浅部采空区微震定位方法研究.pdf

国家重大科技专项（No 2011ZX05035-003-002） 硕士学位论文 浅部采空区微震定位方法研究 Study on Shallow Goaf Microseismic Location s 作 者朱双江 导 师潘冬明教授 中国矿业大学 二○一五年五月 万方数据 中图分类号 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 浅部采空区微震定位方法研究 Study on Shallow Goaf Microseismic Location s 作 者 朱双江 导 师 潘冬明 申请学位 理学硕士 培养单位 资源学院 学科专业 地球物理学 研究方向 应用地球物理 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一五年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 朱双江 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 首先感谢我的导师潘冬明教授在我硕士研究生三年期间所给予的指导和关 怀，潘老师渊博的专业知识、丰富的科研实践经验、严谨的治学态度始终感染着 我，是我终身需要学习的。同时，感谢潘老师在生活上的关怀和精神上的鼓励， 让我们每一个学子都感受到了家的温馨和团队的凝聚力。 本文的选题论证、开题报告、相关研究和最终成果均包含了潘老师的悉心指 导，整个过程中潘老师严谨的治学风格让我印象深刻，获益匪浅。同时潘老师还 给予了我理论和实践结合的机会， 通过实际的项目接触来锻炼自己各方面的能力。 在此，我谨向我尊敬的导师潘冬明老师致以我最衷心的感谢和最崇高的敬意 感谢中国矿业大学资源与地球科学学院全体老师数年来对我的关心和培养。 多年来，他们默默地传授知识，并为我提供了许多学习和科研的机会。我深深地 感到我的每一份成绩与他们的无私帮助是分不开的。在此，向他们表示深深的感 谢 感谢胡明顺博士、李娟娟博士、尹奇峰博士、赵新硕士、任川硕士、张文亮 硕士、孙继刚硕士、唐兆建硕士、周浩硕士以及地球物理研究所的师兄弟姐妹， 在论文完成过程中，大家在学习和生活上给了我极大的关怀和帮助，让我度过了 难忘而充实的三年学习生活。 最后，还要特别感谢我的亲人，感谢他们在我求学历程中，给予我的关心和 鼓励，使我能够勇敢地战胜困难并走向成功。 万方数据 I 摘摘 要要 采空区在煤矿生产和地面施工中危害严重。目前,浅层煤矿采空区探测的地 球物理方法主要有浅层地震法、探地雷达法和可控源音频大地电磁测深法等。本 文根据井地 CT 勘探方法在井中激发地震波，地震波在传播过程中遇到采空区会 发生散射的特点，将散射点看做二次震源，研究其在地震记录上的波形特征，结 合井地 CT 初至层析方法得到的初始速度模型，根据微震震源定位原理对采空区 进行空间位置定位。 本文的研究工作主要为以下几个方面 （1）了解采空区地质特征，研究采空 区地震资料，分析其平均速度、到时振幅和到时频率； （2）分析采空区散射直达 波双曲线特点，总结出高效识别采空区散射波的方法，通过数值模拟研究采空区 产生的散射波在地震记录中的特点，为实际资料散射波识别提供帮助； （3）以正 演理论模型为基础，探讨经典 Geiger 定位方法、网格搜索法各自对采空区定位 精度和适用性问题。综合分析上述反演算法的优缺点，提出了一种矩形分割反演 算法，该算法收敛快速稳定，避免了定位结果的局部收敛等问题； （4）研究到时 拾取误差及初始速度模型精度对震源定位精度的影响， 将地震层析理论运用到初 始速度模型的校正中。 通过上述研究，本文主要取得了如下几点研究成果 （1）针对地震波经过采空区时会产生散射的特点，推导出地下某一位置处 产生的散射波传播特征，用于在地震记录中准确寻找散射波。 （2）针对常规反演 算法局部收敛、依赖初值以及运算速度慢的缺点，引入一种基于变网格思想的全 局寻优的矩形分割算法，提高反演速率的同时，提高纵向收敛精度； （3）对于井 地地震记录，利用初至层析理论对速度模型进行校正，得到了准确的速度校正模 型。 最后，利用以上研究成果，对某地区井地 CT 地震数据进行处理，利用采空 区产生的散射波特点对其到时进行拾取，并结合校正后的速度模型，运用矩形分 割算法最终完成了勘探区域采空区定位工作。 论文有图 36 幅，表 7 个，参考文献 66 篇。 关键词关键词采空区；散射；二次震源；震源定位；速度模型 万方数据 II Abstract Underground goaf has a very serious harm to coal production and surface operation. Nowdays, geophysic shallow coal mining goaf exploration mainly includes shallow earthquake , radar and CSAMT. Based on the feature that borehole-to-surface CT motivates in the borehole and when it go across goal, it will scattering, we can recard scattering point as secondary source, and study it’s waveshape feature, then combined with initial velocity model of crosswell first-break traveltime tomography and microseismic soure location theory, we can lacate goaf. To address the issues described above, this dissertation carried out in-depth studies as following 1 learn the geology feature of goaf and study the seiscmic data of goaf, analyze it’s average velocity, amplitude of firstbreak and frequency of firstbreak; 2 Analyze sacterred wave’s character, summarize an efficient to indentify goaf scaterred wave. Use numerical modeling to sthdy scattered wave’s feature on seismic record, verifying effectiveness of location .3 Base on the forward theory, classic Geiger location and grid search are analyzed to compare their advantages and disadvantages, and the rectangular segmentation inversion algorithm is put forward, which converges more fast and stably and avoids the problem of local convergence.4 The influence rule of first break picking and velocity model on location results has been studied, and the seismic tomography theory is applied to the velocity model optimization. Based on the above research contents, this dissertation has made some important achievements as follows （1）On account of the feature that sesmic wave will emerage scattering, we dudeced scattered wave’s feature of one point underground, and use this feature to find scattered wave from seismic data accurately.（2）As the shortcomings of conventional inversion algorithm, such as local convergence, initial value depence and slow operation speed, the rectangular segmentation inversion algorithm is introduced, which is global optimization based on variable grid ideas;（3）As for CT seismic record, the first arrival tomography theory is used to correct the velocity model, and the corrected velocity model is accurate. Finally, the research results above are used to process the borehole-to-surface CT data of a certain area. The feature of scattered wave generated by goaf underground is used to pick up the firstbreak time, and combining velocity model 万方数据 III been corrected with classic Geiger location , goaf locatinon exploration task is been completed. This dissertation contains 36 figures, 7 tables, and 66 references. Keywords goaf； scattering； the secondary source； source location； velocity model 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................ I 目目 录录 .......................................................................................................................... IV 图清单图清单 .................................................................................................................... VIII 表清单表清单 ........................................................................................................................ X 变量注释表变量注释表 ................................................................................................................ XI 1 绪论绪论 .......................................................................................................................... 1 1.1 课题研究目的和意义 .............................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................. 2 1.3 研究内容 ........................................................ 4 2 采空区地震勘探综述采空区地震勘探综述 .......................................................................................................... 6 2.1 采空区的地质特征 ................................................ 6 2.2 采空区散射波定位原理 ............................................ 7 2.3 浅部采空区散射波特征分析 ....................................... 10 2.4 本章小结 ....................................................... 14 3 微地震事件定位方法微地震事件定位方法 ........................................................................................................ 15 3.1 Geiger 定位法 ................................................... 15 3.2 网格搜索法 ..................................................... 18 3.3 矩形分割法 ..................................................... 21 3.4 本章小结 ....................................................... 24 4 采空区微震定位误差分析采空区微震定位误差分析 ................................................................................................ 25 4.1 到时拾取误差分析 ............................................... 25 4.2 速度模型引起的定位误差分析 ..................................... 26 4.3 本章小结 ....................................................... 31 5 实际地震资料处理实际地震资料处理 ............................................................................................................ 33 5.1 地质概况及微地震数据采集 ....................................... 33 5.2 实际微震事件定位 ............................................... 34 5.3 本章小结 ....................................................... 40 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................................................... 41 6.1 结论 ........................................................... 41 万方数据 V 6.2 展望 ........................................................... 42 参考文献参考文献 .................................................................................................................................... 43 作者简历作者简历 .................................................................................................................................... 47 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................................ 48 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................................... 49 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables ................................................................................................................ X List of Variables ......................................................................................................... XI 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Aim and Significance of the Subject ........................................................................ 1 1.2 Present Research Situation ....................................................................................... 2 1.3 Research Contents .................................................................................................... 4 2 Goaf Seismic Exlopoation Review ........................................................................... 6 2.1 Geologic Feature of Goaf ......................................................................................... 6 2.2 Theory of Goaf Scattered Wave Locating ................................................................ 7 2.3 Analysis of Shallow Goaf Scattered Wave ............................................................. 10 2.4 Summary ................................................................................................................ 