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1、槽波的传播特性及应用槽波的传播特性及应用报告人：李德春报告人：李德春 2024/7/31中国矿业大学 资源学院纲要：纲要：n1、槽波勘探概述、槽波勘探概述n2、槽波的理论分析、槽波的理论分析n3、槽波的数值模拟及频散分析、槽波的数值模拟及频散分析n4、井下实际资料的频散分析、井下实际资料的频散分析n5、实际资料的对比分析、实际资料的对比分析n6、槽波未来发展方向的思考、槽波未来发展方向的思考2024/7/31中国矿业大学 资源学院1、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学 资源学院1.1 影响煤矿开采的主要地质问题 影响煤矿高效与安全开采的地质问题大部分是勘探阶段遗漏的小构造
2、，这些小构造主要是落差较小甚至与煤厚近似的断层、小褶曲、煤层的陷落柱、煤层的冲刷、分叉与合并、煤层厚度变薄、岩浆倾入等等。2024/7/31中国矿业大学 资源学院1、槽波勘探概述、槽波勘探概述1.1 目前困扰煤矿开采的地质问题这些地质因素，即使规模不大，如果未能超前预测，除了造成采掘系统布局不合理、资源浪费外，还将直接影响综采高产、高效的发挥和矿井灾害如突水、冒顶的有效防治，并危及矿工与矿井的安全。1、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学 资源学院1.2 矿井物探在煤炭生产中的作用已有的传统地质学方法、数学地质统计预测方法、钻探及巷探的手段以完全不能适应煤矿生产的需要。即使
3、使用地面三维地震勘探，要查明距地表数百甚至千米深范围内其落差仅相当于煤层厚度数量级的小断层及其他地质干扰如直径只有30米的陷落住仍十分困难。矿井物探，其将物理场源及接收器直接安放在巷道或煤层中，因而可以大大提高勘探的分辨率和详细程度，以解决矿井地质工作所面临的有关地质、采矿工程及生产安全问题。1、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学 资源学院1.2 矿井物探在煤炭生产中的作用矿井物探方法多种多样，主要有： 电法类：包括无线电波透射法、矿井瞬变电磁法、矿井地质雷达法、矿井直流电法勘探等。 地震探测类：槽波地震勘探等1、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学
4、资源学院1.3 槽波地震勘探方法 槽波地震勘探在上个世纪八、九十年代是矿井地球物理勘探中最受各国关注、最有发展前途的方法之一。它具有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别以及最终成果直观的优点。1、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学 资源学院1.3 槽波地震勘探方法 在地质剖面中，煤层是一个典型的低速夹层，在物理上构成一个“波导”。煤层中激发的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及邻近的岩石(简称煤槽)中。槽波地震勘探就是利用在煤层中激发和传播的导波、以探查煤层内地质结构、构造和岩性的一种地球物理方法。2024/7/31中国矿业大学 资源学院槽波的基
5、本类型：1、槽波勘探概述、槽波勘探概述1.3 槽波地震勘探方法炮点s2接收点炮点s1巷道1巷道21、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学 资源学院槽波勘探的基本方法有两类：透射法和反射法。1.3 槽波地震勘探方法1、槽波勘探概述、槽波勘探概述2024/7/31中国矿业大学 资源学院炮点接收点断层反射1.3 槽波地震勘探方法2、槽波的理论分析、槽波的理论分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-1 对称三层模型取SH波满足波动方程的位移场：u2.1 勒夫型槽波(L)0煤层围岩围岩dd其中：2.1.1 频散方程及频散曲线XZ2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2024/7
6、/31中国矿业大学 资源学院考虑到边界条件频散方程：2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2024/7/31中国矿业大学 资源学院给出地层各参数，绘制出频散曲线如下：图2-2 对称三层地层模型的勒夫波频散曲线2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2.1.2 振幅深度分布振幅深度分布2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-3 勒夫波振幅深度分布图2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.1.3 滤波特性滤波特性图2-4 地层对勒夫波的滤波特性2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2.1.4 Q值计算值计算2024/7/31中国矿业大学 资源学院n层介质的吸收因子：其
7、中：由可计算求得Q值2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2.1.4 Q值计算值计算2024/7/31中国矿业大学 资源学院 假设三层对称模型中，围岩及煤层横波Q值分别为：围岩：煤层：图2-5 勒夫波Q值曲线2.1 勒夫型槽波勒夫型槽波(L)2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.1.5 不同煤厚的勒夫型槽波频散曲线不同煤厚的勒夫型槽波频散曲线2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波煤层含夹矸的勒夫型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.2.1 频散方程频散方程 设第n层中，SH波满足波动方程的位移函数：其中：2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波煤层含夹矸的勒夫型槽波2024/7/31中国矿业大学
