煤巷三维槽波全波场数值模拟与波场特征分析.pdf

A P P L I E D G E O P H Y S I C S ， V o 1 ．1 3 ， N o ．4 D e c e m b e r 2 0 1 6 ， 6 2 1 - 6 3 0 ， 1 1 F ig u r e s DoI 1 0 ． 1 0 0 7 ／ s l l 7 7 0 - 0 1 6 ． 0 5 8 2 - 9 Nu me r i c a I s i mu l a t i o n s o f f u l 1 ． wa v e f i e l d s a n d a n a l y s i s o f c h a n n e l wa v e c h a r a c t e r i s t i c s c o a l m i n e r o a d wa y mo d e l s Y a n g S i - T o n g ’ ， We i J i u - C h u a n ’ ’ ， C h e n g J i u - L o n g ， S h i L o n g - Qi n g ’ ， a n d We n Z h i J i e 。 i n 3 ． Abs t r a e t Cur r e n t l y ．nu me r i c a 1 s i mul a t i o ns o f s e i s mi c c ha n ne l wa ve s f o r t he a d v a n c e d e t e c t i o n o f g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s j n c o a l mi n e r oa d wa y s f o C H S ma i n l y on mo d e l i ng t wo． d i me n s i o n a l wa v e fie l d s a n d t he r e f o r c c a n n o t a c c u r a t e l y s i mul a t e t h r e e ． d i me n s i o na l f 3 ． D1 f u 1 1 ． wa v e fie l ds o r s e i s m i c r e c o r d s i n a f u 1 1 一 s p a c e o bs e r va t i o n s y s t e m I n t h i s s t ud y ,we us e t he fir s t ． o r d e r ve l oc i t y -s t r e s s s t a g ge r e d ． g r i d fin i t e d i f f e r e nc e a l g o r i t h m t o s i mu l a t e 3 ． D f -u 1 1 一 wa v e fie l ds wi t h P wa ve s o u r c e s i n f r on t of c o a l m i n e r oa d wa ys ． W e de t e r mi n e t h e t h r e e c o mp o n e nt s o f v e l o c i t y ， ，a nd fo r t h e s a m e no d e i n 3 - D s t a g ge r e d g r i d fin i t e d i f f e r e n c e mo d e l s b y c a l c ul a t i n g t h e a v e r a g e va l u e of Z v ．a n d o f t h e n o d e s a r o u nd t he s a me no d e ．W e a s c e r t a i n t he wa v e pa t t e r ns a n d t he i r p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n bo t h s y mme t r i c a l a n d a s y mme t r i c c o a l mi n e r o a d wa y mo d e l s ． Ou r s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t ha t t h e Ra y l e i g h c h a n ne l wa v e i s s t r o n g e r t h a n t h e LO VC c h a n n e l wa ve i n f r o n t o f t he r o a d wa y f a c c． The r e fle c t e d Ra yl e i g h wa ve s f r o m t h e r o a d wa y f a c c a r e c o nc e n t r a t e d i n t h e c o a l s e a m，r e l e a s e l e s s e n e r g Y t o t h e r oo f a n d flo o r ，a n d p r o pa ga t e for a l o n g e r d i s t a n c e ． Th e r e a r e s u r f a c e wa ve s a n d r e f r a c t i o n he a d wa ve s a r o un d t h e r o a dwa y ．I n t h e s e i s mi c r e c or d s ， t h e Ra y l e i g h wa v e e ne r g y i s s t r o n g e r t h a n t h a t o f t h e Lo v e c h a n n e l wa ve a l o n g c o a l wa l l s o f t h e r o a d wa y ,a nd t he i n t e r f e r e n c e o f t h e he a d wa v e s a n d s u r f a c e wa ve s wi t h t h e Ra y l e i g h c ha n n e l wa v e i s we a ke r t h a n wi t h t h e Lo v e c h a n ne l wa v e ． I t i s t h u s d i 师 c u l t t o i d e n t i f y t h e Lo v e c h a n n e 1 wa