煤矿回采工作面透射多波处理技术研究.pdf

国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目（U1261202）资助 硕士学位论文 煤矿回采工作面透射多波处理技术研究 The Study of Transmission Wave Processing Technology in Coal Mining Working Face 作 者余森林 导 师刘盛东 教授 中国矿业大学 二〇一六年六月 万方数据 中图分类号 P631.4 学校代码 10290 UDC 550 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 煤矿回采工作面透射多波处理技术研究 The Study of Transmission Wave Processing Technology in Coal Mining Working Face 作 者 余森林 导 师 刘盛东 申请学位 工学硕士 培养单位 资源学院 学科专业 地球探测与信息技术 研究方向 应用地球物理 答辩委员会主席 潘冬明 评 阅 人 匿名评审 二○一六年六月 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 余森林 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 致谢致谢 论文相关的工作前前后后开展近一年时间，作者于本文中表述的成果相比较团队 所给予的巨大支持而言不足为道。 刘盛东老师对专业学术的认真要求和科研工作的严 谨态度对我的学习生涯有极大的推动。与老师探讨学术让我获益匪浅，向老师讨教人 生亦让我不再惧怕前程。在此对刘盛东老师表示深深的感谢，愿老师永远身体健康。 自研究生入学以来，不论是在学习上还是生活上王勃老师都给予了我极大的帮助 和关怀，王老师在学术上认真、在生活上洒脱，他的一言一行，一举一动都是我学习 和模仿的对象，王老师的教诲也让我终生受益，在此表示深深的感谢还要感谢张明 伟和刘静两位老师，感谢两位老师在学习和生活上给我的建议，两位老师永远是我学 习的榜样路拓师兄、黄兰英师姐、杨彩师姐、章俊师兄，你们一直都是我各方面学 习的表率，从团队走出去的孙大鹏师兄、吴昭师兄、刘路师兄、储韬玉师兄和李斌师 兄都曾在我的学习生涯给予很多帮助。同年级的张夏阳、韩韧、李世宁同学与我这三 年中互相学习互相激励，我的师弟冯洋、高培国、杨海平、姜永虎、焦国超在本论文 实验测试中提供了不可或缺的助力。团队的兄弟姐妹们，在此一并感谢你们的陪伴和 帮助。 感谢资源学院各位老师在这三年里对我的教诲，老师们的博学使物探散发出无尽 的吸引力。 同时，感谢惠洲地下灾害研究设计院有限公司的各级领导和同志们，你们在测试 系统硬件、软件上提供的帮助为论文的完成提供了保障。 最后，感谢我的妈妈还有聂蕊蕊同学对我学习生涯的支持，你们一切安好是我前 进的最大动力。 万方数据 I 摘摘 要要 随着煤矿开采进程的不断深入，煤层赋存的地质条件越来越复杂，构造特别是小 构造也越发育。高精度、高分辨率的震波 CT 探测技术是未来矿井地震勘探的发展方 向和必由之路。在充分了解震波 CT 探测理论及其工程应用现状的基础上，分析了现 有矿井震波 CT 探测技术存在的问题，从数据预处理和成像方法两个方面对矿井巷道 透射多波处理技术进行了较为详细的分析研究， 并通过数值模拟数据、 物理模拟数据、 现场实测数据对研究结论进行验证， 充分证明了研究内容的必要性和研究成果的适用 性。论文具体研究内容包括 （1）提出工作面震波 CT 探测延时校正方法。分析了震波 CT 探测数据采集时系 统延时产生的原因和特点以及延时对反演结果的影响，针对常规工作面震波 CT 观测 系统提出了延时校正方法，有效地消除了延时带来的影响。 （2）给出了突出不同类型波（P、SH、SV）的分量合成公式。分析了单分量检 波器采集数据的缺陷所在，论证了多分量数据采集的必要性，并根据常规工作面震波 CT 观测系统下不同类型波的震动特点和规律，给出了突出不同类型波的分量合成公 式。 （3）结合工作面震波 CT 观测系统的特点，分析比较多种地震常用滤波方法， 并将它们应用于矿井震波探测数据的有效波提取和纵横波分离上。 （4）提出通过反投影技术算法（BPT）计算反演区域初始模型，然后用联合迭 代重建技术算法（SIRT）计算确定反演过程中各网格单元修正量的联合反演方法。在 分析比较多种常用速度层析成像算法，总结各自优缺点的基础上，提出了该联合反演 方法，并通过数值模拟数据、物理模型数据及现场数据证明此种反演方法的优越性。 （5） 根据绕射偏移能量叠加原理， 将绕射偏移成像反演方法应用于矿井震波 CT 探测反演成像， 并针对绕射纵波、 绕射横波、 P-SV 转换波、 SV-P 转换波的传播特性， 给出了不同波在均匀介质与非均匀介质中旅行时的详细计算方法。 并通过数值模拟数 据、物理模型数据的多波反演证明了绕射偏移成像方法收敛性好的优点。 （6）根据叠前绕射偏移叠加的原理和特点，探索研究了叠前绕射偏移成像方法 对观测系统覆盖区域外异常体的反映情况。 该论文有图 90 幅，表 4 个，参考文献 74 篇 关键词关键词震波 CT；延时校正；分量合成；波场分离；多波成像 万方数据 II Abstract Increasing complicated geological conditions of the coal seam structure, especially small structure is developed with the process of coal mining deeply. High-precision, high-resolution seismic wave CT detection technology is the future direction of development and good way to mine seismic exploration. In this paper, based on the full understanding of the seismic wave CT detection theory and its engineering application, analysis of the existing mine seismic wave CT detection technology. From two aspects of data preprocessing and imaging for the mine laneway seismic wave CT detection key technology in a more detailed analysis, and numerical simulation data, physical simulation data and field data to validate the results of the study, the research proved necessity and applicability of research results. Specific contents of the thesis include （1）Proposed the delay correction of working surface seismic wave CT detection. This paper analyzes the impact of system delay seismic wave CT detection data acquisition causes and characteristics and delay of inversion results, aiming at the working face of seismic wave CT observation system proposed delay correction which can effectively eliminates the influence brought by the time delay. （2）A ula for the synthesis of different types of wave is given. This paper analyzes the defects of single component geophone acquisition data, demonstrates the necessity of multi-component data acquisition, based on the conventional surface seismic wave CT observation system and different types of wave motion characteristics and rules, it gives the highlight the different types of wave component synthetic ula. （3）Combined with the characteristics of the working face of seismic wave CT observation system, analysis and comparison of a variety of common ground filtering and their application in seismic wave CT detection of effective wave extraction and vertical and horizontal wave separation. （4）Through the Back Projection Technique BPT calculation of initial model for inversion region, then calculated to determine the joint inversion of the course of the correction amount of each grid cell inversion by the Simultaneous Iterative Reconstruction Technique SIRT algorithms. Proposed joint inversion based on analysis and comparison of a variety of commonly used velocity tomography algorithms, 万方数据 III summarize their advantages and disadvantages, and