煤层厚度对槽波频散特性的影响

槽波地震勘探是一种能够有效预测煤层工作面内小幅构造的井下物探技术。为了达到预测煤层厚度分布的目的,基于弹性波理论,推导了勒夫型槽波频散方程,并分析了煤层厚度变化对槽波频散特性的影响。研究表明,槽波的埃里相频率和速度与煤层厚度关系密切,通过槽波频散曲线提取,可以实现煤层分布的预测,为利用槽波频散特性实现煤层厚度预测提供理论依据。     

Love型槽波的频散特征及影响因素

为了研究Love槽波的频散特征及影响因素,从理论上推导了Love型槽波的频散方程。通过建立不同参数的地层模型,研究煤层厚度变化、煤层速度变化、围岩物性变化等对槽波特征的影响规律。研究结果可为槽波资料分析、埃里相识别、数据处理提供依据。     

我国主要矿区典型煤层槽波赋存发育特征研究

槽波地震勘探技术在工作面采前精确查明隐蔽致灾地质因素方面已经取得了较好的应用效果，但针对我国各个矿区的槽波发育特征的系统性研究较少。笔者通过建立不同煤厚、不同矿区对应的不同围岩速度的三维数值模型进行正演模拟，研究槽波赋存发育特征，再以主要矿区37个煤矿实际槽波数据，统计分析得出我国主要矿区煤层槽波赋存发育特征。研究表明，在同一大区域相邻矿区内，由于含煤地层相近，槽波埃里相速度及频率相近|槽波波速与围岩波速呈反相关，围岩速度越高，槽波埃里相速度越低|矿区构造发育与煤层槽导条件有关，构造相对简单的地区槽波发育较好。研究结果可为槽波实际资料的解释、分析提供参考依据。     

含夹矸煤层的Love型槽波频散特征

为了研究夹矸对煤层槽波特征的影响,从理论上推导了含夹矸煤层模型的Love型槽波频散方程。通过建立不同地层模型,研究夹矸的厚度、位置、速度变化对槽波特征的影响规律。研究结果可为槽波实际资料的分析、埃里相识别、数据处理提供参考依据。     

含夹矸煤层槽波频散特性及其影响因素分析

槽波地震勘探是常用的井下物探技术,为了达到预测煤层夹矸结构和物性的目的,基于弹性波理论,推导了含夹矸煤层的勒夫型槽波频散方程,并分析了夹矸的结构和物性变化对槽波频散特性的影响。研究表明,槽波频散特性随夹矸厚度、位置以及速度变化而变化。为利用槽波频散特性实现夹矸探测提供了理论依据。     

煤层中槽波传播特性分析

建立了三维煤系地层模型,探讨了槽波的形成条件、吸收衰减模型和辐射衰减模型,分析了围岩横波速度、围岩密度及煤层厚度对接收槽波的影响。仿真结果表明,对称模型中槽波能量主要集中在煤层中,以煤层为中心呈对称分布,煤层与围岩分界面处槽波能量迅速衰减。随着传播距离的增大,激发出更高的频率分量,频谱展宽,幅值衰减。非对称模型中围岩速度不同使槽波频谱范围展宽,主频升高。随着煤层厚度的增加槽波主频越低,能量越集中在煤层中。围岩密度对槽波影响很小。     

典型含煤模型Love型槽波的频散特征分析

为了研究不同地质条件下煤层Love型槽波的频散特征,设计了4种典型二维地震地质模型,即围岩不变而煤厚变化（3,5,10,15和20 m）模型,围岩变化（高速围岩与低速围岩）而煤厚不变（10 m）模型,煤层含有断层（煤厚10 m、断层落差5 m）模型和10 m煤层中夹有5 m×5 m、5 m×10 m、5 m×20 m、5 m×50 m砂体模型等;采用SH波波动方程,对上述模型进行了数值模拟,分析了Love型槽波的波场特征,并对正演记录进行了傅里叶变换,计算得到槽波频散图。结果表明：煤厚变化主要影响Love型槽波各阶模式频散曲线的能量分布,上下围岩中最小横波速度控制频散曲线的上限,砂体使频散曲线发散,断层对槽波频散影响较小。     

