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1、槽波的传播特性及应用,报告人：李德春,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,纲要：,1、槽波勘探概述2、槽波的理论分析3、槽波的数值模拟及频散分析4、井下实际资料的频散分析5、实际资料的对比分析6、槽波未来发展方向的思考,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,1、槽波勘探概述,2023/2/14,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，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。,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,1
2、、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,2023/2/14,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
3、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,2023/2/14,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,2023/2/14,中国矿业大学 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
4、最终成果直观的优点。,1、槽波勘探概述,2023/2/14,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。,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,槽波的基本类型：,1、槽波勘探概述,1.3 槽波地震勘探方法,1、槽波勘探概述,2023/2/14,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
5、、槽波勘探概述,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,断层反射,1.3 槽波地震勘探方法,2、槽波的理论分析,2023/2/14,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：,2.1 勒夫型槽波(L),其中：,2.1.1 频散方程及频散曲线,X,Z,2.1 勒夫型槽波(L),2023/2/14,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(L),2023/2/14,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(L),2.1.2 振幅深度分布,2023
6、/2/14,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(L),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.1.3 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(L),2.1.4 Q值计算,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,n层介质的吸收因子：,其中：,2.1 勒夫型槽波(L),2.1.4 Q值计算,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,图2-5 勒夫波Q值曲线,2.1 勒夫型槽波(L),2023/2/14,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,2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波,2023/2/14,中
7、国矿业大学 资源学院,2.2.1 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,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.2.1 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。,2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波,2.2.2 振幅深度分布,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波,2023/2/14,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,2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.2.4 夹矸
8、位置变化情况下的勒夫型槽波频散曲线,夹矸从顶板依次下移,2.2 煤层含夹矸的勒夫型槽波,2023/2/14,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,2.3 瑞利型槽波(R),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,图2-3-1 对称三层地层模型,2.3.1 瑞利型槽波频散方程及频散曲线,X,Z,2.3 瑞利型槽波(R),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,结合边界条件：,2.3 瑞利型槽波(R),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,三层对称模型瑞利波频散方程：,2.3 瑞利型槽波(R),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.3 瑞利型槽
9、波(R),2023/2/14,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(R),2.3.2 瑞利型槽波的振幅深度分布,2023/2/14,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,2.3 瑞利型槽波(R),2.3.3 滤波特性,2023/2/14,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,2.3 瑞利型槽波(R),2.3.4 Q值计算,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,其中：,n层介质的吸收因子：,2.3 瑞利型槽波(R),2.3.4 Q值曲线,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,图2-3-5
10、瑞利型槽波Q值,2.3 瑞利型槽波(R),2023/2/14,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,2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.4.1 频散曲线,设第n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,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.4.1 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：,2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,2.4.2 振幅深度,2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波,2023/2/
11、14,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频散曲线,2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波,2023/2/14,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,夹矸从顶板依次下移,2.4 煤层含夹矸的瑞利型槽波,2023/2/14,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,2.5三层对称模型中，地层各参数与Airy频率的关系,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Airy频率密切相关。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Airy频率三者之间的关系图。,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,
12、2.5 三层对称模型中，地层各参数与Airy频率的关系,2023/2/14,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槽波Airy频率的关系,2.5 三层对称模型中，地层各参数与Airy频率的关系,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,图2-5-2 煤层厚度、煤层横波速度与瑞利型槽波Airy频率的关系,3、槽波的数值模拟及频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,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,3、槽波的数值模拟及频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3.2.1 勒夫波数值模拟
13、记录,图3-2 勒夫波模拟地震记录,3、槽波的数值模拟及频散分析,3.2.2勒夫波数值模拟地震记录的频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3、槽波的数值模拟及频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3.2.2勒夫波数值模拟地震记录的频散分析,3、槽波的数值模拟及频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3.2.2勒夫波数值模拟地震记录的频散分析,3、槽波的数值模拟及频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3.3.1 瑞利型槽波数值模拟记录,图3-3 瑞利波模拟地震记录,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3、槽波的数值模拟及频散分
14、析,3.3.2 瑞利型槽波数值模拟记录频散分析,3、槽波的数值模拟及频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3.3.2 瑞利型槽波正演模拟记录频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,3、槽波的数值模拟及频散分析,3.3.2 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,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,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,4.1 井下施工平面图(瑞利型槽波),4.2 井下地震记录(瑞利型槽波),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,井下单炮
15、记录,4、井下实测地震资料频散分析,（资料来源于陈同俊老师）,4.3 井下资料频散分析(瑞利型槽波),2023/2/14,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,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,4.3 井下资料频散分析(瑞利型槽波),4、井下实测地震资料频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,4.3 井下资料频散分析(瑞利型槽波),4、井下实测地震资料频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,4.3 井下资料频散分析(瑞利型槽波),4、井下实测地震资料频散分析,2023/2/14,
16、中国矿业大学 资源学院,4.3 井下资料频散分析(瑞利型槽波),4、井下实测地震资料频散分析,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,4.4 井下施工平面图(勒夫型槽波),4、井下实测地震资料频散分析,(资料来源于西安煤科院),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,4、井下实测地震资料频散分析,4.5 井下资料频散分析(勒夫型槽波),该区某一道频散分析结果,5、实际资料的解释,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,5.1 井下施工平面图,(资料来源于西安煤科院),2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,5、实际资料的解释,5.2 资料解释,5、实际资料的解释,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,5.2 资料解释,6、槽波未来发展的几点思考,主要方向：扩大应用范围 断层、陷落住、火成岩侵入范围、煤层缺失与变薄等 老窑采空区边界等 提高探测精度 地质异常体的定位 地质异常体的定性与定量 增强系统的灵活性和轻便性,技术路径的思考：针对性的槽波技术的应用基础研究 实用和有效的采集方法研究 相关的处理与解释系统的开发 槽波勘探应用氛围的建立,欢迎各位提出宝贵意见及建议！谢谢！,2023/2/14,中国矿业大学 资源学院,