prove the superiority of the inversion by the numerical simulation data, the physical model data and the field data. （5） According to the superposition principle of diffraction migration energy, diffraction migration imaging inversion is applied to mine seismic wave CT detection imaging inversion, And for the propagation characteristics of diffraction-longitudinal wave diffraction-wave, P-SV converted-wave, SV-P converted waves and presented a detailed calculation of different waves traveling in homogeneous and inhomogeneous media. And proved the advantages of good diffraction migration convergence through numerical simulation data, physical model data of Multi-wave inversion （6）According to the principle and characteristics of pre-stack diffraction migration stack, to explore the pre-stack migration diffraction imaging of observation system outside the coverage area of abnormal body reflect the situation. This paper has figure 90, table 4, reference73. Keywords Seismic wave CT; Delay correction; Component composition; Wave field separation; Multi-wave imaging 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................ I I 目目 录录 .............................................................................................................................. IVIV 图清单图清单 ............................................................................................................................ VIIVII 表清单表清单 ............................................................................................................................ XIIXII 变量注释表变量注释表 .................................................................................................................. XIIIXIII 1 1 绪论绪论 ................................................................................................................................ 1 1 1.1 选题背景与研究意义 .................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................... 2 1.3 研究内容和技术路线 .................................................. 5 2 2 震波传播及震波传播及 CTCT 成像理论基础成像理论基础........................................................................................ 7 7 2.1 震波传播理论 ........................................................ 7 2.2 震波 CT 成像理论 ..................................................... 8 2.3 弹性力学参数与弹性波速度的相互关系 ................................. 11 3 3 矿井巷道震波矿井巷道震波 CTCT 波场预处理技术波场预处理技术 .............................................................................. 1313 3.1 延时校正处理技术 ................................................... 13 3.2 分量合成技术 ....................................................... 17 3.3 波场分离技术 ...................................................... 24 3.4 小结 .............................................................. 30 4 4 矿井巷道震波矿井巷道震波 CTCT 成像技术成像技术 ........................................................................................ 3 31 1 4.1 波速层析成像 ....................................................... 31 4.2 叠前绕射偏移成像 ................................................... 46 4.3 小结 .............................................................. 49 5 5 模拟及工程现场实例分析模拟及工程现场实例分析 .......................................................................................... 5 50 0 5.1 数值模拟实例分析研究 ............................................... 50 5.2 物理模拟实例分析研究 .............................................. 77 5.3 工程现场实例分析研究 ............................................... 82 5.4 小结 .............................................................. 87 6 6 结论与展望结论与展望 .................................................................................................................. 8 88 8 万方数据 V 6.1 结论 .............................................................. 88 6.2 展望 .............................................................. 89 参考参考文献文献 .......................................................................................................................... 9 90 0 作者简历作者简历 .......................................................................................................................... 9 94 4 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ...................................................................................................... 9 95 5 学位论文数据集学位论文数据集 .............................................................................................................. 