采煤机动力地震响应与煤岩识别技术研究.pdf

国家自然科学基金重点项目（U1261202）资助 国家自然科学基金面上项目（41974149）资助 硕士学位论文 采煤机动力地震响应与煤岩识别技术研究 Study on Shearer Dynamic Seismic Response and Coal Rock Identification Technology 作 者刘金锁 导 师刘盛东教授 中国矿业大学 2020 年 5 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 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 采煤机动力地震响应与煤岩识别技术研究 Study on Shearer Dynamic Seismic Response and Coal Rock Identification Technology 作 者 刘金锁 导 师 刘盛东 申请学位 工学硕士学位 培养单位 资源与地球科学学院 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 二○二○年五月 万方数据 致谢致谢 三年的时光一瞬而过，无论是学业上还是生活上，矿大这一段宝贵的经历都 将是我一生宝贵的财富，从第一次进入实验室，第一次和师兄下井采集数据，第 一次负责完成项目，第一次发表论文，第一次会议汇报,太多的第一次让我无 法忘却这个充满回忆的地方。在此，栀子花开的季节，感谢一路以来帮助我、鼓 励我的人。 首先，非常非常感谢我的恩师刘盛东教授，所有毕业的师兄师姐都和我说过 同样的话，很幸运能跟着这样的一位老师完成自己的研究生生涯。在科研上，刘 老师学术严谨，对学生要求严格，无论对科研时间还是科研内容都是高标准、严 要求，大到整片论文的核心思想，小到一句话、一个标点，无一例外的指出并要 求逐一修改。从我的论文题目选定，到现场数据采集，亲自进入采煤工作面保证 数据采集质量，最后论文定稿，刘老师对待任何一件事情的态度正是完美诠释了 “只争朝夕，不负韶华” 。在生活上，刘老师关心每个学生的生活状况，每次和 老师出差时，总是我收获最多的时候，听着老师讲着他这四十年的物探故事，那 种不畏艰苦， 迎难而上的 “骆驼” 精神， 让我在即将开始的工作生涯中无所畏惧， 勇往直前。在此，太多的言语也不足矣表达刘老师三年对我的培养， “吃水不忘 挖井人” ，再次对敬爱的导师刘老师表示最诚擎的敬意和最衷心的感谢。 其次，感谢课题组的王勃副教授，张明伟副教授，刘静老师，杨彩老师给予 的支持和指导，感谢师兄章俊博士、杨海平博士、张兆桥博士在学业和生活上的 帮助， 感谢已毕业的师兄师姐焦国超、 姜永虎、 高彬、 谢晶岩、 郝家林、 郑方坤、 冯广迪在我刚进入课题组时给我树立的榜样， 让我自己严要求的完成了自己的研 究生生涯；感谢同门张维鑫、金标、邱万用、梁森一路以来的互相帮助，互相支 持；感谢在读的师弟师妹吕荣其、宋佳骏、丁盺、孙华超、张振东、张恒、王金 岳、涂玉梦、龚震这三年的陪伴，相遇即是缘分。 同时，感谢资源学院的所有老师，特别感谢潘冬明教授，董守华教授、陈同 俊教授、许永忠副教授、黄亚平副教授、祁雪梅副教授、杨磊老师为论文提出的 宝贵意见。 感谢安徽惠洲地质安全研究院的研发院戚俊院长、李继伟工程师、王奇工程 师、李纯阳工程师对于我在软件和硬件上的支持，和你们相处的三年让我在各个 方面都得到了成长。感谢我的七年室友金标，七年以来的感情让我们已经超过了 普通朋友之间的感情，愿友谊长存。感谢室友蒋震，感谢中国矿业大学（北京） 呼邦兵、东华理工大学陈海康同学在生活上的帮助，青春永不散场。 在此，感谢安徽理工大学地球与环境学院的胡雄武副教授，一直以来在学业 上和生活上对我的指导， 让我在迷茫的时候确定前进的方向， 真挚的感谢胡老师， 万方数据 愿工作顺利，阖家幸福。 同时，感谢三一重型装备有限公司研究院尹力院长、朱涛所长、邵泽龙工程 师、李庆茹工程师，感谢各位为本次论文提供的实验条件及项目支持，让我学会 了“心存感激”的精神。 感谢我的爸爸妈妈对我的默默支持，无论我做什么决定，永远都是无条件支 持，永远都是我坚强的后盾；感谢的女朋友余乐，这三年来的陪伴，虽是异地但 从未感觉到疲惫，希望马上要工作的你可以一直这样开心下去。 最后，感谢论文所引用文献的作者，感谢在百忙之中评审本论文的各位专家 和学者，祝健康快乐，永远幸福 万方数据 I 摘摘 要要 随着煤炭工业的快速发展，煤炭开采不断向大采深和高安全性方向进军,实 现深部煤层智能开采与无人工作面逐渐成为目前煤矿开采技术的热点问题， 也是 打造采煤工艺智能化、全面建成智慧矿山、实现煤炭精准开采的重要手段，而工 作面煤岩识别技术与随采地震勘探技术正是保证煤矿智能化的关键技术支撑。 本文首先对比四大物理场进行煤岩识别的优劣势， 确定选择弹性波场开展煤 岩识别与随采地震方法研究；然后从理论基础开展研究，分别介绍了基于振动信 号的煤岩识别技术和随采地震干涉技术的相关原理， 提出分别选取振动信号的低、 中和高三个特征频带， 采用三个特征频带能量和以及特征高频带能量和与总能量 和的比值这两个绝对概念和相对概念进行煤岩识别， 通过采用不同幅频特性的正 弦曲线进行数值模拟信号合成和贵州某矿的随钻测振实采信号进行物理模拟验 证此提出概念在煤岩识别方法可行性；同时，结合实际地质情况建立三维地质模 型开展三维数值模拟研究，分别选择雷克子波脉冲震源和 50Hz 到 350Hz 的扫频 连续震源进行激发，对比分析其波形记录，确定最优分量为 X 方向（顺煤层方 向） ，当接收测线布置于切眼，水位选择 0.4-0.6 时干涉处理结果效果最好，进而 指导实际工作中观测系统的布置即处理中水位的选择；最后，通过煤岩识别与随 采地震的模拟结果，结合采煤机结构自主研发地震采集装置，提出一种新型的随 采地震观测系统，分别在滚筒后方、机身和液压支架布置传感器，接收以采煤机 截割煤岩产生的地震信号，通过在淮北朔里矿 II415 工作面进行实采信号验证对 比，利用特征频带能量和与特征高频占比可准确识别工作面煤、岩变化，同时， 采用水位 0.5，对液压支架与机身接收的地震记录进行水位反褶积干涉，可得到 虚拟地震道记录，其动力地震响应的较好距离为 20m，可作为前方地质异常识别 的基础。 关键词关键词煤岩识别；特征高频能量占比；特征频带能量和；水位反褶积干涉；动 力地震 万方数据 II Abstract With the rapid development of the coal industry, coal mining is continuously marching toward the direction of large mining depth and high safety, the realization of intelligent mining and manless working face in deep coal seams has gradually become a hot issue in current coal mining technology. It is also an important means to create an intelligent coal mining process, to fully build a smart mine, and to achieve accurate coal mining. The coal rock identification technology of the working face and the technology of seismic while mining are the key technical support to ensure the intelligence of the coal mine. Firstly, this paper compares the advantages and disadvantages of four major physical fields for coal rock identification, and determines to select elastic wave field for coal rock identification and seismic while mining research. Then the research is carried out from the theoretical basis, and the relevant principles of coal rock identification technology based on vibration signals and seismic interference techniques are introduced. The low, medium and high characteristic frequency bands of vibration signals are selected respectively. And the absolute concepts and relative concepts of characteristic high-frequency band energy and the ratio to the total energy sum for coal and rock identification, the sine curves with different amplitude-frequency characteristics are used to synthesize numerical simulation signals and the physical simulation signal acquisition of a vibration measurement while drilling site