ve i n t he s e i s mi c r e c o r d s ． I nc r e a s i n g t h e d e p t h o f t h e r e c e i v e r s i n t h e c o a l wa l l s c a n e f f e c t i v e l y we a ke n t he i nt e r f e r e nc e o f s u r f a c e wa ve s wi t h t h e Ra y l e i g h c h a n n e l wa v e b u t c a n n o t we a k e n t he i nt e r f e r e n c e o f s u r f a c e wa v e s wi t h t he o v e c ha n ne l wa v e ． Ou r r e s e a r c h r e s ul t s a l s o s u g g e s t t h a t t he Lo v e c ha n n e l wa v e ． wh i c h i s o fte n u s e d t o d e t e c t g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s i n c o a l mi n e s t o p e s ． i s n o t s u i t a b l e for d e t e c t i n g g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s i n f r o n t o f c o a l mi n e r o a d wa y s ． I ns t e a d ． t h e Ra y l e i g h c ha n n e l wa ve c a n b e u s e d for t h e a d v a nc e d e t e c t i o n o f g e o l og i c a l s t m c tur e s i n c o a l mi n e r o a d wa y s ． Ke y wor d s Ch a n ne l wa ve ，3 一 D wa ve fie l d， Nu m e r i c a l s i mu l a t i o n，Co a 1 mi n e r o a d wa y ， Ad v a n c e d e t e c t i o n D M a n u s c r i p t r e c e i v e d b y t h e Ed i t o r Aug us t 21 、 2 01 6 r e v i s e d ma n us c r i p t r e c e i ve d 0c t o b e r 4。 2 01 6． T h i s wo r k wa s s u p p o r t e d b y Na t i o n a l Na t u r a 1 S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a No s ． 4 1 2 0 4 0 7 7 ． 4 1 3 7 2 2 9 0 ． 4 1 5 7 2 2 4 4 ． 5 1 0 3 4 0 0 3 ．5 1 1 7 4 2 1 0 ，a n d 5 1 3 0 4 1 2 6 ， n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n o f S h a n d o n g P r o v i n c e No s ． ZR 2 0 l 1 EE Z0 0 2 a n d Z R 2 0 1 3 E E Q 0 1 9 1 ， a n d S t a t e Ke y R e s e a r c h De v e l o p me n t P r o g r a m o f C h i n a No ． 2 0 l 6 Y F C 0 6 0 0 7 0 8 ． 3 1 ． 1 ． S ha n d o n g Pr o vi n c i a l Ke y La b o r a t o r y o f De po s i t i o n a l M i ne r a l i z a t i o n S e d i me n t a r y M i n e r a l s ． Co l l e g e o f Ea Ch S c i e n c e s E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a ． 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e i j i n g 1 0 0 08 3 ． Chi na ． 3 ． Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n e Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n d Co n t r o 1 ． S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y , Qi n g d a o 2 6 65 9 0 ， Chi n a ． Co r r e s p o n d i n g a u t h o r We i J i u ． C h u a n E ma i l i c we e 1 2 6 ． c o m ◎ 2 0 1 6 The Ed i t o r i a l De p a r t me n t of APP L I E D GE OPH YS I CS． AU r i g ht s r e s e r ve d ． 6 2l Ch a n n el wa v e c h ar a c t e r i s t i c s i n 3 - D c o a l m i n e r oa d wa y m o d e l s I n t r o d u c t i o n Gr o u n d e x p l o r a t i o n me t h o d s c a n n o t d e t e c t a l l t h e s ma l l g e o l og i c a l s t r uc t ur e s l oc a t e d i n fro nt o f t he f a c e of a c oa l mi ne r o a d wa y o r f ul l y a s c e r t a i n t h e i r l oc a t i o n s ． s i z e s ． a n d c h a r a c t e r i s t i c s ． W h e n r o a d wa y e x c a v a t i o n s e n c o u n t e r u n d e t e c t e d s ma l l g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s i n c o a l mi ne s ．