矿井断层超前探波动方程理论及声波波场特征研究(1).pdf

2020年第4期 煤 炭 科 技 No. 4 2020 COAL SCIENCE advanced exploration; fault advanced exploration; acoustic wave fluctuation; e lastic wave fluctuation; acoustic wave field characteristics CLC number TD163 Document identification codeB 我国煤炭开采地质条件相对复杂 顶板、 、水和 瓦斯严重影响着煤矿的安全开采％％据不完全统计 80的煤矿事故发生在巷道掘进过程中，，因而开展 矿井地质构造超前探测有着重要意义％％国内超前探 测始于19世纪80年代， ，并在90年代仪器国产化％ ％ 姜永虎S1T对煤巷断层地震超前探测三维波场特征进 , , 有、 、无巷道影响条件下断层模型， ，基 于高阶交错网格算法进 计算， ， 断 质的地震 ； ； 倒研究了巷道掘进中地震超前探测波场 62 煤炭科技2020年第4期 征，采用交错网格有限差分法，分析了不同地质模 型中波场特征；杨思通冈通过分析矿井巷道地震超 前探测三维全波场数值模拟与探测方法，对矿井巷 道地震超前探测三维数值模拟和探测方法进行了 研究根据不同结构煤体的超声波特征，分析了波 动方程理论，并对断层超前探测时声波波场特征进 行了正演数值模拟 1煤体的超声波特征 煤的种类繁多,主要分为褐煤、烟煤和无烟煤 三大类,根据煤体结构分为构造煤、碎裂煤和原生 结构煤 大量的研究统计证明了不同煤体的结构其声 波 不同构造煤和碎煤的声波 播速度分别为775 m/s和1 646 m/s,原生结构煤的 声波 大， 为2 278 m/s。表明 煤 的 程 降低，声波 越大[4-7]o 2波动方程理论分析 在外力作用下，物体内部会发生变化，产生一 种平衡物体 的力，为 力。在地震勘探中，主 要 声波波动方程和弹性波波动方程对矿井地 质构造超前探测声波波场特征进行分析[8-10]o 2.1声波波动方程声波波动方程 根据地震波传播规律，声波的动力学和动力学 特征 波的动力和动力学特征，此将 声波 地震波， 模拟 地质 下声波 的波场特性。 质条件下，声波的波动方程表达式 /1 U、、 11 dU 1 dU2 H4门IT5 6 IT门IT8 9 心/为力；s为 。 同 质 -应力弹性波方程 t y t xx xO ,1 y-xv t zz-xz z z t yz ； z t zz ； zz z ； t 2“ 2“ 2“ 皿 ； z“皿 y 八t円y z 皿 z ； xz“皿 dy 八t 宀xz z 皿 “监 z 八t 円yz 4 2.3震源震源 、炸药等震源进行地震勘探，为 充分 声波在空间和时的延续规律， 波 数和 数 震 数， 震 分 为方 、 和 三种震 ，震 数 Fx,z,t ft x ex p{-o[ z - o2 X - xo2]} 5 式中ft----为子波 数； 2----为 数； xo，o------为震 。 震 数采用雷克子波 ，主为儿，时间衰 减系数为②巷道的声波;③煤层内的槽波;④声波遇到 掘进头尖灭点的绕射波；⑤巷道断层面的反射波； ⑥反射波;⑦遇到掘进头的反射槽波。 第2炮不同时刻的波场快照如图4所示。 由图2〜4可知 1当进行第1炮时震源位于顶板位置，声 波通过巷道掘进面底板,受到巷道底板尖灭点的绕 射信号的干扰；当进行第2炮时震源位于底板位 置,声波通过巷道掘进面顶板,受到巷道底板尖灭 点的绕射信号的干扰。 d底板接收Z分量 ▼ 0||||5 怦11 1 I60 . 1 I6 1 0 15| ||20 |25, 1 |利 II JW 45 5 11551111 1 1 I7］「7p,,即| 1■1 1 1 1 1 1 11i a顶板接收X分量 b底板接收X分量 c顶板接收Z分量 图2第炮激发80 ms的地震记录 s 250| 5 a 21 msX 分量 b 21 msZ 分量 c 39 msX 分量 d 39 ms Z 分量 图3第炮不同时刻的波场快照 a 21 msX 分量 b 21 msZ 分量 c 39 msX 分量 d 39 ms Z 分量 图4第2炮不同时刻的波场快照 下转第75页 2020年第4期 宋沛鑫深部煤层综采工作面矿压显现规律研究 75 3依据围岩巷道的变形量将巷道大致划分为 三个阶段，距离工作面20*范围内为采动影响剧烈 阶段，距离工作面20〜60*的范围内为采动影响 阶段，距离工作面60*范围以外受采动影响较小, 且巷道变形量的移近速度基本与以上三个阶段基 本吻合 参考文献 [ 1] 孙 波，张向阳，涂 敏.