8、资源学院2.2.1 频散曲线频散曲线 结合边界条件（应力连续，位移连续），解频散方程得到含夹矸情况下勒夫型槽波频散曲线。地层不含夹矸2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波煤层含夹矸的勒夫型槽波n2.2.2 振幅深度分布振幅深度分布 2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波煤层含夹矸的勒夫型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.2.3 夹矸厚度不同情况下的勒夫型槽波频散曲线夹矸厚度不同情况下的勒夫型槽波频散曲线 2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波煤层含夹矸的勒夫型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.2.4 夹矸位置变化情况下的勒夫型槽波频散曲夹矸位置变化情
9、况下的勒夫型槽波频散曲线线夹矸从顶板依次下移2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波煤层含夹矸的勒夫型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.2.5 夹矸速度不同下的勒夫波频散曲线夹矸速度不同下的勒夫波频散曲线2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2024/7/31中国矿业大学 资源学院0煤层围岩围岩dd图2-3-1 对称三层地层模型取P波和SV波分别满足势函数 如下： 2.3.1 瑞利型槽波频散方程及频散曲瑞利型槽波频散方程及频散曲线线XZ2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2024/7/31中国矿业大学 资源学院结合边界条件：2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2024/7/31中国矿业大学 资源学
10、院三层对称模型瑞利波频散方程：2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-3-2 对称三层瑞利型槽波频散方程2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2.3.2 瑞利型槽波的振幅深度分布瑞利型槽波的振幅深度分布2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-3-3 瑞利型槽波振幅深度分布基阶水平分量一阶水平分量二阶水平分量一阶垂直分量基阶垂直分量二阶垂直分量2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2.3.3 滤波特性滤波特性2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-3-4 地层对瑞利波的滤波特性2
11、.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2.3.4 Q值计算值计算2024/7/31中国矿业大学 资源学院其中：n层介质的吸收因子：由可计算求得Q值2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2.3.4 Q值曲线值曲线2024/7/31中国矿业大学 资源学院 假设三层对称模型中，围岩及煤层纵横波Q值分别为：围岩：煤层：图2-3-5 瑞利型槽波Q值2.3 瑞利型槽波瑞利型槽波(R)2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.3.5 不同煤厚的瑞利型槽波频散曲线不同煤厚的瑞利型槽波频散曲线2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波煤层含夹矸的瑞利型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.4.1 频散曲线频散曲线 设第n
12、层介质中，p波和sv波的势函数为：其中：2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波煤层含夹矸的瑞利型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.4.1 频散曲线频散曲线 结合边界条件(位移连续，应力连续)，解频散方程得地层含夹矸时瑞利型槽波频散曲线：地层不含夹矸2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波煤层含夹矸的瑞利型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.4.2 振幅深度振幅深度基阶水平分量振幅一阶水平分量振幅二阶水平分量振幅基阶垂直分量振幅一阶垂直分量振幅二阶垂直分量振幅2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波煤层含夹矸的瑞利型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.4.3 夹矸厚度不同情况下的瑞利波
13、频散曲线夹矸厚度不同情况下的瑞利波频散曲线2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波煤层含夹矸的瑞利型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.4.4 夹矸位置不同情况下瑞利波频散曲线夹矸位置不同情况下瑞利波频散曲线夹矸从顶板依次下移2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波煤层含夹矸的瑞利型槽波2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.4.5 夹矸速度不同情况下瑞利型槽波夹矸速度不同情况下瑞利型槽波2.5三层对称模型中，地层各参数与三层对称模型中，地层各参数与Airy频率的关系频率的关系 经过详细分析比较，我们可以得出煤层的横经过详细分析比较，我们可以得出煤层的横波速度以及煤层厚度与波速度以及煤层厚度与Ai