基于小波分解重构方法提取煤层反射槽波信号

槽波地震勘探具有探测距离大、抗电干扰能力强的特点。但是由于槽波本身的频散特性,以及井下复杂的激发接收条件,多种类型的纵波和横波及噪声叠加在一起,原始槽波信号难以识别。常规的处理方法是根据理论频散曲线设计频率域窄带滤波的方式提取槽波埃里震相。为了提高反射槽波成像的信噪比,通过对原始信号进行小波分解进行多尺度分析,重构提取有效槽波信号的方法进行处理。实际应用结果表明,小波分解重构方法提高了反射槽波成像的信噪比。     

基于透射槽波的工作面煤层厚度高精度反演方法

矿井地质条件复杂,煤岩体的非均质性和各向异性、煤层结构和煤岩层组合特征、以及巷道条件导致炮检点环境的差异,均会影响槽波的形成及传播,使实际槽波传播特征与理论"岩-煤-岩"模型差别甚远,增加了透射槽波方法反演煤层厚度的准确性和难度。为提高煤矿井下采煤工作面煤层厚度变化的预测精度,提出了基于槽波频散理论和分频处理技术反演煤层厚度变化的方法,通过理论情况下Love型槽波传播规律建立了不同频率下槽波群速度与煤层厚度的关系,采用窄带滤波方法分析了成像频带对反演精度的影响,提出了层析成像频带优选策略,提高了群速度反演煤层厚度的精度;将该方法应用于陕西铜川焦平矿区2408工作面煤层厚度探测,该工作面平均煤层厚度7.6 m,选择50～80 Hz的频率区间对层析成像频带进行研究,定义了煤层厚度采样点与槽波群速度的分类关系,利用87个巷道采样点评价了各成像频段对群速度和反演煤层厚度的影响,优选60～75 Hz频带的成像群速度与巷道采样点和回采揭露点的相关性分别为81.6%和85.1%;将优选频带反演的煤层厚度与回采前后181个实际煤层厚度数据进行误差分析,煤层厚度预测误差绝对值小于0.40 m(误差小于5%)和0.80 m(误差小于10%)的点数,分别达到48.62%和85.64%。结果表明:透射槽波层析成像预测工作面煤层厚度的精度与层析成像的频带有关,成像主频越高、频带越窄,层析成像对煤层厚度的反演精度就越高,但可反演最大煤层厚度变小。因此,成像主频应考虑层析成像对研究区煤层大部分区域都有良好效果,选择槽波群速度变化率极大值曲线上平均煤层厚度对应的频率,使层析群速度与煤层厚度采样点相关性更高的最小频率范围为最佳频带宽度。     

陷落柱对煤岩折射波的影响及相应成像方法研究

震源在煤层内激发后,当入射角等于或大于临界角时,将同时形成槽波和折射波,折射波沿煤层与顶底板的分界面传播并不断重新进入煤层而被检波器接收,与在地面激发和接收的折射波不同,在煤层内激发和接收的折射波具有很强的周期性和频散性,是井下地震波场的重要组成部分,但对其探测构造的能力一直缺乏深入的研究,为了验证折射波探测陷落柱的有效性,分析了折射波的形成与传播规律以及在遭遇陷落柱时速度与振幅的变化情况,通过对含陷落柱工作面模型的正演模拟,比较和分析了陷落柱对折射波与槽波振幅的不同影响,通过将振幅衰减系数成像方法应用于折射波上,实现了利用折射波对工作面内隐伏陷落柱的探测,对碾沟矿2101工作面实际数据进行了处理。结果表明:井下地震记录中既包含槽波也包含折射波,折射波的纵横波速度接近于围岩的纵横波速度,折射波振幅弱于槽波,但在特殊地质条件下会出现折射波振幅强于槽波的现象;陷落柱等贯穿煤层和顶底板的异常构造能够对折射波振幅造成较大影响,遭遇陷落柱时折射波的振幅衰减程度大于槽波,折射波振幅衰减系数的成像结果能够有效反映实际陷落柱的位置与边界;折射波成像精度低于槽波,可作为槽波探测的有效补充,特殊地质条件下槽波能量弱,此时折射波可替代槽波实现陷落柱探测。     

