煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析

槽波地震勘探利用槽波的频散特性反演煤层的结构特征,故理论频散曲线的计算是一个重要方面.使用水平层状模型假设下的面波频散曲线计算方法能够计算煤层厚度恒定模型地震槽波频散曲线;但当煤层厚度变化时该方法不再适用.基于前人水平层状均匀介质模型的面波理论频散曲线计算方法,对于含煤三层模型,本文发展了煤层厚度变化情况下的地震槽波理论频散曲线计算方法,并使用该方法计算分析了不同厚度函数模型的频散曲线形态特征.研究表明：与稳定厚度煤层相比,煤层厚度变化使得地震槽波群速度成为与频率及传播射线在水平面投影路径相关的二元函数;射线路径上煤层厚度的变化使得频散曲线在群速度方向上压缩,群速度变化范围变小,且使处于最小值位置的埃里相群速度增大;而煤层厚度的线性变化模型频散曲线只与射线首、尾处的煤层厚度有关,与煤层厚度恒定模型相比,曲线形态不发生改变;煤层厚度呈非线性变化时,频散曲线形态上可能发生改变.     

透射法地震勘探中槽波几何运动学特征

矿井煤层中激发产生的地震波类型复杂,导致对各类地震波的认识存在争议.本次研究从几何运动学角度出发,分析槽波传播时间与炮检距之间的关系,由于槽波具有频散特性,无法给定具体的时距方程,通过推导发现槽波的最小群速度,即埃里相速度为固定值,因此可得到槽波埃里相的时距方程.同时推导了透射法槽波地震勘探中直达波和折射波的时距方程.认为三者的时距曲线在炮集记录上均为双曲线,双曲线最小值和曲率与煤层和围岩速度相关.对比分析三者的时距特征,对实际槽波记录中地震波类型划分有了新的认识,折射纵波最先到达,最后接收到的为槽波埃里相,中间为横波与纵波的叠合.     

HTI煤层介质槽波波场与频散特征初步研究

煤层内裂隙较为发育,具有明显的各向异性.目前槽波理论研究以各向同性介质为主,对HTI介质中槽波及其频散性质研究很少.本文以弱各向异性、含垂直裂隙HTI煤层介质为研究对象,研究了HTI煤层介质中的三维槽波波场,采用交错网格高阶有限差分法模拟槽波,推导了三层水平层状HTI煤层介质的Love型槽波理论频散公式和振幅深度分布,分析了HTI各弹性参数对频散曲线的影响.HTI介质和各向同性介质基阶Love槽波频散曲线差异较小,高阶较大;煤厚主要影响Airy相频率,而Airy相速度不变;煤层vs对Airy相速度影响很大;煤层γ对基阶Love槽波影响很小,高阶稍大.各波偏振方向不再与波的传播方向平行或垂直,而是呈一定夹角.利用基阶Love槽波频散曲线推测裂隙发育较为困难,可利用高阶频散曲线.     

槽波层析成像方法在煤田勘探中的应用——以河南义马矿区为例

在地下煤田的开发中,工作面内的小构造、异常体、煤层厚度变化等是需要解决的关键问题,而槽波探测则为这些问题的解决提供了重要的物探方法.本文对河南义马矿区11061工作面进行槽波透射法测量,在巷道显示的煤层厚度变化为1.5~8 m,从理论频散曲线分析速度与厚度关系,确定125 Hz频率槽波主要用于观测厚度约为2~5 m的煤层厚度变化;有效提取了684个频散曲线,并分别拾取了125 Hz时槽波群速度与走时,采用走时层析成像方法获得工作面内煤层速度、厚度以及高应力区分布特征,回采验证了结果的正确性.     

连续胶结声速理论胶结半径表达式的一般性推广及应用

针对Dvorkin 和Nur （1996） 提出的连续胶结声速理论（CCT）中的胶结半径表达式仅适用于孔隙式胶结疏松砂岩的局限性,通过胶结物与颗粒之间的空间几何关系,在胶结物中心厚度不为零的前提下,推导了胶结物胶结半径的一般表达式,并考察了胶结物中心厚度对疏松砂岩声波速度的影响,探讨了该表达式在基底式胶结疏松砂岩纵横波速度预测中的应用.结果表明：随胶结物中心厚度变大,纵、横波速度均减小,且孔隙度越大,胶结物含量越少,速度下降越快;孔隙度或胶结物含量不变时,纵横波速比随胶结物中心厚度的增大而增大;纵横波速比随孔隙度的变化规律与胶结物中心厚度有关,当胶结物中心厚度较小时,孔隙度增大,纵横波速比略微减小,而当胶结物中心厚度较大时,孔隙度的增大会引起纵横波速比略微增大;对于基底式胶结疏松砂岩,使用推广后表达式修正的CCT模型相对原CCT模型能够更好地预测其声波速度,同时发现,利用其纵横波速比无法预测由孔隙度或胶结物含量变化引起的疏松砂岩软硬的变化,但是在胶结物含量或孔隙度不变的情况下,纵横波速比可指示由胶结物中心厚度变化引起的疏松砂岩软硬的变化.     

