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.     

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.     

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.     

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.     

基于槽波的TVSP超前探测方法:可行性研究

针对隧道工程中TVSP（Tunnel Vertical Seismic Profiling）方法不适合于煤矿巷道超前探测的问题,介绍了煤矿巷道中的槽波TVSP超前探测方法原理和实现过程.通过理论和数值模拟证明：（1）当采用垂向集中力源（z方向）激发地震波时,地震波场z分量受到巷道影响较小,且主要为Rayleigh型槽波,较为适合槽波超前探测;（2）采用传播相对稳定且易于识别的槽波埃里相峰值时间代替传统TVSP方法中体波的初至走时时间,能够较准确地确定断层在掌子面前方位置和断层角度;（3）当断层与巷道掘进方向夹角较大时,断层交点位置（断层线与巷道掘进方向的交点）具有很好的定位精度,但角度误差则会较大;当实际断层交点位置距离迎头较远时,断层交点位置定位精度会下降,但角度误差则影响较小;（4）基于槽波的TVSP方法对观测系统要求不高,数据处理过程简单,计算量小.     

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.     

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.     

自适应极化滤波在地震超前探测波场分离中的应用

在隧道地震超前探测(TSP)数据处理中,波场分离是重要流程之一,波场分离的质量直接影响着成像结果的精度.本文基于有限差分法模拟了二维超前探测数据,利用极化滤波方法分离了来自隧道前方断层构造的反射P波和S波,分析了时窗参数对滤波效果的影响,并用自适应方法确定时窗大小,从而避免了时窗选择的主观性.将方法应用于实测TSP数据的波场分离,模拟数据和实际地震超前探测数据的处理结果表明自适应极化滤波能够有效分离反射P波和S波.     

波场梯度法研究进展

波场梯度法是一种基于密集台阵记录的地震波形的地震数据处理方法,适用于多种地震信号/震相,比如P波、S波、Rayleigh波、Love波和环境噪声等.由于充分考虑了波场的时空变化,可以获得更多的地震波传播参数或介质参数,比如应力、旋度、地震波速度、方位角、几何扩散、辐射模式、方位各向异性和Q值等.自2007年波场梯度法的原理提出以来,该方法在河湾河谷的强地面运动研究、断层探测、月壳浅层结构成像、地球浅地表或地壳地幔速度结构和方位各向异性反演等方面得到较好的应用.基于不同的信号处理方法,波场梯度法也发展出不同的研究分支,比如基于傅里叶变换、小波变换或希尔伯特变换的波场梯度研究;基于不同参考坐标系、不同台网类型或不同震相/信号源也可以将波场梯度法划分为不同的研究方向.本文主要从方法原理、研究进展和方法比较对波场梯度法进行详细地描述,同时对其发展趋势进行简单地讨论.     

地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展

复杂的地质构造和生产环境使得中国的煤业生产时常蒙受巨大的经济损失和人员伤亡,而地震槽波井下探测技术做为当前可探明煤层中局部小构造和异常体的有效技术,具备分辨率高和预测性强等特点,是煤矿生产中井下探测的一种有效的地震勘探方法.本文回顾了地震槽波勘探研究的发展概况,并基于地震槽波在煤层中传播的物理特征和影响煤层中地震槽波传播等主要因素,对地震槽波动力学特征方面已经开展的物理模拟和数值模拟工作进行了综合阐述,进而指出了地震槽波勘探存在的理论问题、应用难题和可能的发展方向.     

弹性介质中瑞雷面波有限差分法正演模拟

为研究瑞雷面波的形成机理及传播规律,促进瑞雷面波资料处理方法的发展,本文根据弹性波方程,采用交错网格有限差分数值求解算法,对浅层各向同性弹性介质进行了包括瑞雷面波和体波在内的全波场模拟. 提出了变系数吸收边界条件并将之应用于正演模拟,使边界条件的处理简单而高效,同时给出了角点的处理方法. 对工程勘察中常见的连续和层状介质模型进行了模拟,获得了更加接近实际情况的地震记录. 结合模拟记录,探讨了瑞雷面波的形成条件,同时讨论了震源埋深对面波能量的影响.     

青藏高原中部Quasi-Love波的识别及其转换点揭示的东西向方位各向异性变化

目前人们利用4种基本的地震波现象研究地震各向异性,如横波双折射、面波散射、与传播方向有关的走时异常和PS转换波震相.本文利用面波散射产生的Quasi-Love（QL）波研究青藏高原上地幔顶部的各向异性结构特征.首先利用中国地震台网昌都（CAD）台记录的地震波形资料识别出产生QL波的路径,并利用合成地震记录和垂直偏振极性分析证实所观测到的为QL波,而不是高阶振型的Rayleigh波或其他体波震相;然后由Rayleigh波、Love波和QL波的群速度估算了各向异性结构横向变化的转换点;不同周期时,转换点的位置不同,这种频率依赖性还需要进一步的模拟研究.Love波向Rayleigh波耦合（产生QL波）的转换点位置揭示了青藏高原面波方位各向异性变化特征,并以南北向构造带的东西分段性、上地幔流引起的地球内力诱导岩石形变解释了青藏高原各向异性的东西向差异性.     