基于三维数值模拟的复杂构造地区槽波精细探测研究

为了查明六家煤矿E1N₄6-7工作面构造分布和煤厚变化情况,保证矿井安全生产,根据E1N₄6-7工作面实际地质特征开展了三维数值模拟工作,在分析工作面槽波及频散特征的基础上开展了工作面透射槽波研究。研究结果表明,采用交错网格有限差分GPU并行法对基于实际地质特征的三维多岩层断裂模型实施弹性波场数值模拟,可揭示落差3 m断层的槽波能量变化;采用“全息采集”方式布设观测系统,可最大限度地接收有效槽波信号。透射槽波探测结果显示,E1N₄6-7工作面共存在3处断层和1处煤厚变薄区,共4处地质异常。工作面回采实际揭露情况与此次槽波探测结果吻合良好,验证了该方法的可靠性。研究为精细探测构造复杂地区的微小断层奠定了基础。     

综合矿井物探方法在探查煤层构造的应用

采用2种矿井物探方法探明了工作面煤层中构造的发育情况以及构造在煤层底板的含/导水性。介绍了矿井槽波地震和音频电透视的基本原理和资料处理方法。根据工作面实际水文地质条件,研究采用槽波地震和音频电透视综合矿井物探方法进行探测。结果表明,槽波地震成果在煤层中发现陷落柱,音频电透视在陷落柱底板发育相对富水异常区。经过钻孔和回采揭露验证,槽波成果发现的陷落柱范围较准,横向精度较高;音频电透视成果在平面和垂向范围均较准。综合2种物探成果预测预报了回采工作面中构造及其含/导水性。研究为工作面防治水工作提供了参考。     

深部临空巨厚坚硬顶板断裂矿震规律及成因研究

为研究特厚煤层临空巨厚坚硬顶板断裂的矿震规律,以250105工作面实际工程地质及开采特征为研究背景,采用微震监测技术对矿震事件进行了定位和统计分析,得到了矿震事件多集中在工作面采空区侧及工作面前方0~100 m。同时,采用数值模拟,分析了不同开挖阶段工作面围岩的应力分布状态,得到了工作面前方20~90 m及靠近回风巷侧顶板岩层0~40 m均为应力高度集中区域。研究结果表明,250105工作面回采期间矿震事件主要集中分布在工作面前方及工作面临空侧,厚硬顶板的破断对矿震事件的诱发起主要控制作用。     

基于槽波层析成像的陷落柱定位研究

在煤矿井下地震勘探中,由于检波器和震源只能在巷道内进行布置,造成了观测系统的布局和分布特点受到限制。为了更好地探测煤矿进行实际异常的地质构造,确保矿井安全生产,采用槽波层析成像的方法对陷落柱定位进行研究。研究了陷落柱对煤层波场的影响,得出陷落柱对体波成分影响相对较小,而对瑞雷型槽波Rx和Rz分量的影响却相对较大;又对陷落柱速度成像和陷落柱能量成像进行了研究,研究验证了槽波层析成像技术在陷落柱分布范围定位中的准确性,研究为煤矿井下陷落柱地质构造的勘探提供了技术支持。     

反射槽波在双柳煤矿探测采空区边界的应用

老窑采空区一直是困扰煤矿安全生产的危险隐患，为了查清老窑破坏区边界，防止危险事故发生，利用矿井槽波地震反射探测技术对疑似采空区域进行远距离探测。通过对已知采空区进行槽波试验，分析出槽波对采空区反映的频谱特征，形成辨识采空区边界范围的判断依据，然后有针对性地探测疑似区域。研究结果表明:山西省河东煤田双柳矿3（4）号煤层槽波的频散特征明显，正常煤体的槽波主频集中于100~200 Hz，速度在1 000 m/s左右；而采空区槽波能量微弱且不连续，横波的能量超过槽波，整体杂乱无章；采空区槽波主频区间较正常煤体略高，速度略低     