14、ry频率密切相关。频率密切相关。 在此仅分别列出煤层横波速度、煤层厚度在此仅分别列出煤层横波速度、煤层厚度与勒夫波和瑞利波与勒夫波和瑞利波Airy频率三者之间的关系图。频率三者之间的关系图。2024/7/31中国矿业大学 资源学院2.5 三层对称模型中，地层各参数与三层对称模型中，地层各参数与Airy频率的关系频率的关系2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-5-1 煤层厚度、煤层横波速度与勒夫型勒夫型槽波Airy频率的关系2.5 三层对称模型中，地层各参数与三层对称模型中，地层各参数与Airy频率的关系频率的关系2024/7/31中国矿业大学 资源学院图2-5-2 煤层厚度、煤层横波速
15、度与瑞利型瑞利型槽波Airy频率的关系3、槽波的数值模拟及频散分析、槽波的数值模拟及频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院炮点接收点VS=1800m/sVP=2808m/sVS=1800m/sVP=2808m/sVS=900m/s VP=1710m/s顶板图3-1 勒夫波和瑞利波数值模拟模型图底板煤层3.1 数值模拟采用的地层模型数值模拟采用的地层模型3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院3.2.1 勒夫波数值模拟记录勒夫波数值模拟记录图3-2 勒夫波模拟地震记录3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析u3.2.2
16、勒夫波数值模拟地震记录的频散分析勒夫波数值模拟地震记录的频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u3.2.2勒夫波数值模拟地震记录的频散分析勒夫波数值模拟地震记录的频散分析3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u3.2.2勒夫波数值模拟地震记录的频散分析勒夫波数值模拟地震记录的频散分析3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u3.3.1 3.3.1 瑞利型槽波瑞利型槽波数值数值模拟记录
17、模拟记录图3-3 瑞利波模拟地震记录 水平分量 垂直分量2024/7/31中国矿业大学 资源学院3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析u3.3.2 3.3.2 瑞利型槽波瑞利型槽波数值数值模拟记录频散分析模拟记录频散分析水平分量垂直分量3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院水平分量垂直分量u3.3.2 3.3.2 瑞利型槽波正演模拟记录频散分析瑞利型槽波正演模拟记录频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院水平分量垂直分量3、槽波的数值模拟、槽波的数值模拟及频散分析及频散分析u3.3.2 3.3.2 瑞利型槽波数值模
18、拟记录频散分析瑞利型槽波数值模拟记录频散分析4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院炮点检波点 道间距:8m; 炮间距:16m; 接收道数:54道 采样率:0.2ms 记录长度:700ms 图4-1 井下施工平面图u4.1 井下施工平面图井下施工平面图(瑞利型槽波瑞利型槽波)u4.2 井下地震记录井下地震记录(瑞利型槽波瑞利型槽波)2024/7/31中国矿业大学 资源学院井下单炮记录P波S波槽波埃里相槽波4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析（资料来源于陈同俊老师）u4.3 井下资料频散分析井下资料频散分析(瑞利型槽波瑞利型
19、槽波)2024/7/31中国矿业大学 资源学院 对井下透射瑞利波地震记录进行频散分析。以下为频散分析结果图。4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u4.3 井下资料频散分析井下资料频散分析(瑞利型槽波瑞利型槽波)4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u4.3 井下资料频散分析井下资料频散分析(瑞利型槽波瑞利型槽波)4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u4.3 井下资料频散分析井下资料频散分析(瑞利型槽波瑞利型槽波)4、井下实测
20、地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u4.3 井下资料频散分析井下资料频散分析(瑞利型槽波瑞利型槽波)4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析2024/7/31中国矿业大学 资源学院u4.4 井下施工平面图井下施工平面图 (勒夫型槽波勒夫型槽波)4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析(资料来源于西安煤科院)巷道1巷道2工作面炮线接收排列(检波器沿着煤壁水平放置)2024/7/31中国矿业大学 资源学院4、井下实测地震资料频散分析、井下实测地震资料频散分析u4.5 井下资料频散分析井下资料频散分析(勒夫型槽波勒夫型槽波)
21、该区某一道频散分析结果5、实际资料的解释、实际资料的解释2024/7/31中国矿业大学 资源学院5.1 井下施工平面图巷道1巷道2工作面接收点排列炮点排列（检波器沿着煤壁垂直放置）(资料来源于西安煤科院)2024/7/31中国矿业大学 资源学院5、实际资料的解释、实际资料的解释5.2 资料解释槽波正常煤层断距小于煤厚5、实际资料的解释、实际资料的解释2024/7/31中国矿业大学 资源学院槽波正常煤层5.2 资料解释6、槽波未来发展的几点思考槽波未来发展的几点思考n主要方向：主要方向：扩大应用范围扩大应用范围n 断层、陷落住、火成岩侵入范围、煤层缺失与变薄等断层、陷落住、火成岩侵入范围、煤层缺失与变薄等n 老窑采空区边界等老窑采空区边界等n 提高探测精度提高探测精度n 地质异常体的定位地质异常体的定位n 地质异常体的定性与定量地质异常体的定性与定量n 增强系统的灵活性和轻便性增强系统的灵活性和轻便性n n n n 技术路径的思考技术路径的思考： n 针对性的槽波技术的应用基础研究针对性的槽波技术的应用基础研究n 实用和有效的采集方法研究实用和有效的采集方法研究n 相关的处理与解释系统的开发相关的处理与解释系统的开发n 槽波勘探应用氛围的建立槽波勘探应用氛围的建立n 欢迎各位提出宝贵意见及建欢迎各位提出宝贵意见及建议！议！谢谢！谢谢！2024/7/31中国矿业大学 资源学院
