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.     

井下槽波地震勘探——预防煤矿灾害的一种地球物理方法

当在煤层中激发地震波时,由于顶、底板围岩速度明显高于煤层中地震波的传播速度,当地震波入射角大于临界角时会发生全反射,经过多次全反射混合叠加,在煤层中形成槽波.槽波是一种围限波,它最大的特点是频散现象,槽波在煤层中传播时还具有速度低、衰减弱等特点,因此可以用来探测煤层中的采空区、断层等地质构造.本文初步阐述了槽波地震勘探技术的研究现状,槽波的形成,槽波的特点、槽波地震勘探的工作方法以及应用实例等内容,并基于其特点对槽波地震勘探技术作出了展望.     

煤矿井下槽波三维数值模拟及频散分析

采用交错网格高阶有限差分法编制了地震波场三维正演模拟软件,设计了基于镜像法原理处理煤矿井下近水平和起伏巷道特殊空间的算法;模拟了煤矿井下含巷道和不含巷道情况下煤层中传播的地震波场,并分析其频散特征.结果发现:由于巷道的影响,巷道壁上产生很强的巷道振型槽波,煤层中则出现了以Love型为主的槽波,据此分析了实际槽波记录的形成机理,研究结果对今后煤矿井下巷道地震超前探测和工作面弹性波透视等具有重要的理论意义和实际价值.     

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。     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

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.     

在煤矿区用三分量地震和地电勘探进行参数估计和断层探测

为测定本地岩石物性参数的分布并探测煤层中的不均一性,在匈牙利米什科尔茨附近的Lyukobanya煤矿采用了三分量地震和地电勘探方法。地震测量包括地下体波垂直地震剖面法,以及用槽波技术探测煤层中的地震波振幅—深度分布和传输特性。地电探测采用地电漂测和煤层测深法。     

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.     

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.     

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.