9 96 6 万方数据 VI Contents Abstract ............................................................................................................................... II Contents .............................................................................................................................. VI List of Figures .................................................................................................................. VII List of Tables .................................................................................................................... XII List of Variables .............................................................................................................. XIII 1 Introduction ...................................................................................................................... 1 1.1 Study Background and Significance ............................................................................... 1 1.2 The Domestic and foreign research situation .................................................................. 2 1.3 The Research Content and Technical Route .................................................................... 5 2 Seismic Wave Propagation and CT Imaging Theory .................................................... 7 7 2.1 Seismic Wave Propagation Theory ..................................................................................................... 7 2.2 The Imaging Theory of Seismic CT .................................................................................................... 8 2.3 The Relationship Between Elastic Mechanics Parameters and Wave Speed .................................... 11 3 Wave Field Pretreatment Technology of Seismic Wave CT in Mine Roadway......... 1313 3.1 The Technology of Delay correction ................................................................................................. 13 3.2 The Technology of Component Synthesis ........................................................................................ 17 3.3 The Technology of Wave Field Separation ...................................................................................... 24 3.4 Summary .......................................................................................................................................... 30 4 Imaging Technology of Seismic Wave CT in Mine Roadway ..................................... 3131 4.1 The Wave velocity tomography ........................................................................................................ 31 4.2 The Prestack Diffraction Migration Imaging .................................................................................... 46 4.3 Summary .......................................................................................................................................... 49 5 The Analysis of Simulation and Engineering Field Case ............................................ 5 50 0 5.1 The Analysis of Numerical Simulation Case .................................................................................... 50 5.2 The Analysis of Physical Simulation Case....................................................................................... 77 5.3 The Analysis of Engineering Field Case .......................................................................................... 82 5.4 Summary .......................................................................................................................................... 87 6 Conclusions and Prospects ............................................................................................. 8 88 8 6.1 Conclusions ....................................................................................................................................... 88 6.2 Prospects .......................................................................................................................................... 89 References ........................................................................................................................... 90 万方数据 VII Author’s Resume ............................................................................................................... 94 Declaration of Thesis/Dissertation Originality ............................................................... 95 Thesis/Dissertation Data Collection ................................................................................. 96 万方数据 VIII 图清单图清单 图序号 图名 页码 图 1-1 技术路线图 6 Figure 1-1 Technology route 6 图 2-1 𝑆𝑏𝑒𝑝𝑜变换投影示意图 9 Figure 2-1 Projection diagram of radon trans 9 图 3-1 工作面震波CT常规观测系统布置 14 Figure 3-1 The conventional observation system of seismic wave CT 14 图 3-2 模型示意图及观测系统布置 16 Figure 3-2 Model and observation system 16 图 3-3 纵波波速层析反演结果图 16 Figure 3-3 Compressional wave velocity tomographic inversion results 16 图 3-4 纵波波速层析反演结果图 17 Figure 3-4 Compressional wave velocity tomographic inversion results 17 图 3-5 纵波波速层析反演结果图 17 Figure 3-5 Compre