煤巷前方断层地震波场特征及成像方法研究

【摘要】：在煤矿井下开展地震探测工作,技术优势显著,具体表现在:探测距离近、验证快;不受地面不利因素干扰;针对多层采空区及地表沉陷情况,可有效填补地面地震的不足;目前采用矿井地震波法进行断层超前探测是一个研究热点;然而煤巷地质条件复杂,断层超前探测存在煤层巷道以及围岩松动圈影响,但煤巷、围岩松动圈条件下的三维地震波场特征尚未揭示,常规偏移成像方法难以准确构建断层模型;故以煤巷前方断层三维地震波场特征及精细成像方法为研究对象开展研究,具有重要的理论意义和实践价值。本文依托国家自然基金项目,以理论分析、数值模拟、现场试验为研究方法,以基于希尔伯特变换复协方差矩阵极化分析、统计矢量矩阵分析为关键技术,以形成一种煤巷断层超前精细定量探测为研究目标开展研究,其主要研究成果如下:(1)揭示了掘进工作面前方正、逆断层有效波的运动学、动力学差异特征。当正断层超前探测时,上盘断失翼煤层断点绕射波与下盘煤层断点绕射波、反射槽波混叠,断点绕射波无法识别;当逆断层超前探测时,上、下盘煤层断点绕射波到时差异显著,易于分离提取,且下盘断点绕射波极化倾角指向性强。(2)揭示了全空间条件下煤巷空腔及围岩松动圈效应耦合影响下的超前断层地震波极化特征。由于煤巷空腔和围岩松动圈耦合作用,巷道面波发育,断点绕射波极化方位角与理论值存在较大偏差,而极化倾角与理论值偏差较小;当断点绕射波穿过煤层时,极化参数发生改变,无法通过极化参数成像;当断点绕射波直接到达检波器时,极化参数准确,可以通过极化参数对断点进行精确成像。(3)提出了一种对掘进工作面前方断失翼煤层进行高精度定位的希尔伯特极化成像新方法。该方法利用希尔伯特极化分析计算断点绕射波极化参数,通过检波器组合计算可能存在的绕射点并以其空间密度分布为衡量标准,对断失翼煤层进行收敛成像。希尔伯特极化成像方法无需考虑速度建模问题,利用时间域绕射波的极化特征可以实现断失翼煤层的准确定位。(4)实现了典型矿区煤巷断层超前定量探测。基于Visual C++.net平台开发的HTPsFilter矿井巷道多波多分量地震数据处理系统,在典型矿区开展了现场试验,构建了超前断层探测模型,实证结果表明希尔伯特极化成像技术可为煤巷安全掘进提供必要的技术参数。