矿井巷道震波超前探测系统研究

论文摘要

矿井巷道在掘进过程中经常遇到断层、陷落柱、煤岩体结构破碎带等地质异常体,这些异常体除直接影响施工效率外,还控制着矿井水、瓦斯等灾害的发育和发生,给矿井安全生产带来极大的威胁,因此必须能对掌子面前方地质异常体进行超前探测。由于超前探测属于隐伏目标体定位问题,巷道内可供利用的观测空间有限且受全空间效应影响,探测施工和数据解析难度较大,因而要达到快速、准确的超前预测预报需求存在一定的困难。论文在前人研究的基础上,基于地震反射波超前探测的方法原理,开展了大量的理论与实验研究,开发完成了适用于矿井地质条件探测的巷道震波超前探测系统（Mine Seismic Prediction,简称MSP）。巷道震波超前探测地球物理条件是论文的研究基础,通过对巷道掘进地质条件的分析,进一步研究了巷道周边界面反射波时距规律。在构建巷道条件下地震反射波法数据采集系统及现场技术方法的同时,对比分析了点状、线性和空间任意观测系统,认为在巷道震波超前探测中应采用将线性与任意布置相结合的空间观测系统。通过对不同的反射界面模型进行数值和实验模拟,进一步验证了巷道前方界面反射波同周边其它界面具有视速度差异,同时反映出巷道空间任意反射观测系统相比于线性观测系统具有增加叠加次数、提高成像精度的优势。巷道反射数据处理算法是论文研究重点,主要包括:利用F-r和τ-p联合视速度滤波提取巷道前方界面反射波;采用极化滤波对巷道条件下获得的三分量记录进行纵横波分离;提出垂直界面模型条件下综合采用速度扫描与绕射偏移速度校正方法建立探测区域纵波和横波速度模型;进一步利用S变换时频分析方法获取地震记录中的瞬时属性参数。通过对理论模型和实际资料的处理,均获得了良好的效果。以数据核心处理技术为基础,基于Visual C++.net平台开发完成了MSP2.0数据处理系统,该系统提供了丰富的巷道震波数据的预处理、核心处理及成像功能,人机交互方便。在顾桥煤矿-780南翼轨道大巷超前探测应用表明,MSP为预测预报巷道前方未知地质条件提供了丰富资料和判断依据,对巷道掘进生产起到了很好的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 矿井震波超前探测技术现状
• 1.3 主要研究内容与研究思路
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 拟解决的关键技术问题
• 1.3.3 研究思路
• 2 巷道震波超前探测地球物理基础
• 2.1 地震波的类型
• 2.2 地震波的传播规律
• 2.2.1 地震波的传播原理
• 2.2.2 地震波的速度
• 2.2.3 地震波的振幅及其衰减规律
• 2.3 巷道周边界面反射波时距曲线规律分析
• 2.3.1 巷道前方界面反射波时距曲线
• 2.3.2 巷道后方界面反射波时距曲线
• 2.3.3 巷道侧方界面反射波时距曲线
• 3 巷道震波超前探测现场数据采集技术
• 3.1 MSP观测系统构建
• 3.1.1 隧道、巷道现有观测系统分析
• 3.1.2 MSP立体空间反射波观测系统设计
• 3.2 MSP数据采集系统
• 3.2.1 地震记录仪器
• 3.2.2 震源选择
• 3.2.3 超前探测检波器选择
• 3.3 MSP现场工作技术
• 4 MSP核心处理技术研究
• 4.1 巷道前方构造模拟研究
• 4.1.1 正演模拟研究
• 4.1.2 物理实验模拟研究
• 4.1.3 模拟结果分析
• 4.2 反射波提取技术
• 4.2.1 F-K域滤波
• 4.2.2 τ-p域滤波
• 4.2.3 F-K与τ-p域联合滤波
• 4.3 纵横波分离技术
• 4.3.1 纵、横波的产生及其极化特性
• 4.3.2 极化滤波的基本原理
• 4.3.3 极化滤波的实现
• 4.4 偏移速度建模技术
• 4.4.1 叠加速度分析法
• 4.4.2 叠前绕射偏移速度建模
• 4.5 深度偏移技术
• 4.6 时频分析技术
• 4.6.1 S变换基本原理
• 4.6.2 利用S变换求取品质因素
• 4.6.3 利用S变换求取瞬时相位及瞬时频率
• 4.7 地震属性参数提取技术
• 5 MSP2.0数据处理系统开发
• 5.1 MSP2.0数据处理系统构架
• 5.1.1 MSP数据处理的目的和任务要求
• 5.1.2 功能模块划分及系统构架
• 5.2 工程管理与记录解编
• 5.2.1 工程管理模块
• 5.2.2 记录解编模块
• 5.3 数据预处理
• 5.3.1 频谱分析模块、带通滤波模块
• 5.3.2 初至拾取、初至静校正模块
• 5.3.3 振幅调整模块
• 5.3.4 反Q滤波模块
• 5.4 数据核心处理
• 5.4.1 波场分离
• 5.4.2 反射波提取
• 5.4.3 偏移速度建模
• 5.4.4 深度偏移
• 5.4.5 属性参数提取
• 6 MSP技术在巷道超前探测工程中的应用
• 6.1 顾桥煤矿-780南翼轨道大巷地质条件及其探测任务
• 6.2 -780南翼轨道S40+200m段MSP与TSP对比探测
• 6.2.1 测线布置与数据采集
• 6.2.2 数据处理与分析解释
• 6.2.3 探测结论与建议
• 6.2.4 验证情况与分析
• 6.3 -780南翼轨道S44+200m段MSP探测
• 6.3.1 测线布置与数据采集
• 6.3.2 数据处理与分析解释
• 6.3.3 探测结论与建议
• 6.3.4 验证情况与分析
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 存在的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果