g e o l o g i c a l di s a s t e r s c a n oc c u r ,s uc h a s r oo f c a vi ng ，c oa l o r ga s o ut bur s t s ，o r m i ne wa t e r i nr us h． Th e r e f o r e ．i t i s e s s e n t i a l t h a t e f f e c t i v e u n d e r g r o u n d e x pl o r a t i o n m e t ho ds be us e d t o d e t e c t t he s e s t r uc t ur e s d u r i ng c o a l m i ne r o a d wa y c o ns t ru c t i o n． T u n n e l s e i s mi c p r e d i c t i o n T S P t e c h n o l o g y wa s fi r s t a p pl i e d t o t u nn e l i ng f o r t h e a d va nc e pr e d i c t i o n o f s ma l l g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s a n d h a s p l a y e d a p o s i t i v e r o l e i n t h a t r e g a r d Z e n g ， 1 9 9 4 ； L i u a n d L i u ， 2 0 0 3 ； J e t s c h n y e t a 1 ． ， 2 0 1 l ； Xi a o ， 2 0 1 2 ． Be c a u s e t h e p r o p a g a t i o n o f s e i s m i c wa ve s i n c oa l s e a m s e x hi b i t t he c ha r a c t e r i s t i c s of g ui de d wa v e s ， t h e y a r e o f t e n r e f e r r e d t o a s c ha nn e l wa v e s Ya n g e t a 1 ． ． 2 0 1 0 1 ． Ch a n n e l wa v e s we r e fir s t r e c o g n i z e d b y E v i s o n f 1 9 5 5 i n t h e c o a l s e a m o f a Ne w Ze a l a n d c o a l mi n e i n 1 9 5 5 ．T h r o u g h h i s t h e o r e t i c a l s tud i e s a n d p r a c t i c e s ． K r e y f 1 9 6 3 fi r s t s h o we d t h a t t h e p r o p a g a t i o n mo d e s o f c h a n n e l wa v e s a n d c h a n n e l wa v e s t h e ms e l v e s e x h i b i t d i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c s ． wh i c h l a i d t h e f o u nd a t i o n for c h a n ne 1 wa v e s s e i s m i c e x pl o r a t i o n． La t e r ．t h e d e t e c t i on of t hi s t y pe of c ha nn e l wa v e wa s u t i l i z e d i n c o a l s e a m e x p l o r a t i o n ． a l s o k n o wn a s i n ． s e a m s e i s mi c e x p l o r a t i o n Ha t h e r l y , 1 9 8 7 ； Dr e s d e n a n d R u t e r , 1 9 9 4 ． I n t h e l a t e 1 9 7 0 s ， e x p l o r a t i o n g e o p h y s i c i s t s b e g a n t o s t ud y t he t he o r y a nd a ppl i c a t i o n o f c ha nne l wa v e s e i s mi c e x p l o r a t i o n t o c o a l mi n e s B u c h a n a n e t a 1 ． ， 1 9 8 l Bu c h a n a n．1 98 6 ； Dr e s e n a n d Ru t e r ,l 99 4；Li u e t a 1 ． ． 1 9 9 4 ； Hu a n d M c M e c h a n ． 2 0 0 7 ； Y a n g e t a 1 ． ． 2 0 1 4 1 ． Ho we v e r , t h e s e r e s e a r c h e r s foc us e d o n g e o l og i c a l s t r u c tur e d e t e c t i o n a t c o a l mi n e wo r ki ng f a c e s ．