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煤矿采空区的地震波场特征研究

李瑞强  
【摘要】:近年来,随着煤炭资源需求量的日益增加,煤矿生产安全作为直接影响煤炭资源开发与利用效率以及人民生命财产安全的重要话题,引起了越来越多的关注。而由于我国早期在煤矿生产方面的法律法规不够健全,所以在全国范围内煤矿私挖滥采现象较为严重,从而导致在大部分大型煤矿采区中普遍存在着位置不确定的老窑及采空区,且其中绝大多数充填有有害气体或水体,从而使得这些老窑采空区成为威胁大型煤矿生产安全的重大隐患。 地震勘探作为已经被证实了的一种有效的探查煤矿采区地质构造的地球物理勘探方法,其所依据的主要原理是根据地下弹性介质的波阻抗差异所引起的地震波场响应特征来识别存在于地下介质中的波阻抗界面,而理论上老窑采空区赋存的区域与未进行探采时的完整煤层以及围岩的波阻抗值有显著差异,无论这些老窑采空区是否塌陷以及塌陷区域是否充水,采空区内部介质与完整煤层和围岩介质都会有波阻抗差异的存在。因此这一波阻抗差异为在地震波场中识别采空区的地震响应特征提供了理论可能,而与此同时,近十几年来的勘探实践证明,地震勘探方法在成功探测采空区边界以及影响范围这一工作中取得了显著的成果。本文正是基于这一原理,拟从理论和实践两个方面对各种类型和规模的采空区在地震波场中的响应特征进行对比分析,为解决地震勘探可识别采空区的程度和解释的可靠度问题提供理论和现实依据,以达到促进地震勘探更加有效地探测和识别煤矿采空区之目的。 出于以上研究目的,本文在内容上首先较为系统地介绍了地震勘探方法在采集、处理和解释三个基本环节的原理、地震勘探探测采空区的原理以及地震波场正演模拟的基本原理,为本论文的研究工作打下了理论基础。在主体研究内容中,本论文应用Tesseral 2-D全波场地震模拟软件包建立了不同类型和不同规模的采空区的地质结构模型并在这些地质模型上进行了模拟激发,对得到的地震记录进行了简单的处理,然后重点对所得到的时间剖面上采空区的地震响应进行了分析和对比。最后结合山西某煤矿采区的三维地震勘探探测采空区的实际资料与理论模拟得到的结论进行了对比,得到了理论和实际上各类采空区的地震波场特征以及采空区理论地震响应和实际地震响应的区别与联系,进而分析得出了地震勘探可以识别的采空区的类型及其大致规模,基本完成了论文的研究课题所要求的研究任务。本论文所取得的成果对于采空区探测的后续研究及采空区可能引起的灾害预测和处理方法的研究具有一定的理论和现实指导意义。


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