含断层煤层反射槽波数值模拟及响应特征研究.pdf

第 ４８ 卷第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ８ ２０２０ 年８ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ.２０２０ 移动扫码阅读 黄超慧ꎬ陶祥忠.含断层煤层反射槽波数值模拟及响应特征研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８８２１０－ ２１５􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０２６ ＨＵＡＮＧ ＣｈａｏｈｕｉꎬＴＡＯ Ｘｉａｎｇｚｈｏｎｇ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ－ｓｅａｍ ｗａｖｅ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｆａｕｌｔｓ [ Ｊ]. Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ２０２０ꎬ ４８ ８ ２１０ － ２１５􀆱 ｄｏｉ １０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０２６ 含断层煤层反射槽波数值模拟及响应特征研究 黄超慧１ꎬ２ꎬ陶祥忠２ １.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室ꎬ江苏 徐州 ２２１１１６ꎻ２.平顶山天安煤业股份有限公司 四矿ꎬ河南 平顶山 ４６７０９３ 摘 要槽波勘探是煤矿井下勘探的重要手段ꎬ其借助槽波在煤层中传播具有能量强ꎬ传播距离远等 优点ꎬ实现采煤工作面断层或其他地质异常体的探测ꎮ 透射槽波勘探研究较为成熟ꎬ已在煤矿生产中 得到广泛应用ꎮ 近年来ꎬ反射槽波逐渐得到关注ꎬ利用反射槽波预测断层落差是今后槽波勘探的研究 方向ꎬ其理论依据研究并不充分ꎮ 为了明确反射槽波能量特征与断层落差间的关系ꎬ建立 ６ 个不同落 差的断层模型断层落差分别为煤层厚度的 １/８、１/４、１/２、３/４、１ 倍、２ 倍ꎬ设计反射槽波勘探观测系 统ꎬ基于高阶交错网格有限差分算法进行数值模拟ꎬ通过提取 ６ 个不同模型的反射槽波振幅信息ꎬ分 析反射槽波能量随偏移距以及断层落差的变化特征ꎬ并分析带通滤波对反射槽波能量分布的影响ꎮ 分析结果表明断层落差小于 １ 倍煤厚ꎬ随着落差增加ꎬ反射槽波能量逐渐增加ꎻ断层落差继续增加ꎬ 反射槽波能量逐渐降低ꎻ断层落差不同ꎬ其对应的反射槽波能量随偏移距的变化趋势一致ꎬ但断层落 差大于 ３/４ 煤厚时ꎬ远近偏移距反射能量出现显著差异ꎻ１００１５０ Ｈｚ 和 １５０２００ Ｈｚ 带通滤波分别对 断层落差小于 １/２ 煤厚和大于 ３/４ 倍煤厚的反射槽波能量影响显著ꎮ 因此ꎬ基于反射槽波能量分布 特征进行断层落差探测ꎬ理论依据充足ꎬ具有实际应用价值ꎮ 关键词反射槽波勘探ꎻ反射槽波能量特征ꎻ三维数值模拟ꎻ断层落差 中图分类号Ｘ７０３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００８－０２１１－０６ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ－ｓｅａｍ ｗａｖｅ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｆａｕｌｔｓ ＨＵＡＮＧ Ｃｈａｏｈｕｉ１ꎬ２ꎬＴＡＯ Ｘｉａｎｇｚｈｏｎｇ２ １.Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅ ＭｉｎｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１１１６ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２.Ｎｏ.４ Ｃｏａｌ ＭｉｎｅꎬＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｔｉａｎａｎ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ.ꎬ Ｌｔｄ.ꎬＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ４６７０９３ Ｃｈｉｎａ 收稿日期２０２０－０３－１１ꎻ责任编辑杨正凯 作者简介黄超慧１９７７ꎬ男ꎬ河南襄城人ꎬ博士研究生ꎬ高级工程师ꎮ 通讯作者陶祥忠１９８２ꎬ男ꎬ河南商丘人ꎬ工程师ꎮ Ｅ－ｍａｉｌ５４０８８５４８６＠ ｑｑ.