a n d mos t i gn o r e d r o a d wa ys ． F e w s tud i e s t o d a t e h a v e i n v o l v e d t h e a d v a n c e d e t e c t i o n of c h a n ne l wa v e s i n c oa l mi n e r o a dwa y s ． W h e n s e i s mi c wa v e s a r e e x c i t e d a n d p r o p a g a t e i n r o a d wa y s ， t h e r e a r e va r i o us mut u a l j nt e r f e r e n c e wa ve pa t t e r ns a r ou nd t he r o a d wa y s ， whi c h c a n s e r i o u s l y a f f e c t t h e c h a r a c t e r i s t i e s of t h e s e i s mi c w a v e fi e l d s E s s e n e t a 1 ． ， 2 0 0 7 ． S o me s c h o l a r s h a v e u s e d t wo d i me n s i o n a l f 2 一 D1 c o a l mi n e r o a d wa y n ume r i c a l mo d e l s t o s tu d y wa ve fie l d c ha r a c t e r i s t i c s a n d h a v e pr o p os e d t he u s e o f Ra y l e i g h． t y pe c h a n ne l wa ve s a s a n a d v a n c e d e t e c t i o n me t h o d Y a n g a n d C h e n g ， 2 0 1 2 ． Ho we ve r ．t wo ． di m e ns i o na l m od e l s c a nno t a c c ur a t e l y s i m u l a t e t h e p r o p a ga t i o n Of a l l wa v e s a nd f u1 1 一 wa v e fie l d c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e t h r e e ． d i me n s i o n a l f 3 ． D1 o b s e r v a t i o n s ys t e m ． The pu r p os e O f t h i s pa pe r i s t o d e t e r mi ne t he 62 2 wa ve t y pe s a nd c h a r a c t e r i s t i c s o f wa ve pr o pa ga t i o n i n 3 D c oa l mi n e r o a d wa y mod e l s a n d t o s t ud y t he e ne r g Y c h a r a c t e r i s t i c s Of va r i ou s ki nd s of wa v e s i n s y nt he t i c s e i s mi c r e c o r d s u s i n g a 3 一 D r o a dwa y o b s e r va t i o n s y s t e m． Ou r s i mu l a t i o n r e s ul t s c a n be u s e d t o h e l p s e l e c t t h e mos t e f f e c t i ve me t ho d for a d v a n c e d e t e c t i o n i n t he c o nt e x t o f c o a l mi ne r o a d wa ys ． Me t h o d f o r r e c o r d i n g ， ， a n d f o r t h e s a me n o d e s i n 3 - D s t a g g e r e d g r i d f i n i t e d i fi e r e n c e n u me r i c a I s i mu l a t i o n s Vi r i e u x f 1 9 8 6 p r e s e n t e d a n e ffic i e n t me t h o d f o r t h e s t a g ge r e d ． gr i d f i ni t e d i fie r e nc e num e r a 1 s i m u l a t i o n o f fir s t ． o r de r v e l oc i t y． s t r e s s e l a s t i c wa v e e qua t i ons ． How e ve r ．i n vel oci t y． s t r e s s s t agge r ed． gr i d f i ni t e d i f f e r e nc e s i mu l a t i o n c o mpu t i ng ，t he t h r e e c o mpo n e n t s o f v e l o c i t y c a n n o t b e d e fi n e d a t t h e s a me n o d e ， a s s h o wn i n Fi g ur e 1 a ． Th i s ma ke s i t d i 佑 c u l t t o r e c o r d a nd a na l y z e t he t hr e e c ompone nt s of ve l oc i t y a t t he s a m e no de， wh i c h i s fre q u e n t l y r e q u i r e d i n s t u d i e s o f c o mp l i c a t e d s e i s mi c wa v e fi e l d s ． I n t h i s p a p e r , we u s e t h e me a n v a l u e me t h o d t o c o r r e c t t h e h a l f - s t e p s i z e o f s t a g g e r e d ． g r i d n o d e s s o t h a t t h e t h r e e v e l o c i t y c o mp o n e n t s c a n b e r e c o r d e d a t t h e s a me no de ． I f t h e c oo r di na t e po s i t i o ns of t h e n od e s a r e o n t