深井大采高综采面矿压显现及覆岩破 断规律研究[ J].中国安全生产科学技术，2011,142 119 - 125. [ 2] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[ M].徐州中国矿业大学 , 2003. [ 3] 张 农，袁 亮，王 成，等卸压开采顶板巷道破坏特征及稳定 性分析[ J]煤炭学报，2011, 3611 1 714 - 1 789. [ 4] 李宏亮，华心祝，杨 科，等深部卸压厚煤层综采矿压显现规 律研究[ J]煤炭工程/ 2014, 4612 93 - 96. [ 5] 张 ， .8*大采高综采工作面矿压显现规律研究[ J]. 煤炭科学技术，2017, 4511 21 - 26. [ 6] 邓小鹏.大采高工作面覆岩运移规律及矿压显现特征特殊性研 究[ J].中国煤炭，2017, 433 66 - 69. [ 7] 樊银辉深部采区巷 矿压模拟及规律分析[ J].煤炭科 技,2018410 11. 作者简介宋沛鑫宋沛鑫1983,男,山西介休人2012年 毕业于太原理工大学采矿工程专业，硕士，山西省煤炭职 工培训中心山西省煤炭职业中等专业学校工程师％ 收稿日期收稿日期2020-03-16 上接第63页 2 当声波遇到断层时，断层产生的绕射波不 能显 中，但是，断层产生的 波 的 量 较 ， 产生较 的波 ，且 波的同相轴清晰。研究 ，在进行断层 ， 以 波 ， 断断层 3 面 ， 的 量 中巷 ， 的 现 ， 的 显的影响 5结语 在地震勘探中，利用声波波动方程和弹性波波 动方程，对矿井 构造 波波场特征 分析 根据矿井地质构造超前探测声波波场特征，建 立了 方遇见正断层时的正演数值模拟模型 分析80 *s的地震记录、 刻的波场 快照，得了第1 波 巷道 面底. 受到巷道底尖灭点的绕射信号的 ；当进行第 2炮时声波 巷道 面 受巷道底板尖 灭点的绕 的 ； 断层 ， 以 波 ， 断断层 ；2 的 现 ， 的 显的影响结论 参考文献 [ 1]姜永虎煤巷断层地震超前探测三维波场特征研究[ D].徐州中 国矿业大学，2018. [ 2] 董海杰，李 飞，谢 俊，等.巷道掘进中地震超前探测波场特 征研究[ J]煤矿安全，2013131 - 35. [ 3] 杨思.矿井巷道 三维全波场数值模拟与探测方 法研究[ D]济南山东科技大学，2011. [ 4] 程久龙，谢 晨，孙晓云，等.随掘地震超前探测理论与方法初 [ C]//2015中国地球科学联合学术年会论文集二十三专 题55煤炭资源与矿山安全地球物理，2015. [ 5] 王晓康，路 拓地震超前探测技术在老窑采空区探测中的模拟 与应用[ J].中国煤炭地质，2019, 31367 - 71，82. [ 6] 刘盛东，郭立全，张平松.巷道前方 构造MSP法超前探测 技术与应用研究[ J].工程地球物理学报/ 20066437 - 442. [ 7] 程久龙，李 飞/彭苏萍，等.矿井巷道地球物理方法超前探测 研究进展与展望[ J]煤炭学报/ 2014, 3981 742 - 1 750. [ 8] 李建楼，严家平.波作用对煤体瓦斯渗透性影响的实验研究 [ J]. 炭学 , 2010, 35S081 - 85. [ 9] 宋保陵，满立新，刘献科，.基于槽波的煤矿地质构造超前探 测技术研究[ J]能源与环保，2017887 - 91,95. [10] . 矿井 波 近 层岩巷 中的应用 分析[ J].中州煤炭，20131125 - 27. 作者简介张艺耀张艺耀1986,男河南鹤壁人,2009年 毕业于陕西科技大学工业设计专业,2015年在职研究生就 读中国地质大学武汉地质工程专业，河南省煤田地质局 一队工程师％ 收稿日期收稿日期2020-04-17