透射法典型槽波数据波场分析

煤矿井下巷道煤层中采集的槽波地震数据中包含多种类型地震波,对这些波组认识存在争议.通过正演模拟获得的槽波波场过于理想化,与现场采集槽波数据存在一定偏差.针对煤矿实际采集的典型槽波数据,采用时频域极化滤波方法,利用槽波数据中的纵波在波传播方向能量最强、垂直方向能量最弱的特点,将目前国内煤矿常用的德国SUMMIT槽波地震仪水平双分量检波器接收到的信号,校正到平行波传播方向和垂直波传播方向,有利于判定地震波极化运动特征.经过槽波波场分离,得到三个特征明显的波组,按照时间到达先后顺序,认为分别是折射纵波、瑞利型槽波和勒夫型槽波.其中折射纵波传播速度最快,在共炮点道集上表现为双曲线特征;瑞利型槽波主频最低,水平平行分量和垂直分量都能接收到;勒夫型槽波振动方向垂直波传播方向,只在检波器水平垂直分量有显示.     

平行巷道条带异常体在透射槽波层析成像中造成的假象

近年来透射法槽波地震勘探技术在煤矿勘探领域取得广泛应用,该技术依据槽波频散特征,对特定频率下槽波走时进行层析速度反演成像,在煤层厚度探测方面效果明显.由于煤矿巷道施工的特殊性,震源和检波器布置在巷帮煤层中,观测系统多采用两边式或三边式,导致槽波传播角度有限,容易对层析成像造成误差.在层析正演中采用最短路径与射线弯曲法联合,兼顾走时计算的精度和效率,在层析反演中进行正则化约束,利用平滑和阻尼因子提高算法的精度.通过对大量模型进行正反演发现,当煤层中存在垂直巷道异常体或局部异常体时,透射槽波层析反演不存在假象;当存在平行巷道的条带异常体时,层析结果出现交叉状速度异常假象.这是由于透射槽波采集得到的走时不受异常体位置影响,高值区在平面上表现为交叉型,导致层析反演出现假象.实际勘探施工条件允许情况下,可在煤层工作面四周布置震源和检波器消除这类假象.     

中国东部和云南地区Lg波与烈度衰减的比较

最近葛焕称等测定了中国东部苏豫皖冀浙六省地区约1HzLg波的衰减,得出波的衰减系数,对于Lg波埃里相,γlg=0.00435±0.00010km~(-1):对于lg波非埃里相(MAX相),γmax=0.00305±0.00010km~(-1)。陈培善和秦嘉政(1983)用残差法测定了云南地区短周期仪器记录S波最大振幅的震级校准函数R_3(Δ)。若利用Lg波MAX相的地动振幅A随震中距Δ的衰减模式     

地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性,开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面,采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面,通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明,在煤层内槽波的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中,地震波仍以槽波形式传播,随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大.     

台湾地区的随机噪音瑞利波层析成像研究

本文使用的数据来源于2004、2005和2008年台湾CWBSN(Central Weather Bureau Seismic Network)的18个宽频带台站记录的数据,2008年中国国家地震台网的2个宽频带台站数据和日本MASN(MeteorologicalAgency Seismic Network)的1个宽频带台站数据.通过互相关方法提取瑞利波的经验格林函数,利用相匹配滤波的时频分析技术测量瑞利波相速度频散曲线.利用面波层析成像方法给出台湾地区8s、12s、16s、20s的瑞利波相速度分布图,结果较好地揭示了地壳内部、尤其是浅部地壳的横向速度变化.研究表明,短周期的相速度分布同地表地质结构、地形密切相关,滨海平原、屏东盆地以及宜兰平原为低速区,西部丘陵、中央山脉以及海岸山脉地区为高速区;不同周期的相速度分布图显示,整体上低速区随相速度周期的增大逐渐向东移,这与台湾地区地壳内部速度的分布特征和构造特征基本一致.此外,屏东地区一直处于低速区,这可能与该地区布格重力负值异常有关.     