ｃｏｍ ＡｂｓｔｒａｃｔＩＳＳ ｉｎ－ｓｅａｍ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ. Ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｏｒ ｏｔｈｅｒ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ａｎｏｍａｌｉｅｓ. Ｒｅ￣ ｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ＩＳＳ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｍａｔｕｒｅꎬ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ. Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓꎬ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ＩＳＳ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｇｅｔｔｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ. Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｂｙ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ＩＳＳ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅ￣ ｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ. Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｌａｒｉｆｙ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎ－ｓｅａｍ ｗａｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐꎬ ｓｉｘ ｆａｕｌｔ ｍｏｄｅｌｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ. Ｉｎ ｔｈｏｓｅ ｍｏｄｅｌｓꎬ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｖａｒｉｅｓ ｆｒｏｍ １/８ ｔｉｍｅｓ ｃｏａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔｏ ２ ｔｉｍｅｓ ｃｏａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ. Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｏｓｅ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｇｒｉｄ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ. Ｂｙ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｗａｖｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｘ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｏｆｆｓｅｔ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｃｈａｎｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｉｎ－ ｓｅａｍ ｗａｖｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏｏ. Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｗｈｉｌｅ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｏｎｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬ ｔｈｅ ｒｅ￣ ｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ. Ｗｈｅｎ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｍｐｌｉ￣ ｔｕｄｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ. Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐｓꎬ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｖｅｒｓｕｓ ｏｆｆｓｅｔ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔꎬ ｂｕｔ ０１２ 黄超慧等含断层煤层反射槽波数值模拟及响应特征研究２０２０ 年第 ８ 期 ｗｈｅｎ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ３/４ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅａｒ ａｎｄ ｆａｒ ｏｆｆｓｅｔ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ. Ｔｈｅ １００１５０ Ｈｚ ａｎｄ １５０２００ Ｈｚ ｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ－ｓｅａｍ ｗａｖｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １/２ ｃｏａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ３/４ ｃｏａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ. Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｉｎ－ｓｅａｍ ｗａｖｅ ｈａｓ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ＩＳＳ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｉｎ－ｓｅａｍ ｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻ ｆａｕｌｔ ｄｒｏｐ ０ 引 言 煤炭资源在我国能源结构中占据着主体地 位[１]ꎮ 煤矿采掘过程中遇到断层等地质异常体ꎬ会 使开采成本提高 １０％２０％ꎬ甚至引发事故ꎬ约 ８０％ 事故与断层有关[２]ꎮ 因此ꎬ在工作面回采之前查明 断层显得尤为重要ꎮ 槽波地震勘探具有震源激发频率高一般１００ １ ０００ Ｈｚꎬ接收点和激发点均接近探测目标体ꎬ接 收的地震记录信号频率高、能量强、信噪比高等优 点ꎬ能够实现透射波、绕射波、散射波、折射波、转换 波和反射波等多类型波的高分辨率成像[３－５]ꎮ １９５５ 年 Ｅｖｉｓｏｎ[６]在一篇短论文中首先报道了他在新西兰 一个煤矿里激发与接收到了煤层波ꎬ认为它是由煤 层制导的洛夫波ꎬ并预言该导波可能在采矿业中得 到应用ꎮ 我国从 ８０ 年代初期开始研究槽波ꎮ １９８３ 年ꎬ中国矿业大学在微机上开发了可独立运行的 ＭＩＳＳ 槽波处理软件ꎮ １９９４ 年刘天放等编写的槽 波地震勘探 [７]ꎬ总结了槽波特征ꎬ为国内槽波勘探 提供了理论基础ꎮ 槽波勘探技术主要分为透射槽波 勘探和反射槽波勘探 ２ 种ꎮ 透射槽波勘探技术较为 成熟ꎬ主要采用透射法实现工作面内部构造探测ꎮ 反射槽波勘探不仅能探测工作面内部构造ꎬ还可实 现巷道迎头前方的地质构造ꎬ适用范围较广ꎬ逐渐受 到关注ꎮ Ｉ Ｍ Ｍａｓｏｎ 等[８]在英国某煤矿开展了反射 槽波探测断层的试验ꎬ基于延迟求和方法实现断层 成像ꎮ Ｙ Ｈｕ 等[９]将逆时偏移技术引入反射槽波ꎬ利 用模型数据对反射槽波成像进行了尝试ꎮ 沈鸿 雁[１０]提出了 ＲＴＳＲｅｆｌｅｔｃｔｅｄ－Ｗａｃｅ Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ反射波法隧道井巷地震超前预报技术ꎮ 张平松等[１１]提出了矿井震波超前探测技术 ＭＳＰ Ｍｉｎｅ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎꎮ 王季[１２]提出了基于绕 射波偏移算法的反射槽波空巷道探测技术ꎮ 文献 [１３ꎬ１４]分别研究了反射槽波的绕射偏移成像方 法ꎬ并进行了实际资料测试ꎮ 李江华等[１５]采用振幅 包络计算和共中心点叠加偏移技术ꎬ优化了数据精 细化处理流程ꎮ 姬广忠等[１６]进行了 Ｌｏｖｅ 型槽波的 模拟并分析了频散特征ꎮ 金丹等[１７]设计了频率域 极化滤波器ꎬ提高了对噪声的压制ꎮ 此外ꎬ部分学者 开展了槽波数值模拟以及物理模拟方面的研究工 作ꎬ为槽波勘探理论研究奠定了基础[１８－２０]ꎮ 然而ꎬ 含断层煤层的反射槽波响应机理研究并不充分ꎬ以 