异常探测中的应用

本文以9102工作面为例,开展了王庄煤矿煤层地质异常的槽波地震勘探应用研究。本次槽波地震勘探采用透射法全排列接收,最大限度的提高槽波射线覆盖密度。根据探测记录数据及CT成像解译,9102工作面存在三个地质异常区。本文研究成果为建立适合王庄煤矿井下槽波地震勘探的数据处理流程及参数选择提供了成功经验。     

基于槽波透射法的采煤工作面煤厚解释技术

为了探测采煤工作面的煤层厚度,选用适宜频率将在采煤工作面透射法采集的Love型槽波进行波速CT层析成像,根据波速与煤厚的负相关关系以及不同煤厚的基阶振型槽波频散曲线,结合巷道揭露煤厚以确定不同波速所对应的煤厚变化,最后将波速等值线图转化为煤厚等值线图。采用该技术在义马矿区开展了多次煤层厚度探测试验,选用185 Hz频率进行槽波速度CT层析成像,将波速1 250 m/s预测为1.5 m煤厚的等值线,共圈出5处煤厚小于1.5 m的薄煤区;根据改造巷与回采验证,预测准确率达84%,很好地指导了煤矿的安全高效生产。     

槽波反射法勘探在煤矿生产中的应用

槽波是煤层中传播的导波,槽波勘探技术是地震勘探技术的一个范畴,它是将地震勘探技术应用于煤矿井下的矿井物探新技术,槽波勘探技术将地震仪直接安放在煤矿回风顺槽和运输顺槽的巷道中,在煤层中激发和接收地震波来研究煤层中的地质构造问题。槽波勘探技术具有信号能量强、信噪比高、探测距离长、分辨率和精度高等优点,在煤矿隐蔽致灾因素探测方面正发挥越来越重要作用,结合工程案例说明槽波反射法探测断层的应用效果。     

煤层中槽波传播特性分析

建立了三维煤系地层模型,探讨了槽波的形成条件、吸收衰减模型和辐射衰减模型,分析了围岩横波速度、围岩密度及煤层厚度对接收槽波的影响。仿真结果表明,对称模型中槽波能量主要集中在煤层中,以煤层为中心呈对称分布,煤层与围岩分界面处槽波能量迅速衰减。随着传播距离的增大,激发出更高的频率分量,频谱展宽,幅值衰减。非对称模型中围岩速度不同使槽波频谱范围展宽,主频升高。随着煤层厚度的增加槽波主频越低,能量越集中在煤层中。围岩密度对槽波影响很小。     

基于槽波层析成像的陷落柱定位研究

在煤矿井下地震勘探中,由于检波器和震源只能在巷道内进行布置,造成了观测系统的布局和分布特点受到限制。为了更好地探测煤矿进行实际异常的地质构造,确保矿井安全生产,采用槽波层析成像的方法对陷落柱定位进行研究。研究了陷落柱对煤层波场的影响,得出陷落柱对体波成分影响相对较小,而对瑞雷型槽波Rx和Rz分量的影响却相对较大;又对陷落柱速度成像和陷落柱能量成像进行了研究,研究验证了槽波层析成像技术在陷落柱分布范围定位中的准确性,研究为煤矿井下陷落柱地质构造的勘探提供了技术支持。