矿井巷道地震超前探测三维全波场数值模拟与探测方法研究

【摘要】：在矿井巷道掘进过程中,会受到多种地质因素的影响,如断层、陷落柱、采空区等对安全生产危害巨大,因此必须进行超前探测与预报。在诸多的物探方法中地震探测方法具有对地质界面敏感、分辨率高和探测距离长的优势,开展矿井巷道地震超前探测研究具有重要的现实意义。论文进行了矿井巷道地震超前探测三维数值模拟和探测方法研究。在煤层模型、巷道模型和巷道前方存在构造的各种三维模型中进行了地震波三分量全波场数值模拟。基于三分量三维地震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,提出了矿井巷道地震超前探测新方法。 论文研究了矿井巷道三维地震波数值模拟中巷道自由边界条件的隐式格式处理方式。自主设计开发了矿井巷道三维地震波全波场数值模拟软件。 在三维煤层模型中进行了地震波全波场数值模拟,研究表明在煤层内以点震源激发的地震波场中Rayleigh型槽波能量较强,Love型槽波能量较弱。Rayleigh型槽波引起的质点振动轨迹为不同长轴方向的椭圆。相对于Rayleigh型槽波的SH分量和Love型槽波,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露波能量较强。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。 研究了三维矿井巷道模型中地震波场特征。研究表明在巷道迎头前方煤层以点震源激发的波场中,巷道迎头绕射Love型槽波、反射Love型槽波能量较强；巷道迎头绕射Rayleigh型槽波、反射Rayleigh型槽波能量较弱；巷道两侧存在能量较强的巷道面波,迎头绕射波能量较弱,巷道顶底板存在一定能量的迎头多次绕射波,巷道面波能量较弱。 提出了反射Rayleigh型槽波SV分量矿井巷道超前探测方法。该方法在巷道前方煤层中激发地震波,向前传播的槽波在构造面上产生反射槽波,在矿井巷道中接收反射槽波。在巷道周围,相对于构造面的反射Rayleigh型槽波SH分量和反射Love型槽波,反射Rayleigh型槽波SV分量能量较强,受巷道迎头影响较小,几乎不受巷道面波干扰。在巷道周围接收到的反射Rayleigh型槽波SV分量可以作为识别巷道前方发育构造的有用信号。在巷道壁接收比在巷道底板接收有用信号能量更强,具有较高的信噪比。