in a mine in Guizhou to verify the feasibility of the proposed concept in coal and rock identification. At the same time, based on the actual geological conditions, a three- dimensional geological model is established to carry out three-dimensional numerical simulation research. The pulse source with the Ricker wave as the source and the sweep frequency continuous source with the frequency from 50Hz to 350Hz are respectively selected for excitation Through comparative analysis of their wave records, it is determined that the optimal component is the X direction along the coal seam direction. When the receiving line is arranged at the cutting hole and the water level is 0.4-0.6, the interference processing results are the best. Finally, based on the simulation results of coal-rock identification and seismic while mining, a self-developed seismic acquisition device combined with the structure of the shearer is proposed, and a new type of seismic observation system is proposed simultaneously; Sensors are arranged behind the drum, the fuselage and the hydraulic support, to receive seismic signals 万方数据 III generated by the shearers cutting of coal and rock. Through the verification and comparison of actual mining signals at the Huaibei Shuoli Mine II415 working face, the characteristic band energy and the ratio with the characteristic high frequency can accurately identify the coal and rock change. At the same time, the water level 0.5 is used to the seismic records that the hydraulic support and the fuselage receive. The water level deconvolution interference can be used to obtain a virtual seismic trace record. The better distance of the dynamic seismic response is 20m, which can be used as the basis for identifying the geological anomalies ahead. Keywords coal-rock identification; proportion of characteristic high-frequency energy; characteristic band energy sum; water level deconvolution interference; dynamic Seismic 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........................................................................................................................ XII 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................. XIII 1 绪论绪论............................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.3 论文主要内容 ........................................................................................................ 6 1.4 技术路线 ........................................................ 7 2 理论基础理论基础 ................................................................................................................... 9 2.1 煤岩识别相关原理 ................................................ 9 2.2 随采地震相关原理 ............................................... 14 2.3 本章小结 ....................................................... 30 3 煤岩识别模拟信号分析煤岩识别模拟信号分析 ......................................................................................... 31 3.1 数值模拟信号分析 ............................................... 31 3.2 物理模拟信号分析 ............................................... 37 3.3 本章小结 ....................................................... 44 4 随采地震随采地震正演模拟正演模拟分析分析 ......................................................................................... 45 4.1 模型及观测系统参数设置 ......................................... 45 4.2 脉冲震源地震记录分析 ........................................... 46 4.3 扫频连续震源地震记录分析 ....................................... 49 4.4 不同水位干涉处理对比分析 ....................................... 52 4.5 本章小结 ....................................................... 56 5 现场实际应用现场实际应用 ......................................................................................................... 58 5.1 采集系统研制开发 ............................................... 58 5.2 地质概况 ....................................................... 60 5.3 现场施工 ....................................................... 60 5.4 数据采集处理 ................................................... 62 5.5 本章小结 ....................................................... 66 万方数据 V 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 67 6.1 研究结论 ....................................................... 67 6.2 展望 ........................................................... 