he i n t e g e r t i m e s o f t he g r i d s t e p s o f t h e X， a n d Z a x e s ， i ． e ． ， o n ， J ， ， t h e a d j a c e n t a n d n o d e s ’ c o o r d i n a t e p o s i t i o n s wi l l b e 士 1 ／ 2 ， J 1 ／ 2 ， a n d 1 ／ 2 ， J ， k 士 l ／ 2 ， r e s p e c t i ve l y ． The i r c o or di na t e po s i t i o ns a r e o n h a l f a g r i d s t e p i n t wo c o o r d i n a t e d i r e c t i o n s ． T h e a v e r a g e v a l u e s o f 1 ／ 2 ， J1 ／ 2 ， a n d 士1 ／ 2 ， J 1 ／ 2 ， k a r e t a k e n a s t h e v a l u e o f f ， J ， a n d ， J ， ， r e s p e c t i v e l y ， a s s h o wn i n e q u a t i o n 1 1 a n d F i g u r e s l b a n d 1 c ． V y i ， J ， k 1 ／ 2 ， J1 ／ 2 ， k 1 ／ 2 ， J一1 ／ 2 ， k f 一1 ／ 2 , j 1 ／ 2 ， ， 一1 ／ 2 ， J 一1 ／ 2 ， k ／ 4 ， 1 a v z i ， J ， k V z i 1 ／ 2 ， J ， k 1 ／ 2 十V i l ／ 2 ， J ， k一1 ／ 2 V z i 一1 ／ 2 ， J ， k十1 ／ 2 i 一1 ／ 2 ， J ， k一1 ／ 2 ／ 4 ． 1 b W e s i mul a t e t he s e i s m i c s our ce by t he r e gi ona l a t t e n u a t i o n l o ng i t ud i n a l wa v e s o u r c e i n o r de r t o s i m u l a t e t he r e a l e x pl o s i ve s o ur c e ． The s o ur c e a m p l i t ud e o f t he Ya n g e t a 1 ． gr i d no d e i s e x pr e s s e d wi t h a n e g a t i v e e x po n e n t i a l d e c a y of t he di s t a nc e be t we e n t he n od e a nd t h e s o ur c e no de ． W e s e t t he s o ur c e wa ve l e t a t t h e z e r o ph as e Ri c ke r wa v e l e t Ri c k e r ，1 9 5 3 fre q u e n c y o f 1 5 0 Hz a n d u s e t h e i mp r o v e d p e r f e c t l y ma t c h e d l a y e r P M L a b s o r b i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n Qi n e t a 1 ． ， 2 0 0 9 t o e l i mi n a t e t h e r e fle c t i o n f r o m mod e l b ou n d a r i e s ． △ ． l c f - 1 ， ． I ／ i ．， ， F i g ． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f ， ， p o s i t io n s i n t h r e e - d i me n s i o n a l s t a g g e r e d - g r i d m o d e l a a n d c a l c u l a t i o n s o f ， J ， 七 a n d f ， J ， u s i n g t h e a v e r a g e v a l u e m e t h o d b a n d c ， r e s p e c t i v e l y ． Typi c a l l y，t he TSP m e t hod s e t s l i n e s o ur c e s a l on g t h e t u n n e l wa l l a n d l o c a t e s a r e c e i v e r i n t h e t unn e l f a c c o r i n t h e t u n n e l wa l l Ze n g ，l 9 9 4 ； Li u a n d L i u ， 2 0 0 3 J e t s c h n y e t a 1 ． ， 2 0 1 l Xi a o ， 2 0 l 2 ．F o r wa r d wa v e s a r e i ne vi t a bl y r e fle c t e d b a c k f r o m t h e t u nn e l h e a d vi a t h e s e de t e c t i on d e vi c e s ，whi c h m a y d e c r e a s e t h e s t r e ng t h o f t h e f o r wa r d wa v e s a n d d i s t u r b t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e r e fle c t e d s i gn a l fro m t h e de t e c t i o n t a r g e t s ． To o ve r c o me t h e d i s a d va n t a g e s of wa ve r e fle c t i on f r o m t h e t un ne l f a c e i n t r a di t i o n a l TS P ． we pl a c e d t h e s e i s mi c s o u r c e s i n t he m i dd l e of t h e c oa l s e