求解3D弹性波方程的并行WNAD方法及其TI介质中的波场模拟

准确模拟TTI介质中弹性波的传播是研究地震各向异性、AVO反演的基础. 在二维加权近似解析离散化(WNAD)算法的基础上, 本文发展的并行WNAD算法是一种研究三维横向各向同性(TI)介质中弹性波传播的、快速高效的数值模拟方法. 我们首先介绍三维WNAD方法的构造过程, 然后与经典的差分格式--交错网格(SG)算法进行了比较. 理论分析和数值算例表明, WNAD算法比交错网格算法更适合在高性能计算机上进行大规模弹性波场模拟. 同时, 本文利用并行的WNAD方法研究了弹性波在TTI介质中的传播规律, 观测了TI介质中弹性波传播的重要特征:横波分离、体波耦合和速度各向异性等. 在TTI介质分界面处, 弹性波产生更加复杂的折射、反射和波型转化, 使得波场非常复杂, 研究和辨别不同类型的波能够加深我们对由裂隙诱导的各向异性介质的认识.     

各向同性介质中射线理论与有限差分地震波场模拟方法比较研究

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造和地球深部探测的有效工具.射线理论和波动方程理论是地震波场数值模拟的理论基础.射线理论主要刻画地震波在介质中传播的走时场、地震射线等运动学属性;波动方程理论通过求解波动方程来描述地震波在介质中传播的弹性动力学响应(能量衰减、相位特征、偏振属性、以及全波形等).基于波动方程理论的波场数值模拟由于能够引入丰富的波场信息,使得人们对不同介质中地震波的传播过程有了较全面的了解.本文以二维层状均匀介质模型为例,通过射线追踪法和交错网格有限差分法模拟得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、合成理论地震图的分析比较,不但对地震波在各向同性层状均匀介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识,同时又可以相互验证两种不同方法的正确性和有效性.     

透射与反射槽波联合探测小构造应用研究——以山西龙泉矿区为例

矿井勘探方法中,槽波地震是探测小构造最重要的一种方法,小构造的定量探测对于工作面的设计和开采具有重要的意义,通过透反射联合勘探并以揭露信息进行约束能够取得准确的结果.对山西龙泉矿4203工作面进行槽波透反射勘探,巷道的煤厚为6.8 m,巷道揭露的断层f29落差为7 m,f30落差为11.8 m,利用椭圆切线法和透射层析成像信息得出槽波的解释成果,从构造发育规律和三维地震解释的断层的数量、延伸长度、走向进行统计分析,合理推断槽波探测断层在工作面内外分布及延伸长度,并通过钻探得到了验证,得出在有效利用先验地质资料条件下矿井槽波地震透反射法具有广泛的应用前景.     

高精度瑞雷波有限差分数值模拟及波场分析

应用2×12阶高精度交错网格有限差分法,建立了震源位于自由表面时模拟瑞雷波的边界条件,通过对均匀半空间模型模拟得到的结果与解析解完全一致,证明了波场模拟的正确性.针对模拟得到的波场记录,从瑞雷波的传播速度、传播深度、能量衰减和频散特性等几个方面进行了分析,从波场模拟的角度完全证实了弹性波传播理论中的瑞雷波传播特征,加深了对瑞雷波传播过程的认识.在均匀介质模拟的基础上,对含有软弱夹层的三层介质模型进行了模拟,获得了更加接近实际情况的地震记录.为进一步开展对高模式下瑞雷波的反演研究和促进对瑞雷波勘探的应用提供了有益的帮助.     

复杂构造地震波场分析(英文)

在我国的西部地区,地震波场十分复杂,信噪比低。本文采用波动方程正演模拟的方法研究复杂波场的形成原因。在模拟物性差异较大介质中的地震波场时,密度的影响不可忽略,因此,本文用含密度项的声波方程的交错网格有限差分法模拟地震波场并进行分析。设计了一个具有起伏地表、低速覆盖层和高速地层出露的复杂构造,从瞬时波场分布分析了形成复杂波场的原因。低速层对地震波场的影响明显,低速层中产生很强的槽波,低速层顶底形成的多次反射向地下传播又形成了复杂的反射波场。为了验证波场模拟结果的可靠性,对模拟波场用与正演模拟不同的算法进行叠前深度偏移,得到了与已知构造相同的偏移叠加剖面。     

基于改进Frequency-Bessel变换法的主动源Love波频散分析

近年来,Love波多道分析技术在浅地表结构探测中受到越来越广泛的应用.与Rayleigh波相比,Love波相速度不受纵波速度影响,其反演参数较少,可使反演过程更加稳定、求解的横波速度模型更加可靠.高分辨率和多模式面波频散分析是面波多道分析技术中至关重要的一环.本文利用改进Frequency-Bessel变换法对主动源Love波进行频散分析.通过改进的0阶Frequency-Bessel变换,将时间-空间域多道Love波记录变换到频率-波数域,获得其频散能量谱.通过公式推导和数值模拟,验证了该方法的有效性.实例测试表明,该方法具有较高的分辨率和多模式分辨能力,为多分量面波勘探提供了一种有效的频散分析手段.     

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.     

三维井间地震侧面波传播特征及其分离研究

井间地震与常规地震相比具有较高的分辨率,同时波场也更加复杂.利用视速度特征的差异很容易地分离井间上下行波场,根据纵横波偏振特征的不同可将纵横波完全分离,但是针对井间地震侧面波的研究并不多.本文构建高速透镜体和断层模型进行波场数值模拟,通过对三维地震波场的传播特征进行分析可知,井间地震接收的波场既有岩性分界面的响应,还会有侧向地质不均匀体产生的干扰,严重影响成像的质量和精度.经偏振旋转后的T分量记录对物性横向变化较为敏感,综合分析X、Y、Z分量和T分量上不同连井剖面的波场传播特征,可对侧向传播的干扰波进行有效识别,利用线性Radon变换可以在一定程度上将侧面波进行压制,为后续井间地震资料处理提供高信噪比的数据.本文通过理论模型进行试算研究,验证了该方法的有效性,并对理论记录取得了较好的分离效果.