煤层厚度地震槽波层析成像分辨率分析

透射法地震槽波勘探技术依据不同煤厚槽波频散特征差异,利用敏感频率下槽波走时层析成像算法反演得到煤层槽波速度,进而预测煤层厚度分布.层析反演结果的准确性直接影响煤厚探测的精度,反演得到小异常体常被错误地当作高精细度的体现.槽波层析反演分辨率是衡量反演结果精细程度的重要指标,决定了反演结果的可靠程度,但对于槽波分辨率的估算缺乏有效的技术手段.通过对比分析理论模型、棋盘格模型、射线密度和统计分辨率等方法,探讨这些分辨率分析方法的优缺点.根据义马11061工作面层析成像结果以及后期实际煤厚揭露数据,验证了槽波勘探方法的合理性和准确,认为采用巷帮煤厚作为约束条件,可提高层析成像分辨率,采用统计分辨率方法对反演结果分析较为实用.     

煤巷三维槽波全波场数值模拟与波场特征分析（英文）

当前煤巷地震槽波超前探测数值模拟主要以二维波场研究为主,难以精确模拟三维全波场特征和全空间观测方式接收的地震记录。本文应用三维弹性波动方程的交错网格有限差分算法模拟了在巷道迎头前方煤层中以纵波震源激发的三维全波场。采用取平均值的办法实现了交错网格地震波场模拟的振动速度三分量同点记录。查明了三维顶底板对称煤巷模型和非对称模型中传播的波型及其传播特征。研究发现巷道迎头前方煤层内Rayleigh型槽波能量较强,Love型槽波能量较弱,煤层内巷道迎头反射Rayleigh型槽波在煤层顶、底板中泄露能量较小,在煤层中传播距离较远;在巷道周围存在巷道面波和折射头波;在煤巷两侧煤层内接收的地震记录中Rayleigh型槽波能量较强,受头波和面波的干扰较弱,而Love型槽波能量较弱,受到相对强能量头波和面波干扰,难以识别;增加接收点在煤层中的深度可以有效降低面波对Rayleigh型槽波的干扰,但不能有效减弱面波对Love型槽波的干扰。基于以上波场认识,发现传统的采煤工作面Love型槽波构造探测方法难以适用于掘进煤巷构造超前探测,Rayleigh型槽波可以用于掘进煤巷构造超前探测。     

西南地区地壳厚度

本文利用我国西南地区地震台记录的一次卡罗林岛地震和一次西里比斯岛地震的瑞利波,进行相位对比,用三台方法计算了各地区瑞利波的相速度。将观测的相速度与理论曲线(采用Press模型)比较,得到各地区的地壳厚度。     

利用多道信号测定短周期面波频散

使用适配滤波频时分析技术处理面波信号,获取滤波后的时域包络,并对具有相同群速度的各道信号包络的振幅进行叠加,取叠加所得极大值对应的走时为该频率的群延时,以此来提高群速度的测量精度对P-τ,（相慢度-时间）域的波场进行傅氏变换,然后在P-ω（相慢度-频率）平面叠加多道信号来测定相速度．利用这两种方法处理合成的短周期瑞利波地震图,结果表明：经过振型分离以后,利用基阶振型信号所求出的相速度、群速度曲线更加接近理论频散值．对地震勘探资料进行处理,取得了5-40Hz内的相速度、群速度频散,且曲线较为平滑     

应用背景噪声成像研究祁连山地区地壳S波速度结构

利用祁连山地区(36°~42°N,96°~104°E)38个台站2014年8月—2015年12月的垂直分量连续背景噪声记录,获得了台站对之间的互相关函数和瑞利面波相速度频散曲线,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法,得到了观测台站下方5~40 km深度范围内的S波速度分布图像。结果表明:在5 km深度处,速度结构分布特征与地表构造分布存在一定的相关性,松散沉积层厚度影响明显;在18 km深度处,S波速度横向不均匀性明显,呈现为高低速相间不同尺度大小的区域性。同时,5~20 km深度范围内速度随深度增加而逐渐增加,其变化幅度为0.2 km/s;在30 km深度处,祁连和门源地区高低速相间分布明显;在35~40 km深度,随深度增大,祁连山北缘断裂带、托莱山断裂、冷龙岭断裂带以北地区为高速区,以南为低速区。     

含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析

煤层隐伏小断层在煤田地质勘探期间能否查明,是影响煤矿安全生产的主要地质因素.煤层中传播的地震槽波,非常适用于探测煤田异常构造.本文利用谱元法模拟计算了含断层模型Rayleigh型地震槽波的产生、传播过程,对于直达槽波、反射槽波、透射槽波进行了波场特征分析,频散特征分析,频谱特征分析.根据不同小落差断层模型（垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚;断层倾角分别为90°、60°、45°）,分析了Rayleigh型槽波传播过程中断层对反射槽波、透射槽波能量、频谱的影响效应.基于以上分析,对于小断层模型中的Rayleigh型地震槽波取得了一些规律性认识,并对Rayleigh型地震槽波的勘探应用做了一些探讨.     