14 3 Locations of Microseismic Event ........................................................................... 15 3.1 Geiger Location ........................................................................................ 15 3.2 Grid Search ............................................................................................... 18 3.3 Rectangular segmentation inversion algorithm ..................................................... 21 3.4 Summary ................................................................................................................ 24 4 Error Analysis of Goaf Microseismic Location .................................................... 25 4.1 Error Analysis of First Break Picking .................................................................... 25 4.2 Analysis of Location Error Caused by Velocity Model ......................................... 26 4.3 Summary ................................................................................................................ 31 5 Processing of Actual seismic Data .......................................................................... 33 5.1 Geology Conditions and Microseismic Data Acquisition ...................................... 33 5.2 Location of Actual Microseismic Events ............................................................... 34 5.3 Summary ................................................................................................................ 40 6 Conclusions and Prospects ..................................................................................... 41 6.1 Conclusions ............................................................................................................ 41 万方数据 VII 6.2 Prospects ................................................................................................................ 42 References ................................................................................................................... 43 Author’s Resume ........................................................................................................ 47 Declaration of Thesis Originality.............................................................................. 48 Thesis Data Collection ............................................................................................... 49 万方数据 VIII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 2-1 煤层采空区塌陷垂直“三带”示意图 6 Figure 2-1 Sketch map of sinking vertical”three zones” 6 图 2-2 采空区单炮记录 8 Figure 2-2 Single shot record of goaf 8 图 2-3 平均速度图 8 Figure 2-3 Average velocity 8 图 2-4 到时频率图 9 Figure 2-4 Frequency of first break 9 图 2-5 到时振幅图 9 Figure 2-5 Amplitude of first break 9 图 2-6 近地表散射波路径示意图 9 Figure 2-6 Path of near-surface reflected wave 9 图 2-7 三维观测系统平面图 9 Figure 2-7 Plan of 3D observational system 9 图 2-8 水平层状介质浅层采空区模型 10 Figure 2-8 Level layered media shallow goaf model 10 图 2-9 水平层状介质浅层采空区正演模拟地震记录 12 Figure 2-9 Seismic record of level layered media shallow goaf 12 图 2-10 水平层状介质深层采空区模型 13 Figure 2-10 Level layered media deep goaf model 13 图 2-11 水平层状介质深层采空区正演模拟地震记录 13 Figure 2-11 Seismic record of level layered media shallow goaf 13 图 3-1 水平层状介质浅层采空区模型及速度模型 16 Figure 3-1 Level layered media shallow goaf model and velocity model 16 图 3-2 微地震模拟记录到时拾取及到时时间曲线 17 Figure 3-2 First break picking and first break time curve of microseismic simulation record 17 图 3-3 Geiger 法定位结果（XZ 平面） 18 Figure 3-3 Location results in XZ plane by Geiger 18 图 3-4 二维空间的网格搜索法示意图 19 Figure 3-4 Schematic diagram of grid Search in two-dimensional space 19 图 3-5 网格搜索法 Z 方向反演结果 20 Figure 3-5 Inversion results by grid search in Z direction 20 图 3-6 网格搜索法 X 方向反演结果 21 Figure 3-6 Inversion results by grid search in X direction 21 图 3-7 二维矩形分割示意图 23 Figure 3-7 Schematic diagram of two-dimensional rectangular division 24 图 3-8 矩形分割法反演定位结果 24 万方数据 IX Figure 3-8 Inverse results by rectangular division 23 图 4-1 加入随机噪音扰动的到时曲线 25 Figure 4-1 The first break curve with random noise added 25 图 4-2 到时扰动定位结果 26 Figure 4-2 Location results of first break with agitation 26 图 4-3 误差变化速度模型（-10至 10） 27 Figure 4-3 Velocity model with error variety （-10 to 10） 27 图 4-4 速度模型误差变化定位结果 27 Figure 4-4 Location results by velocity model with error variety 27 图 4-5 速度模型误差对定位精度影响 28 Figure 4-5 Location accuracy affected by Velocity model error 28 图 4-6 层析速度流程图 30 Figure 4-6 Flow chart of tomographic velocity 30 图 4-7 井地