基于衰减层析成像技术的煤矿小构造地质研究

为了精确掌握煤矿小构造地质情况,确保矿井的安全生产,采用衰减层析成像技术,研究了地震波在煤层中传播规律、煤层模型的建立以及煤层中小构造对波场的影响,并对陷落柱、断层等小构造进行了模拟分析。研究得出:当波场穿过陷落柱时,能量急剧衰减,但是穿过陷落柱后表现出来的结果不同,体波穿过陷落柱后基本恢复了原来的状态,但是,槽波穿过陷落柱后能量发生了较大变化;当波场穿过断层时,槽波和体波都由断层左盘进入了右盘,而且在断层面附近,槽波发生了较严重的散射,研究为煤矿小构造的勘探提供一定理论依据。     

能量密度分析法在向斜构造区冲击地压防治中的应用

为了研究向斜构造区冲击地压特征及如何防治该类型冲击地压,本文以兴安煤矿典型向斜构造影响范围内的四水平1号工作面为研究对象,利用微震时空分布图和能量密度云图,研究了微震活动与冲击地压之间的关系。结果表明:冲击发生前微震的时空分布可直观反映微震事件的集中区域,但难以识别微震事件随时间的演化趋势;能量密度具有明显的成核特征,并在成核区周围有明显的扩展,直至成核区边缘发生强矿震。利用震波速度层析成像技术可有效识别向斜构造形成的高应力区,并对高应力区煤层实施大直径钻孔和深孔爆破措施,后续开采引起的微震活动证实了这些应力解除措施的有效性。     

厚煤层巷道矿压显现规律研究

针对厚煤层开采时矿压对巷道的影响的问题,从理论和实践上阐述位于厚煤层内的区段集中巷、采区上（下）山及大巷整个服务期间采动影响过程中的矿压显现规律和围岩变形,以及厚煤层巷道的维护技术。利用FLAC^3D数值模拟软件,分别分析了采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板压力规律以及采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板位移规律。提出要掌握巷道的围岩性质及其对巷道维护的影响,合理确定护巷煤柱宽度,在邻近煤层开采中,采用上部煤层在厚煤层上方跨采,或者厚煤层巷道开掘之前上部煤层预先开采等卸压措施。从而避免了厚煤层开采过程中矿压对巷道的影响,保证了煤矿的安全高效回采。     

巷道围岩松动圈测试研究

为了对巷道围岩松动圈进行测试,采用PHD-2型多功能超声波无损检测分析仪,分析了巷道围岩稳定性分类标准以及测试原理。根据现场实际情况,对松动圈测试测点进行了布置,然后对1105回风巷距工作面前方50,65,80,95,110 m处煤壁波速进行了研究,研究得出:煤壁帮松动圈大小基本为1.7~4.0 m;测试位置距离工作面位置越近,煤壁帮松动的范围也越大;煤柱帮松动圈总体相对较大,多数围岩松动圈大小在4 m以上。     

三软煤层沿底托顶煤巷道数值模拟研究

三软煤层巷道支护困难严重影响了矿井的安全高效生产。运用数值模拟方法对三软厚煤层沿底托顶煤支护技术进行了分析研究。根据平禹一矿三软煤层巷道的地质条件,分析了三软煤层巷道变形的破坏特征和影响因素,并根据该矿二₁-13110工作面地质条件,运用FLAC^3D数值模拟软件分析了不同支护结构下巷道的位移量、主应力和围岩塑性区的变化规律。数值模拟结果表明:巷道在主被动协同支护的条件下,支护结构能充分发挥协同作用,支护效果改善明显。