68 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 69 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 76 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 77 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 78 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables ............................................................................................................ XII List of Variables ................................................................................................... XIII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Background .............................................................................................. 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ...................................................................... 2 1.3 Main work Technical Route ..................................................................................... 6 1.4 Technical Route ........................................................................................................ 7 2 Theoretical Basis ....................................................................................................... 9 2.1 Related Principles of Coal-Rock Identification ....................................................... 9 2.2 Related Principles of Seismic While Mining ......................................................... 14 2.3 Summary ................................................................................................................ 30 3 Coal-Rock Identification Analog Signal Analysis ................................................ 31 3.1 Numerical Analog Signal Analysis ........................................................................ 31 3.2 Physical analog signal analysis .............................................................................. 37 3.3 Summary ................................................................................................................ 44 4 Analysis of Simulation Seismic Signals While Mining ........................................ 45 4.1 Parameter setting of model and observation system .............................................. 45 4.2 Analysis of seismic records of pulse source .......................................................... 46 4.3 Analysis of sweep frequency continuous source seismic record ........................... 49 4.4 Comparative analysis of interference treatment of different water levels ............. 52 4.5 Summary ................................................................................................................ 56 5 Field application ...................................................................................................... 58 5.1 Development of Acquisition Systems .................................................................... 58 5.2 Geological Profile .................................................................................................. 60 5.3 Site Construction .................................................................................................... 60 5.4 Data Acquisition And Processing ........................................................................... 62 5.5 Summary ................................................................................................................ 66 万方数据 VII 6 Conclusions and Prospect....................................................................................... 67 6.1 Research Conclusion .............................................................................................. 67 6.2 Prospect .................................................................................................................. 68 References ................................................................................................................... 69 Author’s Resume ........................................................................................................ 76 Declaration of Thesis Originality ............................................................................. 77 Thesis Data Collection ............................................................................................... 78 万方数据 VIII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 技术路线图 8 Figure 1-1 Technology route 8 图 2-1 非周期函数的离散傅里叶变换原理示意图 12 Figure 2-1 Schematic diagram of di