至反射槽波勘探中出现的一些问题目前仍得不到合 理解释ꎬ比如不同偏移距的反射槽波振幅存在差异ꎮ 针对以上问题ꎬ笔者基于高阶交错网格有限差 分算法ꎬ建立 ６ 种断层落差的三维地质模型ꎬ进行三 分量反射槽波波场数值模拟ꎬ通过提取 Ｘ 分量和 Ｙ 分量反射槽波进行能量合成ꎬ开展反射槽波响应特 征研究ꎬ为反射槽波探测断层提供理论依据、对现场 勘探具有指导意义ꎮ １ 模型参数及观测系统 为了研究不同性质的断层对槽波反射的影响ꎬ 设计了断层落差分别为 １/８、１/４、１/２、３/４、１、２ 倍煤 厚的 ６ 个三维正演模型ꎬ断层倾角为 ４５ꎮ 模型参 数见表 １ꎬ观测系统布置如图 １ 所示ꎮ 表 １ 反射模型介质参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｍｏｄｅｌ ｍｅｄｉｕｍ 介质 纵波速度/ ｍ􀅱ｓ －１ 横波速度/ ｍ􀅱ｓ －１ 密度/ ｋｇ􀅱ｍ －３ 围岩３ ０００１ ７３０２ ２００ 煤层２ ２００１ ２７０１ ３００ 图 １ 含断层煤层模型 Ｆｉｇ.１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｃｏａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ 模型在 Ｘ、Ｙ、Ｚ 三个方向长度分别为 ３００、１５０、 １５０ ｍꎮ 煤层厚度为 １０ ｍꎬ位置在 Ｚ 方向上的 ７０ ８０ ｍ处ꎬＸ－Ｙ 方向网格 ０.３ ｍꎬＸ－Ｚ、Ｙ－Ｚ 方向网格上 ０.４ ｍꎮ 震源采用 ２００ Ｈｚ 的单峰子波ꎬ模拟运算采 用弹性波震源模拟ꎬ边界加入 ｐｍｌ 吸收边界ꎬ去除边 界反射干扰ꎮ 震源位置在５ꎬ５ꎬ７５ꎮ 检波器在０ꎬ １１２ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 ５ꎬ７５到３００ꎬ５ꎬ７５ꎬ每道间距为 ３ ｍꎮ 断层位于距 离检波器 ９０ ｍ 处ꎮ 图 ２ 观测系统剖面图 Ｆｉｇ.２ Ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ２ 槽波类型模拟分析 对模拟出的 １ 倍煤厚数据进行频散曲线提取ꎬ 用相同模型参数进行理论频散曲线提取ꎬ对比分析 得出模拟数据中槽波是否存在ꎬ以及类型ꎬＬｏｖｅ 型 槽波理论模型参数见表 ２ꎮ 表 ２ Ｌｏｖｅ 型槽波理论模型参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｌｏｖｅ－ｔｙｐｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ 地层序号 横波速度/ ｍ􀅱ｓ －１ 密度/ ｇ􀅱ｃｍ －３ 厚度/ ｍ １１ ７３０２.２７０ ２１ ２７０１.３１０ ３１ ７３０２.２７０ 在图 ３ 中ꎬ以地震记录的第 ５５ 道波为例ꎬ对 １ 倍煤厚断距的断层反射模型进行频散分析ꎬ频散曲 线有 ０、１、２、３ 阶ꎬ说明该地震记录中有槽波存在ꎮ ０ 阶槽波的能量主要集中在 ５０１３０ Ｈｚꎬ速度为 １ １００ １ ７００ ｍ/ ｓꎬ１ 阶槽波的能量主要集中在１３０２５０ Ｈｚꎬ 速度为 １ １００１ ７００ ｍ/ ｓꎬ从理论的模型中分析得 出ꎬ０ 阶槽波的能量集中在 ５０１６０ Ｈｚꎬ速度为 １ ２００ １ ３００ ｍ/ ｓꎬ１ 阶槽波能量主要集中在 ２００３００ Ｈｚꎬ 速度为 １ １７０１ ３００ ｍ/ ｓꎮ 通过对比三维模拟数据 和理论模型的 Ｌｏｖｅ 型槽波频散曲线可知ꎬ该槽波是 Ｌｏｖｅ 型槽波ꎮ ３ 不同落差的断层反射波最大振幅值对比 ３.１ 地震记录分析 笔者采用 Ｍａｔｌａｂ 作为应用工具ꎬ分别对 Ｘ、Ｙ 分 量进行切除直达波ꎬ并截取反射波时窗分别提取振 幅最大值ꎬ根据槽波能量几何扩散因子 ｒ － １ ２ 其中 ｒ 为传播距离对不同偏移距槽波能量进行补偿ꎬ取 断层落差 １ 倍煤厚的 Ｘ 分量和 Ｙ 分量原始地震记 录ꎬ如图 ４ 所示ꎮ 图 ３ 模拟数据与理论频散曲线对比 Ｆｉｇ.３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅ 图 ４ １ 倍煤厚落差断层 Ｘ、Ｙ 分量原始地震记录 Ｆｉｇ.