含裂缝VTI介质的弹性波传播特性研究

有利油气储集的层状沉积地层中广泛存在裂缝,属于含裂缝VTI介质.综合考虑层状介质和裂缝介质的特点,基于几何相似原理,设计并制作了含定向排列裂缝的VTI介质物理模型,实验研究了测量频率、裂缝特征尺寸、裂缝密度对弹性波透射的影响.结果表明,波垂直裂缝面传播时,纵波首波速度随测量频率的增加而线性增大,峰值速度基本不变,单纯由裂缝导致的衰减以良好的乘幂规律降低;纵波波速随裂缝密度、裂缝特征尺寸的增大而线性增大;衰减随裂缝密度增大而增大,随裂缝特征尺寸的增大而减小.当接收探头波长与特征尺寸比为1~12时,纵波首波速度变化显著,处于射线理论与等效介质理论描述的过渡区间.纵横波速比对裂缝特征尺寸变化敏感,可作为典型的裂缝监测参数,也为基于弹性波相应的预测岩石孔隙结构提供了依据.     

中国东部地壳与上地幔速度不均匀性和各向异性的初步研究(英文)

本文利用763式地震仪记录的地震瑞利面波资料,用双台法计算出瑞利面波的频散曲线,从而得到相速度.将我国东部地区(99.8°—123.8°E,20°—44°N)分成4°×4°大小的方格,利用代数重建法得出该地区上地幔与地壳的横向不均匀性.对同一地区再进行一次分块,块的大小为8°×8°,考虑到各向异性对面波相速度的影响,利用周期为60 s 的面波相速度资料,反演出我国东部的横向不均匀和各异向性的特征。     

含孔隙介质的分层半空间表面瑞利波的衰减特性

以分层半空间内部含有一层孔隙介质为物理模型进行数值计算,研究半空间表面瑞利波的传播和衰减特性.为更加接近实际,结合瑞利波的激发特性,确定了瑞利波的主衰减曲线,并主要以此进行规律分析.针对速度递增和含低速层这两种典型的地质模型,讨论了瑞利波的传播衰减在不同地质模型下的特性,并分析了各自的规律.结果表明,在这两种模型下瑞利波的主衰减曲线都受孔隙介质所处空间位置影响产生比较明显的变化,但衰减系数极大值对应的波长与模型的表层厚度存在较明显的线性对应关系,利用这一关系,可以在实际勘探中快速得到表层介质厚度.另外,通过对比分析还可以看到,瑞利波主衰减曲线随孔隙介质的孔隙度和渗透率的变化都强于主频散曲线的变化,表明衰减曲线对孔隙度和渗透率的变化更加敏感,理论上更加适合进行介质参数反演工作.综合对比结果,我们认为瑞利波主衰减曲线中包含了更丰富的介质参数信息,如果能够有效利用,将可以提高瑞利波勘探的准确性和应用范围.     

压力及流体对岩石孔隙结构与黏弹性的影响规律研究:理论模型及实验观测

地质成因和构造/热应力导致地壳岩石中的孔隙结构（裂隙和粒间孔）的变化.影响岩石黏弹性的因素包括压力、孔隙度、孔隙中包含的流体和孔隙几何形状等.相对于岩石中的硬孔隙,岩石黏弹性（衰减和频散）受软孔隙（裂隙）的影响更大.本文选取三块白云岩样本,进行了不同围压和流体条件下的超声波实验测量.利用CPEM（Cracks and Pores Effective Medium,裂隙和孔隙有效介质）模型获得了岩石高、低频极限的弹性模量,并通过Zener体（标准线性体）模型将CPEM模型拓展到全频带而得到CPEM-Zener模型,用该模型拟合岩石松弛和非松弛状态下的实验数据,本文得到平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度以及纵波速度和品质因子随频率的变化关系.结果表明,饱水岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度均高于饱油岩石,随着压差（围压和孔隙压力的差值）的增加,饱油岩石中的裂隙首先闭合.并且压差在70 MPa以内时,随着压差增大,岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度在饱水和饱油时的差值增大,此时流体类型对于岩石裂隙的影响越来越显著,此外,对饱水岩石,平均裂隙纵横比随压差增加而增大,这可能是由于岩石中纵横比较小的裂隙会随压差增大而逐渐趋于闭合.在饱水和饱油岩石中,裂隙孔隙度和裂隙密度都随着压差增加而减小.通过对裂隙密度和压差的关系进行指数拟合,本文获得压差趋于0时的裂隙密度,且裂隙密度随孔隙度增大而增大,增大速率随压差增加而降低.针对饱水和饱油的白云岩样本,CPEM-Zener模型预测的纵波频散随压差增大而减小,此变化趋势和实验测得的逆品质因子随压差的变化关系基本一致,由此进一步验证了模型的实用性.本研究对岩石的孔隙结构和黏弹性分析以及声波测井、地震勘探的现场应用有指导意义.