４ Ｘ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ Ｙ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｃｏｒｄｓ ｏｆ １ ｔｉｍｅｓ ｃｏａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｄｒｏｐ ｆａｕｌｔ 在图４ 中ꎬ对断层１ 倍煤厚 Ｘ、Ｙ 分量原始地震记 录分析ꎬ同相轴１ 为直达纵波ꎬ速度约为 ３ ０００ ｍ/ ｓꎬ能 量较低ꎮ 同相轴 ２ 为直达横波ꎬ速度约为１ ７５０ ｍ/ ｓꎮ 同相轴３ 为直达槽波ꎬ其速度分布于１ １００ ｍ/ ｓ左右ꎬ同 ２１２ 黄超慧等含断层煤层反射槽波数值模拟及响应特征研究２０２０ 年第 ８ 期 相轴４ 速度约为３ ０００ ｍ/ ｓ 是反射纵波ꎬ能量和直达纵 波相同比较低ꎮ 同相轴 ５ 速度约为 １ ７５０ ｍ/ ｓ 是反射 横波ꎮ 同相轴６ 速度约为 １ １００ ｍ/ ｓ 反射槽波ꎮ Ｘ 分 量反射槽波的能量是明显大于反射纵波和反射横波ꎬ 直达波在近炮点能量较强ꎬ强于反射槽波ꎬＹ 分量反射 槽波很弱ꎬ直达槽波很强ꎮ ３.２ 不同落差断层提取反射能量分析 使用 Ｅ＝Ｅ２ Ｘ ＋ Ｅ ２ Ｙ Ｅ 为合成槽波能量ꎬ ＥＸ和 ＥＹ分别为 Ｘ 和 Ｙ 分量槽波能量对 Ｘ 分量和 Ｙ 分量 能量进行合成图 ５ꎬ其中横坐标为槽波的入射角 大小ꎬ纵坐标为合成能量大小ꎬ用振幅表示ꎬ无量纲ꎮ 图 ５ 合成反射槽波的能量随着偏移角度的变化 Ｆｉｇ.５ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ 根据图 ５ 可知ꎬ不同落差断层 Ｘ－Ｙ 分量合成槽 波反射能量在 １/８ 倍煤厚到 １ 倍煤厚是逐渐增加 的ꎬ在 １ 倍煤厚到 ２ 倍煤厚降低了 ３０％左右ꎮ 不同 落差的断层反射波能量曲线形态基本一致ꎬ在 ０ ４０由大变小ꎬ在 ４０以后逐渐变大ꎮ 反射槽波在入 射角 ７５时能量达到最大ꎮ 断层落差分别为 １/８ 倍、１/４ 倍和 １/２ 倍煤厚时ꎬ炮点位置和最大角度的 反射槽波的能量差距较小ꎬ断层落差为 ３/４ 倍煤厚 比 １/２ 倍煤厚的反射槽波能量大 ２５％ꎮ 依据该特 征ꎬ可以进行断层性质的区分ꎮ ４ 不同落差断层三维数值模拟数据滤波之 后能量对比分析 在实际的槽波处理中ꎬ滤波是很关键的一个步 骤ꎬ在三维数值模拟中ꎬ使用网格建立地层、断层ꎬ会 使正演模拟也会产生一部分信号干扰ꎮ 而且当经过 断层反射时ꎬ槽波的能量会发生变化ꎮ 为了增强部分反射槽波提高数据的信噪比ꎬ 本节对截取的反射槽波采用 １００ １５０ Ｈｚ、１５０ ２００ Ｈｚ、２００２５０ Ｈｚ 的频带宽度分别进行滤波ꎬ 再提取不同频带滤波后的反射槽波能量进行 Ｘ－ Ｙ 分量合成ꎬ对每道最大值进行对比分析ꎬ观察 反射槽波的能量变化ꎬ总结滤波对反射槽波的影 响图 ６ꎮ 图 ６ 不同频宽滤波的不同落差断层的合成反射槽波能量变化 Ｆｉｇ.６ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｏｐ ｆａｕｌｔｓ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂａｎｄｗｉｄｔｈｓ ３１２ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 从图 ６ 分析可知ꎬ当滤波频带宽度为 １００１５０ Ｈｚ 时ꎬ在入射角 ０６０ꎬ反射槽波能量比滤波之前 减弱 ２０％左右ꎬ其中 １、１/２ 倍煤厚落差断层变化较 其他落差断层的较大ꎬ在入射角 ６０以后ꎬ反射槽波 的曲线变得平滑ꎮ 其槽波能量减弱 ４５％左右ꎬ其中 小于 １/２ 倍煤厚的断层反射槽波能量在大偏移距减 弱程度较大ꎮ 当滤波频带宽度为 １５０ ２００ Ｈｚ 时ꎬ 入射角在 ０４０时反射槽波的能量降低较为明显ꎬ 特别是 ３/４ 倍煤厚和 ２ 倍煤厚ꎬ下降的幅度比其他 落差断层的幅度大 １５％左右ꎮ 在入射角为 ４０ ７０ꎬ反射槽波能量有小幅度的增强ꎬ大偏移角度 ７０以后两者的能量差异变大ꎮ 当滤波频带宽度为 ２００２５０ Ｈｚ 时ꎬ在入射角 ０ ６０之间槽波能量基 本没有变化ꎬ入射角 ６０以后反射槽波能量上升到 和未滤波的能量一致ꎮ 但是 ３/４ 倍煤厚的断层的能 量最低的拐点往小角度移动ꎮ ５ 结 论 １反射槽波能量随着偏移距变化而变化ꎬ基本 呈现先减小后增加的趋势ꎬ尤其在断层落差大于３/４ 倍煤厚时ꎬ大偏移距反射槽波能量明显强于近偏移 距反射槽波ꎮ ２反射槽波的能量受断层落差影响显著ꎮ 断 层落差小于 １ 倍煤厚时ꎬ反射槽波的能量随着落差 增加逐渐增加ꎻ断层落差继续增加到 ２ 倍煤厚时ꎬ反 射槽波能量呈现下降趋势ꎮ ３反射槽波能量对带通滤波的频带宽度范围 较为敏感ꎮ １００１５０ Ｈｚ 的带通滤波明显降低了断 层落差小于 １/２ 煤厚的反射槽波能量ꎬ１５０２００ Ｈｚ 的带通滤波ꎬ明显降低了断层落差大于 ３/４ 煤厚的 反射槽波能量ꎮ 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 卢鉴章ꎬ刘见中.煤矿灾害防治技术现状与发展[Ｊ].煤炭科学 技术ꎬ２００６ꎬ３４５１－５. 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